第2章海洋大地控制網(wǎng).

1、現(xiàn)代海洋測繪現(xiàn)代海洋測繪趙趙 建建 虎虎|概概 述述|海面控制網(wǎng)海面控制網(wǎng) |海底控制點的照準標志和作用距離海底控制點的照準標志和作用距離 |海底控制點（網(wǎng)）的幾何圖形海底控制點（網(wǎng)）的幾何圖形 |海底控制點（網(wǎng)）坐標的測定海底控制點（網(wǎng)）坐標的測定|思考題思考題 海洋大地測量控制網(wǎng)是陸上大地網(wǎng)向海域的擴展。海洋大地測量控制網(wǎng)主要由海底控制點、海面控制點（如固定浮標）以及海岸或島嶼上的大地控制點相連而組成 。21 概概 述述 海面控制網(wǎng)主要包括以固定浮標為控制點的控制網(wǎng)、海岸控制網(wǎng)、島嶼控制網(wǎng)以及島嶼陸地控制網(wǎng) 。22 海面控制網(wǎng)海面控制網(wǎng)采用的幾何圖形與陸上大地網(wǎng)基本相同，如三角形、四邊形、

2、中點多邊形 。n 采取逐級控制的方法；n 按片形或鎖形兩種方式布設；海面大地測量控制網(wǎng)布設特點：海面大地測量控制網(wǎng)布設特點：片形海洋控制網(wǎng)正方形鎖 三角鎖 鎖狀海洋控制網(wǎng) 為基本控制點，o為加密點 加密后的海洋控制網(wǎng)基本點：基本點：與陸地大地網(wǎng)直接聯(lián)結的海洋大地控制點 。間距約為1001000km，定位誤差約0.5m。加密點：加密點：在基本點的基礎上進一步加密設置的海洋大地控制點。間距約為230km，定位誤差約12 m 。海底控制點的結構，通常由固設于海底的中心標石和水聲照準標志兩部份組成。水聲照準標志分主動式和被動式兩種。 圖2-4 海洋控制點的中心標石23 海底控制點的照準標志和作用距離海

3、底控制點的照準標志和作用距離231 主動式水聲照準標志主動式水聲照準標志 所謂主動式水聲照準標志，實際上是一種水聲聲標。它能主動發(fā)射出強度足以保證測量船上的水聲設備能在其有效作用距離內接收到該信號；或者當接收到船臺發(fā)射出的詢問聲信號后，能轉發(fā)應答聲信號被船臺接收。具有這樣兩種功能的水聲聲標，我們稱為主動式水聲照準標志。 海洋定位中常采用的應答器就被普遍采用作為海底控制點的主動式照準標志作為海底控制點照準標志的水聲應答器，通常由換能器、電子系統(tǒng)（包括電源）、錨以及浮標等組成 浮標負荷聲標錨 水聲應答器及其組成 232 被動式水聲照準標志被動式水聲照準標志 以自身表面反射來自船上水聲設備所發(fā)射的聲

4、信號再被船臺接收，這種水聲照準標志稱為被動式照準標志。 對被動式水聲照準標志的主要技術要求是它反射信號的能力，在聲學中稱目標強度，即離目標（如被動式照準標志）1米處，從目標反射回的反射信號的聲強和入射到目標的入射信號的聲強之比取對數(shù)乘10 。 提高被動式照準標志的目標強度，應考慮下列因素：入射聲信號所具有的聲功率；入射聲信號的方向性，當位于入射聲波波陣面的法線方向時，顯然它具有最大的聲能； 被動式水聲照準標志的材料結構和形狀。 目標強度離目標（如被動式照準標志）1m處，從目標反射回的反射信號的聲強和入射到目標的入射信號的聲強之比取對數(shù)乘10 )lgI(lg10lg1000IIITS材料的選擇對

5、不同性質結構的界面，通常以反射系數(shù)和透射系數(shù)來區(qū)分。反射系數(shù)： 2221122211)1 ()1 (CCCC透射系數(shù)： 22211221114CCCC 1C1表示第一種介質的聲阻；2C2表示第二種介質的聲阻；為密度；C為聲速 下圖就是用不同材料制成的被動式照準標志所具有的各種形狀 ，其中最具均勻反射聲能特點的是球體或半球體形狀的照準標志。 (1) 鋼質正方形反射體；(2) 鋁質角形反射體；(3) 鋁質，用于垂直面上的角形反射體；(4) 玻璃球反射體；(5) 串形玻璃球反射體。 232 水聲聲標的有效距離水聲聲標的有效距離 水聲聲標的有效距離，即聲信號的最大傳播距離。這里的有效距離，指的是有效水

6、平距離 影響水聲聲標有效距離的因素影響水聲聲標有效距離的因素 （1）聲信號的發(fā)射強度和頻率；（2）聲信號傳播路徑中噪聲的掩蓋作用；（3）聲信號傳播過程中的衰減；（4）聲射線的折射特性。定義定義:水聲聲標有效距離的計算水聲聲標有效距離的計算 通常用于海區(qū)聲速梯度Gc為常數(shù)的情況 。此時聲射線是一條以半徑為 方法方法圖解法 00RcoscCG的圓弧，求出該圓弧中心的坐標，以R為半徑，在方格紙上劃出該聲線（圓?。?，從而在圖上直接量取相應的有效水平距離。方法方法計算法 計算法的基礎，是將海水根據(jù)具體情況分層（水平層），每一分層中的聲射線視為直線。 那么整個聲線所相應的有效水平距離為 iiiDZ ctg

7、 1niiDD在每一分層有： Zi 是人為劃分的，i為聲射線與海平面（或平行于海平面的水平方向）之間的夾角 當利用坐標已知的海底控制點來確定測量船位時，須滿足二個條件 :n 測量船必須位于作為海底控制點的水聲聲標的 有效范圍之內 ;n 至少需要三個這樣的控制點，否則無法實施定位。 因此，就要求海底控制點應以規(guī)則的幾何圖形布設 。一般有正方形和等邊三角形。24 海底控制點（網(wǎng)）的幾何圖形海底控制點（網(wǎng)）的幾何圖形241以三角形構成的海底控制網(wǎng)以三角形構成的海底控制網(wǎng)P1、P2 和P3為配置在以半徑為r的圓周上的聲標位置，D為聲標的有效水平距離，為以D為邊線的交會角，d為聲標之間的距離。AB、AC

8、和BC是以三個聲標為圓心，以D為半徑的圓弧 。圓弧AB,AC和BC所包圍的區(qū)域就是三個聲標的有效面積場。P1圖2-8 海底三角網(wǎng)網(wǎng)BACP3P2OrdDsin2sin60Dr2sin2Dd 如果布設成網(wǎng)，那么如圖所示 圖2-9 海底控制網(wǎng)注意：為了確保三角形的三個聲標具有較大的有效面積場，邊線的長度不應超過聲標的有效距離，在三角形邊長為D的情況下，可同時有三至七個聲標可供使用。 三角形構成的菱形面積=D2 sin 60=0.866D2 ；242 以正方形構成的海底控制網(wǎng)以正方形構成的海底控制網(wǎng) 海底四邊形控制網(wǎng)P1、P2 、P3和P4為配置在以邊長為d的正方形角頂處的聲標位置 ，E 、F 、G

9、 、H所包圍的區(qū)域即為四個聲標的有效面積場。若采用其中的三個聲標，則斜線所表示的區(qū)域，即為相應的有效面積場。 若采用四個聲標時，聲標之間的距離為： 當采用三個聲標時，聲標之間的距離為： 2121ctgDd2sin22Dd 如果布設成網(wǎng)，聲標均設置在正方形的角頂處。若船從聲標P1沿邊線移到 P2時，能夠在同聲標P2取得有效距離之后，不失與聲標P3、P4的有效距離，這只能在聲標P3和P4 到P 1P2連線中點處的距離為D才能做到。因此，正方形邊長應為： 圖2-11 海底四邊形控制網(wǎng)P4P1P3P2dD20.8945dDD在此情況下，在網(wǎng)內任何地方可保證有46個聲標可供使用。正方形構成的菱形面積=0

10、.799D2 海底控制點（網(wǎng)）坐標的測定一般分兩步進行：第一步是海底控制點的定標；第二步是海底控制點坐標的測定。25 海底控制點（網(wǎng)）坐標的測定海底控制點（網(wǎng)）坐標的測定251海底控制點的定標海底控制點的定標當水聲聲標按照布網(wǎng)設計方案投放到海底后，要對控制點的深度，相互間距離以及方位進行測定，這項工作稱為海底控制點的定標。 定義：定義：作用：作用：n驗證是否符合布網(wǎng)方案要求；n得出控制點之間的相對位置 （或者說控制點在局 部坐標系中的位置）。海底控制點深度的測定海底控制點深度的測定 海底控制點的深度，指的是聲標在平均海面下的深度。 深度測定一般采用回聲測深儀。 通常采用所謂三葉法來測定海底控制

11、點的深度。實際上“三葉法”，它指的是測量船在進行深度測定時的航行路線，如圖所示船只按箭頭指示方向航行。 針對三角形、四邊形海底網(wǎng)的“三葉法”定深 針對三角形海底網(wǎng)的測深：針對三角形海底網(wǎng)的測深：左圖中的1、2和3表示海底控制點P1、P2和P3投影到海面的位置。由于 測量船航行上的偏差，不可能正好通過P1點的投影位置1，所以實際上就采用測量船越過控制點上方多次，取其幾次測量值的平均值作為該點的最或然深度。 當海底控制點按正四邊形布設時，測量船可按圖右所示航線航行。|出|入|2|3|4|1圖2-13 式2-13各符號的意義02222kiikkiZZSS當海底控制點按正四邊形布設時，測量船可按圖右所

12、示航線航行。海底控制點間距離的測量海底控制點間距離的測量 傳統(tǒng)方法采用所謂穿線法來測定控制點間距離，它是使測量船的航向穿過兩控制點在海面上投影點的連線。 圖2.14：穿線法點位分布圖P1,P2為兩個控制點，M為船只在水面上的位置，f為航線上的某一動點。航線在xy平面上的投影與x軸之間的夾角為。 P1、P 2和M、f的坐標分別為P1 （0，0，0）；P2 （0，y2，z2）； M （0，yM,，zM）；f（cos ，yM +sin ，zf） 222312224222sin2 ()sinMMSSySSyy尋求P1和P2間水平距離的唯一解，只要求出動點f至P1和P2之間的斜距S3和S4之和的極值就能

13、得到，即求f（t）=S= S3+S4 = min 即 f（t）=0 海底控制點（網(wǎng)）方位的測定 北航跡KB1DB1P1DP2DB2B2Ka圖2.17 海底控制網(wǎng)方位的確定21PP使船沿與聲標連線 不相交切的航線航行，航向K已知。在航行過程中不斷地對Pl和P2進行測距， 方法：方法：211sinBBDDD兩個聲標連線的方位為 K252 海底控制點坐標的測定海底控制點坐標的測定單個海底控制點坐標的測定 兩點交會法； 最近路徑點測定法； 三點空間交會法； 距離差法 （1）兩點交會法 B1和B2為坐標已知的兩個船位，S1和S2為在B1和B2處對聲標P的斜距，聲標深度Z亦已知。 B2m1S1S2B1m1

14、P圖2-18兩點交會法222221111222222222()()()()xxyySzmxxyySzm（2） 最近路徑點測定法圖2-19最近路徑點測定法這種測定方法要求船只應始終沿海底控制點上方或附近的兩條盡可能相互垂直的航線航行。圖中B1 、B2為最近路徑點船位，K1和K 2為相應船位處的方位角（航向）。 22211111tgKxxyytgKxxyy（3） 三點空間交會法 由于三個船位的坐標為已知，因此，當測得海底控制點的三個斜距S1、S2、S3后，可按下式計算聲標位置（x, y, z） 222211112222222222223333()()()()()()()()()xxyyzzSxxy

15、yzzSxxyyzzS（4） 距離差法距離差法Bl和B2和B3沿一條直線布設，而第4個測點B4布設于垂直于那條直線的過測點B3的方向線上。 113223343SSSSSSSSS前二個距離差可組成兩個雙曲面相交的一組雙曲線，第三個距離差又可得一雙曲線面 ，從而解算出聲標的位置。海底控制點（網(wǎng)）坐標的聯(lián)測浮標/船測次k測次k+1測次k+2QjQj+1Qj+2圖2-21 雙三角錐水下GPS定位一般采用雙三角錐法 ，即采用衛(wèi)星定位方法測定船位，同時通過船上的水聲儀器對海底控制點進行同步觀測（測距），這樣的觀測可以通過船的移動而進行多次，然后用最小二乘方法求解船和海底控制點在統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)中的坐標最或然

16、值。 誤差方程式誤差方程式（1）船位到已知點的觀測法誤差式 (1im,1kn)ikikkikkikkikaxbyczl 距離觀測的誤差式：距離差觀測的誤差方程式： ikikkikkikkikaxbyczl將上述誤差方程式寫成矩陣形式，那么對于任一船位點Bk的誤差式為： (k1, 2,n)kkkkVA XLmkkkkV21k k 2k 1kk mk mk mk 2k 2k 2k 1k 1k 1L ,c b c b c b ,mkkkkklllaaaAzyxXn個船位點的n組誤差方程式為： IIIILXAV如果依靠船上的航向、航速儀等設備又能獲得推算船位，得誤差方程式為： IIIILXAV以上兩式

17、總和為對船位點的全部觀測的與推算的誤差式 ，可寫為：IIIILXAV （2） 船位到海底控制點觀測距離的誤差式k k k jk k k jk k jjjjjjkjkkjjlzcybxazcybxak00kk00kk00kkkk()/ ()/()/ jjkjjjkjjjkjjjjaxxDbyyDczzDldD寫成矩陣形式為： LXAXAVII 其中XI為船位點未知數(shù)，X為海底控制點未知數(shù)。（3） 總的誤差方程式 即將船位點到已知點的誤差方程式與船位點到海底控制點的誤差方程式寫在一起的總和。 LXAXAVXAVIIIII IL- 2、法方程式及平差解算 LLPAAXXAAAPAIITTTIIIIITTTIP 00 0A 0 P 00