海洋大地测量基准与水下导航系列之九我国海洋PNT最新技术进展（下）

三、海洋PNT技术装备研发与工程化应用

1.海底基准装备

研制了首批适应海洋环境的多型海底基准站装备，在我国南海海域成功布设了定位精度优于0.25m的海底大地测量试验基准网，实现了我国海底大地测量基准技术零的突破。基准方舱具备稳固、抗压、防腐、防拖曳等特性，解决了海底基准方舱放得稳、待得久、测得准等核心关键技术，实现了我国海底空间基准核心装备与技术“从无到有”的重大突破。

2.海洋INS/重力匹配导航装备

在2018年9月19~23日第二十届中国国际工业博览会期间，我国自主研制的重力匹配导航系统，作为“地球观测与导航”展区4项高新技术成果之一参展，展示了我国重力仪、重力梯度敏感器以及在重力匹配导航系统研制方面取得的最新成果。

20世纪中后期，中国的重力仪研制工作逐渐步入正轨。中国科学院测量与地球物理研究所成功研制CHZ型海洋重力仪，多次和KSS-30型重力仪进行同船测量，对比评估结果发现水平相当。进入21世纪，中国海空重力测量技术取得较大进展。经过多年跟踪捷联惯导重力测量技术，国防科技大学于2008年推出了具有自主知识产权的SGA-WZ01型重力仪，内符合精度达到 3.2mGal/4.8 km。中国船舶重工集团公司707所采用双轴稳定平台为重力传感器提供水平支撑，2010年推出了GDP型重力仪原理样机，海洋重力测量精度可达1 mGal。

707所ZL11-1A重力仪的技术参数（2019年）

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为了验证 ZL11-1A重力仪的测量精度和稳定性，2018年6月4~25日期间，使用向阳红06号综合科考船，在南海北部与GT-2M和CR海洋重力仪进行同船比对试验。

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将GT-2M重力仪的实测数据作为“真实”重力异常验证LCR和ZL11-1A海洋重力仪的外符合精度。分别用LCR和ZL11-1A重力仪在每条重复线上的均值减去GT-2M在每条重复线上的均值的差值，来评估各自的外符合精度。其中，LCR的外符合RMS精度为1.03 mGal，ZL11-1A的外符合RMS精度为 0.23mGal。

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与国防科技大学重力仪技术同源的DG重力仪技术参数2025年

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2020年9月，dgShip船载重力仪搭载海洋四号测量船在珠江口外海进行了仪器精度测试，完成了重复线和交叉点测量测量。重复线精度优于0.3mGal。交叉点平差前精度0.38mGal，平差后0.18mGal。2020年9月，完成南海某区域船载重力测量任务，通过重复线和网格线检验了仪器的性能。重复线精度优于0.3mGal，交叉点平差前精度0.38mGal，平差后0.18mGal。 2021年3月在武汉木兰湖开展重力测量湖试，测量船采用木兰6号游船。该船采用电机驱动，噪音小，运行平稳，有利于提高测量精度。本次湖试合计完成了4条测线，约26公里。图 3为重复测线的重力值曲线，内符合精度0.07mGal，优于0.1mGal。动态精度突破0.1mGal得益于重力传感器的高灵敏度和稳定性。

中国重力梯度仪研制从“十一五”开始，经过10 年发展，中国重力梯度仪核心器件加速度敏感器的灵敏度达到了1×10-8 g，分辨率为70 E。2010 年，中国科学院武汉物数所研制的原子干涉重力仪样机的分辨率已达到6×10-9 g，其中垂向原子重力梯度仪精度为7.5 E（1 E = 1X10-9 /s2 = 0.1 μGal/m），水平原子重力梯度仪精度为7.4 E。华中科技大学、浙江大学和浙江工业大学在垂向原子重力梯度仪的技术上取得了重要突破。华中科技大学的原子干涉仪用于重力测量时灵敏度可达5.5×10-9 g/Hz1/2,重力梯度仪的灵敏度为670 E/Hz1/2。浙江大学研制的原子重力仪精度为10-8m/s2。中国重力梯度测量所采用的理论与技术包含了国际上的主流方案，但距国际先进水平仍有一定距离。

重力匹配导航系统能够有效提升水下运载体高精度长航时自主导航能力，该系统历经远洋船载重力测量和多型机载航空测量的应用考验，航程远达东南太平洋，逾6万海里，历时三年，填补了国内空白。2019年7月，历时22天，又圆满完成了南海试验海域海洋重力匹配导航试验验证。系统硬件、软件、核心算法均为自主知识产权。实时重力测量处理精度优于3mGal，试验区匹配定位精度优于1海里，达到国际先进水平，为我国水下运载体的长航时、自主、隐蔽导航储备了技术力量。

中国的重力辅助匹配导航技术研究始于20世纪90年代，主要研究单位有武汉大学、中国科学院测量与地球物理研究所、北京理工大学、信息工程大学、哈尔滨工程大学以及国防科技大学等。其中，信息工程大学提出将无迹卡尔曼滤波算法用于重力匹配导航。中国科学院测量与地球物理研究所围绕桑地亚惯性地形辅助导航（Sandia inertial terrain aided navigation，SITAN）算法和贝叶斯算法开展了重力匹配算法的研究。武汉大学基于迭代最近等值线（iterative contour closed point， ICCP）算法研究了重力异常的序列匹配算法，实现位置经纬度误差从1.443′下降到0.26′。哈尔滨工程大学将克里金插值重构算法用于重力基准图的重构，获得了高密度、高分辨率的网格化数字图。北京理工大学长期深入研究重力匹配导航技术，研究出以矢量匹配为代表的一系列匹配定位算法。西安测绘研究所杨元喜院士团队在南海某海域开展了多次重力匹配导航实测试验，匹配平均导航精度可达0.34 nmile。由于受到重力测量仪器的限制，中国大多研究还处于原理探索与仿真研究阶段，其相关成果主要集中在重力匹配定位算法、重力数字图构建等领域，与国外相比仍有较大差距。

3.海洋声学导航定位技术装备工程化

近年来，国内团队自主研发了GNSS-A综合海底高精度定位软件平台，构建了全球海洋重力异常模型、声线误差修正模型和水下差分定位等一系列新模型，使海底空间基准定位精度显著提高。

哈尔滨工程大学研制的深海高精度水声综合定位系统安装于中国科学院深海科学与工程研究所“探索一号”科考船上，为4500m级载人潜水器“深海勇士号”提供了全航次下潜的定位导航服务，为开展海底地形地貌测量、近底观测取样、海底标志物布放、深海生物拍摄和抓取提供了高精度、连续、稳定、可靠的定位信息。在综合定位系统的辅助下，载人潜水器10分钟即找到目标，系统有效率超过90%，满足了“深海勇士号”载人潜水器的定位应用需求，体现了我国在声学定位方面已拥有独特的技术优势。

孙大军教授团队先后攻克了深海高精度超短基线定位（获2016年国家技术发明二等奖）、融合水面超短基线阵列和海底分布长基线阵列的综合定位等关键技术，解决了海洋声速慢、平台运动带来的大时延异步高精度定位难题，研制的具有自主知识产权的水声综合定位系统（2017年授权发明专利6项），深海定位精度达到0.3米、定位有效率超过90%，综合技术水平进入世界领先行列。

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