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中國學科發展戰略(海洋大地測量基準與水下導航)/學術引領系列/國家科學思想庫 版權信息
- ISBN:9787030720238
- 條形碼:9787030720238 ; 978-7-03-072023-8
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>>
中國學科發展戰略(海洋大地測量基準與水下導航)/學術引領系列/國家科學思想庫 內容簡介
我國海洋大地測量與導航學科及技術發展滯后,海底大地測量基準空白,水下導航定位手段匱乏,難以有效支撐我國日益活躍的海洋活動,更無法保障我國海洋強國建設,這與我國海洋經濟建設和海防建設目標極不相配。本書論述了海洋大地測量基準與水下導航在海洋權益、國家安全、海洋經濟及海洋科學研究等方面的戰略支撐地位,在分析國內外相關科技領域發展現狀和趨勢的基礎上,提出了我國海洋大地測量基準及海洋定位、導航和授時(PNT)體系建設的發展途徑,梳理了海洋大地測量基準與水下導航技術領域的難點問題、關鍵技術及發展方向,給出了學科發展建議。 本書可供國家綜合PNT體系建設、海洋科技以及大地測量與導航學科的政策制定、發展規劃、科學研究及技術研發等相關人員閱讀。
中國學科發展戰略(海洋大地測量基準與水下導航)/學術引領系列/國家科學思想庫 目錄
總序 i
前言 vii
引言 ix
**章 戰略支撐地位、意義與作用 1
**節 維護國家海洋權益和國家安全的重要基礎設施 1
第二節 國家藍色海洋經濟、“21世紀海上絲綢之路”的基礎支撐 3
第三節 海洋資源開發和海洋環境監測的重要支撐條件 4
第四節 數字海洋、透明海洋和智慧海洋的核心要素 5
第五節 海洋科學及地球科學問題研究的基礎平臺 6
第二章 國內外發展現狀及趨勢分析 9
**節 發達國家海底空間基準技術發展現狀 9
一、海底大地測量基準與海底觀測網絡 9
二、聲學定位系統與聲學導航定位技術 13
三、水下自主導航定位技術 15
四、綜合PNT體系與海洋PNT技術 17
第二節 我國海洋大地測量基準與導航技術現狀 18
一、我國海洋大地測量基準發展現狀 18
二、我國海洋水下定位裝備發展現狀 19
三、我國綜合PNT體系與海洋綜合PNT體系發展現狀 21
第三節 我國海洋PNT*新技術進展 22
一、海底大地測量基準理論研究 23
二、我國首*海底大地測量基準試驗網建成 23
三、海洋PNT技術裝備研發與工程化應用 24
第四節 問題、差距與機遇 26
一、問題與差距 26
二、機遇與挑戰 28
第三章 海底大地測量基準建設難點問題及發展途徑 31
**節 海底大地測量基準建設難點問題 31
一、基礎設施建設與維護成本 31
二、海底大地控制網勘選 32
三、海底空間基準維護 32
四、多源海洋大地測量觀測融合 33
第二節 海底大地測量基準建設的基本準則 33
第三節 海底大地測量基準發展途徑 35
一、多學科、多領域融合發展 35
二、急用先建,分步實施 35
三、軍民融合,共建共用 36
四、從理論到應用全鏈條攻關 37
第四章 海洋PNT體系建設難點及發展途徑 39
**節 海洋PNT體系建設難點 39
一、水下PNT信息源建設 39
二、海洋彈性PNT終端小型化 40
三、用戶端多源PNT信息彈性融合 41
四、海洋PNT服務網絡構建 41
第二節 海洋PNT體系發展的基本準則 41
第三節 海洋PNT體系發展途徑 43
一、納入國家綜合PNT體系建設框架 43
二、發揮我國北斗及聲學導航技術優勢 43
三、加大高新PNT技術儲備與微PNT傳感器研發 45
四、堅持彈性PNT發展路線 45
第五章 海洋大地測量基準體系及其關鍵技術 47
**節 海洋大地測量基準理論 47
第二節 海洋大地測量基準構建技術體系框架 48
第三節 海底大地測量基準建設關鍵技術 50
一、海底大地控制網布測與定位方法 50
二、海洋大地測量基準模型優化 56
三、海洋大地測量基準與陸地測量基準的無縫連接策略 65
四、海洋大地測量基準的維持與更新策略 69
第四節 海底基準信標裝備研制關鍵技術 72
一、裝備研制原則 72
二、淺;鶞史脚撛O計 74
三、深海基準方艙設計 77
四、海底多信標方艙設計 77
五、海底多傳感器方艙設計 79
六、海底基準方艙制造工藝 80
第五節 海底空間基準試驗網構建 83
一、試驗網設計的目標和內容 84
二、海底空間基準試驗網設計 85
三、試驗區選取與實施 87
四、觀測試驗與數據處理和分析 89
五、主要試驗結論 96
第六章 海洋導航技術體系及其關鍵技術 98
**節 海面及水下導航技術框架 98
第二節 水下聲吶導航定位技術 101
一、水下聲吶導航定位技術裝備 101
二、主動式聲吶定位技術 102
三、被動式聲吶定位技術 103
四、海洋聲速場構建與海洋環境誤差修正技術 104
第三節 慣性導航定位技術 105
第四節 INS/重力匹配導航技術 107
一、重力匹配導航關鍵技術 107
二、重力場適配區選取方法 107
三、高精度重力匹配圖構建技術 109
四、高精度實時重力測量技術 111
五、重力匹配算法研究 112
第五節 海洋綜合PNT裝備與多源PNT信息融合技術 113
一、海洋綜合PNT裝備 113
二、海洋多源PNT信息融合技術 113
第六節 極地海洋大地測量基準與極地海洋導航發展方向 118
一、極地海洋大地測量基準構建策略 118
二、極地海洋導航發展方向 118
第七章 我國海洋大地基準體系發展方向 120
**節 “十三五”海洋大地基準建設成果概述 120
第二節 海洋大地測量基準建設主要發展方向 122
一、構建近海大地測量海底大地控制網絡 122
二、陸海垂直基準歸一化建設 122
三、動態海底監測大地基準體系及其數據反演 123
四、應急海洋基準網絡建設及實時或準實時數據處理理論與技術 124
五、陸?仗炝Ⅲw大地測量數據采集體系及其裝備核心技術 125
六、多源海洋觀測數據的彈性融合理論與軟件平臺建設 125
第八章 我國海洋水下導航定位體系發展方向 128
**節 國家海洋水下導航定位體系建設概況 128
第二節 國家海洋PNT體系建設主要發展方向 129
一、國家“水下北斗系統”基礎設施建設 129
二、多機理PNT與匹配場信息資源建設 131
三、海洋PNT核心元器件國產化 132
四、深海長航時PNT終端彈性化與智能化 132
五、彈性化PNT融合理論與算法 133
六、極區PNT體系建設 134
第九章 我國海洋大地測量和海洋PNT學科建設 136
**節 海洋大地測量學科發展概況 136
第二節 海洋PNT學科發展概況 138
第三節 海洋大地測量與海洋PNT人才培養 139
第四節 國際學術交流與技術合作 140
一、加強基礎研究領域的學術交流與合作 141
二、加強與世界知名海洋研究機構的合作 143
三、加強政府間雙邊和多邊合作 144
參考文獻 146
彩圖
中國學科發展戰略(海洋大地測量基準與水下導航)/學術引領系列/國家科學思想庫 節選
**章戰略支撐地位、意義與作用 海洋大地控制網是國家大地基準網的重要組成部分,是海洋大地測量、海洋測繪和水下導航定位的基礎,是海洋活動尤其是水下航行的重要參考基準(楊元喜等,2017;楊元喜等,2020);海洋大地控制網也是海洋權益維護、海洋資源勘探、海洋環境監測的重要基礎設施,還是海洋科學研究的重要支撐。海洋大地控制網需盡可能覆蓋海面、水中和海底。美國、日本等少數發達國家早已開展了海底大地控制網建設研究(Mochizuki et al.,2003;Favali and Beranzoli,2006;Matsumoto et al.,2008a),相比之下,我國海底大地控制網建設起步較晚,缺少自主可控的海底基準信標裝置,水下導航定位技術單一,難以有效滿足海洋勘探、海洋經濟開發、海洋科考、海洋環境監測、海洋權益維護等各種海洋活動的需要(楊元喜等,2017)。 **節 維護國家海洋權益和國家安全的重要基礎設施 隨著國家利益邊界的不斷拓展,國家安全概念已經超出了傳統的領土、領空范疇,不斷向深空、深海、兩極甚至全球和網絡空間拓展與延伸。海洋權益與陸地權益、空間權益一樣是國家利益的核心內容之一,維護海洋權益首先要有陸海統一的大地基準的保障。我國國家安全與海洋權益維護形勢嚴峻,周邊安全環境復雜,國家主權和海洋權益正面臨巨大挑戰(姜麗麗,2006)。我國部分島礁被侵占、海洋資源被掠奪,海域劃界矛盾突出。敵對勢力拉攏域內和域外國家(地區)不斷在各種場合強調所謂“航行安全”,實質是制造事端,進行挑釁,給我國海洋安全及海洋權益維護帶來極大挑戰。 海洋安全是國家安全的*前沿陣地,國家安全保障離不開海洋大地基準支撐和海洋導航定位保障。《中國海洋發展報告(2019)》指出,中國的海洋安全形勢正發生復雜而深刻的變化,海洋安全是中國當前國家安全的重點方向,關系到國家的主權與安全,更關系到國家的未來發展(自然資源部海洋發展戰略研究所課題組,2019)。我國海洋安全面臨嚴峻挑戰,尤其是南海安全不斷面臨嚴重威脅。南海是我國海洋安全的重要屏障(于營,2012),但是,近年來我國南海重要區域、重要島礁、重要海洋探測裝置和重要設施經常遭到敵方從空中、水面到水下多層次、多手段偵察、滋擾與入侵,海洋安全和海洋權益面臨巨大威脅,海洋資源勘探存在巨大安全隱患。 無論是海洋權益維護還是海洋安全保障,都必須有海洋大地測量基準與水下導航定位能力。維護海洋權益首先必須擴大海洋活動空間,提高海洋水上和水下安全航行能力。此外,維護海洋安全和海洋權益不得不大力強化我國的海防能力,海防能力的提升首先要有海底大地測量基準與水下PNT基礎保障能力的提升,如此才能確保水下載體航行,特別是隱蔽航行安全。然而,我國陸海空間基準未形成統一體系,海底基準基礎設施幾乎空白,水下導航技術手段單一,嚴重影響我國海洋權益的維護和各種海上活動的開展(楊元喜等,2017)。在國家科技實力和經濟實力不斷增強以及相關技術儲備不斷豐富與完善的情況下,建立和發展陸海一體的空間基準體系,發展水下導航定位新手段已迫在眉睫。 建立海洋大地控制網,類似于北斗導航衛星星座,可為水下潛器提供導航定位服務(楊元喜等,2020),從而有效提高其隱蔽性和生存能力,也可為我國海上力量提供水下隱蔽定位信息支援,保障艦船航行安全,提升其有效遂行使命的能力。當前,我國水下航行器隱蔽導航主要依靠慣性導航系統(inertial navigation system,INS)(張福斌,2002;張世童等,2020)。水下導航尤其是長航時水下慣性導航累積誤差嚴重,我國目前使用的水下靜電慣性導航系統的導航精度大約為0.5nmile/2d,而美國使用的水下靜電慣性導航系統的導航精度大約為2nmile/30d。為了標校水下慣性導航的累積誤差,水下潛器不得不上浮水面,或放出一次性GNSS浮標進行標校,或借助陸基導航(長波導航臺)系統進行位置校準,這大大降低了其自主導航隱蔽性和生存能力。地球物理場匹配導航也是解決水下潛器慣性導航累積誤差的重要手段,但水下潛器匹配導航定位所需的水下地形地貌信息、重力場信息和磁場信息,*終也離不開陸海統一的海洋大地測量基準支撐。 海洋大地測量基準與陸地基準的統一是陸?章摵献鲬鸬闹匾A,有利于形成全球精確打擊的戰略能力,有利于全面提升海戰場環境綜合保障能力,以滿足遂行應急救援、遠洋護航、重要海上通道控制等多樣化海洋安全保障需要。建立分布合理的陸海統一的海洋大地控制網,有利于改變目前單一的海洋導航定位模式,有利于準確快速獲取海戰場環境時空信息和導航定位信息,有利于提高信息化協同作戰和精確打擊保障能力。 第二節 國家藍色海洋經濟、“21世紀海上絲綢之路”的基礎支撐 海洋經濟是我國經濟發展潛在的、可持續的、重要的領域。作為國民經濟建設的重要戰略發展方向,海洋經濟對我國國民經濟的貢獻穩步增長。根據《2019年中國海洋經濟統計公報》,2019年全國海洋生產總值89415億元,比上年增長6.2%,海洋生產總值占國內生產總值的比重為9.0%,占沿海地區生產總值的比重為17.1%(自然資源部,2019)。我國每年進口的原油90%以上也需要通過海洋運輸(吳剛和魏一鳴,2009)。我國社會經濟發展對海洋資源的開發利用、運輸通道的安全保障、海洋權益的維護拓展的重要性和依存度日益突出。為了快速推進我國海洋經濟發展,穩健實施全球經濟布局,實施國家海洋大地基準與海底導航定位基礎設施建設已成為當前大地測量的優先發展任務。 共建“21世紀海上絲綢之路”有助于中國與海上絲綢之路沿線國家在航運、能源、貿易、科技、生態等領域開展全方位合作,有利于擴展我國經濟發展戰略空間,支撐我國經濟持續穩定發展,同時對促進區域繁榮、推動全球經濟發展具有重要意義。“21世紀海上絲綢之路”建設首先要有時空基準統一地理空間信息的保障,要有海洋導航定位技術和裝備的支持,因此,大力發展海洋大地測量基準與導航技術已成為國家空間基準服務國民經濟建設的新任務和新使命。 我國部分管轄海域和重點關注大洋區域的海洋大地測量基準基礎設施遠不能滿足“21世紀海上絲綢之路”的需求,尤其是海底大地測量基準設施極其薄弱,因此需要盡快開展“21世紀海上絲綢之路”大地基準建設,為“21世紀海上絲綢之路”建設提供導航定位服務能力。加強海底大地控制網建設,提供全球統一、陸海一體、精準可靠的空間基準,無疑是提升海洋觀測能力*基礎、*核心的環節,將直接服務于“21世紀海上絲綢之路”,為其提供精確的時空基準保障。 第三節 海洋資源開發和海洋環境監測的重要支撐條件 海洋資源開發是我國資源供給的重要途徑。我國擁有300多萬平方公里海洋領土、18000km大陸海岸線和16000km海島岸線(魏國旗,1991),我國東海、南海都蘊藏著豐富的石油、天然氣等礦產資源,海岸帶區域自然資源豐富,對于我國社會經濟可持續發展具有極其重要的意義(楊金森,2005)。 海洋漁業需要海洋位置服務。我國擁有淺海灘涂面積2億畝,大陸架漁場42億畝,目前擁有海水養殖面積3000萬畝,海藻、蝦類養殖已位居全球**。1998~2004年,山東省青島市嶗山區每年的海洋捕撈產量穩定在6萬t以上,但隨著近海資源匱乏,捕撈產量下降,如2005年為5.4萬t(青島市嶗山區志編纂委員會,2008)。因此,海洋經濟需要向更綠色、更健康的可持續方向發展(陳國生和葉向東,2009)。海洋所孕育的“藍色糧倉”將在很大程度上解決我國“人增地減”的矛盾(韓立民和李大海,2015)。海洋養殖,尤其是智能化、無人化養殖(以下簡稱海洋牧場)需要海洋大地基準與海洋PNT的強有力保障,否則無人值守的海洋牧場建設將不可能實現。 此外,公海和深海蘊藏著人類可持續發展所需的大量礦產資源,這將成為世界各國搶占生存和發展空間的制高點。我國海洋資源開發正在走向深海和公海,需要深海高精度導航定位技術提供支撐和保障,海洋資源勘探更離不開高精度定位與導航技術的支撐。我們知道,海洋是我國資源勘探開發的重要領域,探索和查明蘊藏在海洋中的自然資源,摸清其富集過程和特征,必須首先進行海洋資源調查、勘探,其后才能有計劃地實施開采。海洋資源勘探離不開位置服務,也離不開海洋導航,尤其是海底鉆探,更需要水下高精度定位技術的支持。 2021年12月,國務院批復《“十四五”海洋經濟發展規劃》指出,更好統籌發展和安全,優化海洋經濟空間布局,加快構建現代海洋產業體系,著力提升海洋科技自主創新能力,協調推進海洋資源保護與開發,維護和拓展國家海洋權益,暢通陸海連接,增強海上實力,走依海富國、以海強國、人海和諧、合作共贏的發展道路,加快建設中國特色海洋強國。海洋環境監測、海洋環境保護是國家“綠水青山”戰略實施的重要組成部分,也是國家承諾的“2035年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”的重要“碳中和”承載區域。海洋環境監測離不開定位信息和位置服務,也離不開導航定位和授時技術。2021年3月,《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出,打造可持續海洋生態環境,探索建立沿海、流域、海域協同一體的綜合治理體系。這些年來,我國在大力提倡開發利用海洋的同時,面臨著巨大的海洋生態環境污染治理壓力。2014年,長江、黃河、珠江等七大流域環境監測結果表明,水質同比均出現下降狀態,多數河口生態系統海水呈現富營養化,港灣、潮灘和濕地等環境污染嚴重,許多地區赤潮不斷(李尚勇,2015)。海底大地控制網作為海洋立體監測系統的基礎組成部分有必要盡早提到重要日程。 國家海洋大地測量基準可為海洋資源調查、勘探、開發提供堅實的基礎,提高國家海洋資源開發能力,促進海洋經濟高質量發展。例如,海底大地控制網可為海底工程施工提供控制,為石油鉆井平臺的定位或復位、海底管道的敷設、水下探測器的安置或回收等提供高精度定位(楊凡,2017)。國家海底大地控制網建設還可為海洋經濟建設提供測繪保障,為我國社會經濟可持續發展做出貢獻。水下導航定位可廣泛應用于包括海洋資源勘察與開發、海底地形地貌勘測以及深海探測等領域。 此外,國家海洋環境監測需要集成高精度導航、定位和授時技術,為各類海洋環境參數提供準確可靠的空間位置和時間信息,特別是在海洋潮汐、水文觀測等方面,不僅需要在我國沿海實現觀測資料的陸海統一,還需要在全球范圍內確保觀測數據的時空基準統一。 第四節 數字海洋、透明海洋和智慧海洋的核心要素 中國共產黨第十九次全國代表大會報告明確提出加快“建設海洋強國”,這一戰略實施需要有數字海洋、透明海洋、智慧海洋的支撐,形成海洋資源、事件、目標等相關位置和時間的快速感知能力。 數字海洋是海洋全信息的數字化,是透明海洋的前提條件,更是智慧海洋的基礎和核心。數字海洋建設首先必須構建立體式觀測網絡,從空間、海面、水下甚至海底獲取各類海洋環境信息,包括海洋幾何信息、物理信息、化學信息、生態信息等,這些信息的共同特征是都必須有位置屬性;數字海洋還必須有網絡信息,否則各個區域的各類海洋信息將成為“信息孤島”,構不成整體的海洋信息平臺,而各類海洋信息必須有高精度時間和空間框架的支持,否則這些信息將成為雜亂無章的信息。 透明海洋是數字海洋的升華。透明海洋需要數字海洋的支撐,沒有足夠密度、足夠分辨率的海洋綜合數據支撐,海洋不可能透明化。建立透明海洋必須有足夠的海洋感知信息支持,無論哪類感知信息,都必須有時間和空間屬性,因此大地基準信息、導航定位信息及時間信息就成為透明海洋的基礎。 智慧海洋是數字海洋、透明海洋的升華,也是智慧地球的重要組成部分。智慧海洋不僅需要海量的、高空間分辨率和高時間分辨率的海洋信息的支持,還需要將海洋大數據與專家知識相結合,形成海洋知識圖譜,將新一代信息技術與海洋環境、海洋裝備、人類活動和管理科學深度融合,實現互聯互通、智能化挖
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