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原创 中国测绘学会 中国测绘学会 收录于合集 #中国测绘杂志 80个 , n0 t# D, J+ _& ~1 i2 N4 r) _% ~
本文内容摘自《中国测绘》2022年第12期 9 R6 r; { n' G6 U0 R( S( R, N5 i
——访中国测绘科学研究院研究员薛树强 6 ^, A. n% x* Z+ k' R, S/ p
中国式现代化离不开科技支撑。我国是一个海洋大国，拥有300多万平方千米主张管辖海域，但长期以来，我国海洋资源开发利用能力不足，涉海周边政治外交环境复杂。面向贯彻落实海洋强国战略和共建“一带一路”国际合作平台等重要举措，我国海洋大地测量基准和海洋位置服务技术与国际先进水平相比存在较大差距，水下导航技术单调、手段匮乏，陆海测绘地理空间信息未形成统一体系。
) W f! t a- r$ u' M0 g( l0 ~ 想要认识海洋、开发海洋、保护海洋，就离不开海洋测绘，海洋大地测量基准与海洋导航技术是海洋测绘的两个关键点，也是难点。中国测绘科学研究院研究员薛树强作为主要完成人之一，参与了海洋大地测量基准与海洋导航新技术研发项目，该项目获得了2022年测绘科学技术特等奖。这些新技术如何让我们进一步认识海洋？又是如何在我们开发和保护海洋中提供服务与支撑？下面让薛树强为我们带来分享。
8 m4 P) {. e2 T) ~ 认识海洋
, t; {$ O) X+ h* F- @9 L 离不开海洋大地测量基准与水下导航新技术支撑 3 P' [0 v; a: S# O; P
从宇宙中看地球，它是一个美丽的蔚蓝色星球。海洋约占地表面积的71%，是最初生命的摇篮，是人类赖以生存和可持续发展的重要空间和资源，它也是地球气候和全球变化的调节器，是地球生态系统的核心组成部分。 $ L( c8 f4 _& _' A7 z$ u0 c
经略海洋、开发海洋资源、发展海洋经济，我们首先要认识海洋。航天科技的进步和发展让人类实现了摘星揽月的梦想，人类深空探索的足迹已经从月球、火星渐进太阳系的边缘。近年来，我国虽然在深海探测领域取得了不少成就，但我们对海洋的认识仍然十分有限。据科学家统计，人类目前对大海的探索仅有5%，也就是说，95%的海洋缺少必要观测，属于海洋科学研究的“无人区”。 ) q6 p# y) C4 z5 U
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杨元喜院士（左前）指导项目科研
5 ~' J! U. }7 I* q 近年来，我们国家提出实施“透明海洋”战略，建设海洋综合立体观测体系，实现海洋的状态透明、过程透明、变化透明、目标透明，为人类认识海洋提供全面精准的海洋观测信息。 ; t2 A+ h2 h- F2 ^2 y9 \
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; O1 _7 `' T4 @) R/ _ 薛树强告诉记者：“海洋立体观测体系离不开海洋大地测量观测体系，各类海洋观测信息需要精准的海洋空间基准和海洋时空信息保障，许多海洋状态、过程和变化研究都需要精准的原位观测能力。” 4 D5 k8 D% T: R3 I5 ^
薛树强进一步解释了为什么认识海洋、开发海洋离不开海洋大地基准与海洋导航技术：“我们知道，海面大地测量已经广泛用于海面地形测绘和海洋潮汐观测，海底大地测量既可用于海底地壳变化监测，也可应用于海洋环境变化监测。水下导航定位又是水下目标跟踪、海洋状态、海洋过程研究所不可获缺的共性关键技术。我们开发海洋，大力发展海洋经济，显然离不开陆海一体测绘体系建设。这一前期性、基础性工作，各类海洋资源勘探、海洋调查、海洋资源开发、海洋工程以及海上交通等海洋活动统统都离不开陆海统一的空间基准和海洋位置服务保障。随着海洋经济建设的不断深入和人类海洋活动的不断增多，难免会干扰海洋环境甚至危害海洋生态系统，因此需要利用和保护兼重，需要监测并保护海洋环境，而这些工作同样也需要高精度的海洋时空信息保障。”
5 d& h! W% K# M2 J: V 总之，随着国家海洋强国战略实施的不断深入，我国海洋经济建设和海上活动的日益增长，我们将更加需要构建陆海一体空间基准，发展陆海无缝海洋位置服务体系，为我国深海战略、透明海洋战略等国家重大战略实施保驾护航。 - M7 d0 w4 m! V! u" x" n- J0 W; C4 }
在“一穷二白”中启动项目，在自主创新中攻坚克难 % d6 u# o5 U4 o f5 u3 U
在该项目之初，我国在海底大地基准建设方面可以说是“一穷二白”，当时只有美国、日本等极少数海洋强国具备深海基准建设相关的理论、技术和经验。包括薛树强在内的项目研发团队查阅了大量文献，初步掌握了一些线索，但绝大部分问题都难以考究。虽然他们最后也勉强拼凑出美国和日本的解决方案，但并不能解决摆在面前的需求和问题，因为项目团队既要建立海底基准，又要提供水下位置服务，类似于建立水下北斗，而美国、日本的早期研究主要是针对板块扩张和海底地震监测。 ; ^' B5 J& @6 }
“当时完全是摸着石头过河”，薛树强说。现在回头总结经验，有三点和大家分享：
6 a e# ~5 i! Q& u8 W! @* A& G; j/ @- L 一是得益于项目首席科学家杨元喜院士的思想和学术引领。杨院士再忙也定期组织召开学术与技术交流，亲力亲为，撸起袖子下手干，提出了很多系统性、关键性的创新设计，项目研究团队表现出的凝聚力、创造力也是空前强大。薛树强留意到杨院士常常利用会议间隙时间批改项目材料，经常在出差的路上、周末休息时间推导建立模型，总结项目研究成果。
4 m6 ~* B8 `$ }' g 薛树强现在还清晰地记得2021年春节期间，他突然接到杨院士的电话，说自己这几天又对海洋大地测量与导航学科发展规划进行了修改，在几个章节增加了不少内容，让他们再核对一下，尽快提交出版社。每天早晨六点左右，是团队收到杨院士邮件和信息最多的时候，从认识杨院士到现在，十几年如一日，一直如此，薛树强也就养成了早晨等候杨院士批改文件的习惯。杨院士即使在住院休养期间，关心最多的仍然是国家大地测量和导航事业发展，这种精神一直激励着年轻人无畏前行。
1 ^/ W/ W5 `& K. {( p! F 二是20多家国内优势力量强强联合，发挥了集智攻关的优势，这些团队包括：我国测绘研究领域综合性最强的军地科研院所和高校，例如中国测绘科学研究院、西安测绘研究所、武汉大学等；有海洋声呐研究领域一流精尖的团队，例如哈尔滨工程大学和中科院声学所；有海洋工程领域一流研究团队，如自然资源部第一海洋研究所；更离不开深海领域领军研究机构国家深海基地管理中心，本项目的重要科研装备——海底基准站方舱就是这个团队自主设计研发的；当然海洋导航定位装备更是集结了中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、南京理工大学、中船重工707研究所和中海达等精尖力量。
" Q: o+ F$ Q3 d* L/ O) {) b4 ?5 J 三是瞄准国家时空领域重大需求和定位、导航、授时（PNT）科技前沿，坚持科技自立自强和自主创新。本项目时逢我国全球空间基准论证建设和国家综合PNT体系论证关键期，是机遇，也是挑战。既然海底大地测量基准和水下导航定位基础设施事关国家海洋安全，事关国家时空领域信息安全，当然其中的核心关键技术即使买得来、讨得来，也必须坚持自主创新，不能受制于人，核心关键技术要掌握在自己的手里。今天看来，也只有这样才能走得稳、走得好，并且某些方面还能走在别人前面。
/ `+ B1 \4 S: }% N+ M 拦在项目组面前的“四座大山”
( Q7 a O# C1 @, @ 薛树强告诉记者：“我们知道，上天会面临真空、失重和特殊的太空电磁环境，而下海则可能面临汹涌澎湃、极端高压、复杂多变的海洋水文地质环境，这也是深海探测为什么最近这些年才取得实质性进展的重要原因。” * a X0 ~: N- x+ [7 D+ t6 |, v
据薛树强介绍，海底大地基准建设和海洋水下导航面临一系列巨大挑战，大家开玩笑说是“四座大山”。 0 `% E* ~( V1 p- N: U' y8 }: R
一是建立海底大地测量基准除面临海底基准方舱自主研制难题，还需要破解抗压防腐、安全着底、原位观测等关键技术问题；二是海底基准建设除面临海底基准选点难、通视难、布网难、维持难等系列难题，还必须解决海面/海底三维动态控制网优化等理论和技术问题；三是深海基准观测还面临信号传递路径异常复杂、误差影响机理不清等基准建设与观测难题，亦需解决各类观测时空误差建模、参数化估计等理论问题，尤其是水下声速时空误差补偿难题；四是水下导航面临资源天然匮乏、信号通透性差等难题，还必须解决多传感器优化集成（如水下声学、惯导、重力匹配等传感器优化配置）和多源信息最优融合等理论与技术问题。
; D2 k$ c; E" y 回忆项目科研过程，薛树强感慨：“这方面的研究确实是困难重重，需要破解的难题很多，甚至现在仍然存在一些瓶颈问题，没有得到很好的解决，例如，海底长时间能源供给问题，这些也是杨元喜院士和我们谈话和学术报告中最关心的课题之一。”
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水下参考框架点建设与维护
4 y+ n1 s, W2 m: D4 u 薛树强对解决这些问题还是充满信心：“绝大部分问题我们已经解决或找到了解决问题的技术路线图。整体上，我们主要还是通过多学科交叉、多技术融合、新信息技术渗透解决诸多瓶颈问题。例如，海底基准选址既需要海洋地质、地球物理、海洋环境等学科支持，同时也需要考虑这些学科的大地测量应用；再如，芯片原子钟、人工智能等新信息技术也得到了运用，取得了很好的成效。” 6 b' m: Q' h/ f
在海洋导航方面，薛树强介绍：“海洋声呐信号可以很好解决GNSS信号的脆弱性问题，但水下声呐定位模型唯有自适应复杂海洋环境，才能实现高精度导航定位，为此我们构建了水下定位弹性函数模型和弹性随机模型，海底基准定位精度已经达到了国际最好水平。” # y* T( F. D" p9 N9 ?8 @
他还补充道：“水下高精度声呐导航距离受限，仍然无法解决高连续、高可用导航用户需求，为此我们融合重力匹配、惯导等多种导航定位手段，研制了海洋声呐、惯导、重力等多传感器综合导航定位终端，解决海洋场景高连续、高精度、高可靠、高可用导航定位难题。”
$ |" c+ A' ~0 c1 K! o 悉数近五年来项目组翻越的一座座“大山”中，最扣人心弦、不禁让大家捏一把汗的，无疑是2019年长达20多天的深海试验。项目组不仅要与大海斗智斗勇，还要注意台风扰袭和敌舰尾随，可谓惊险重重、困难重重。大家早就将大海上漂泊的孤独化为了强烈的责任感和使命感，因为假如这次试验不成功，整个团队近四年的研究成果将难以检验，也没有更多经费重来一次。海上试验的重担几乎都压在了海洋一所刘焱雄研究员和唐秋华研究员等科研骨干身上，他们经历了多少个不眠之夜、多少场紧急工作布置会议，已难以一一细数。我们现在能看到的，都是科考队一行20多人其乐融融、凯旋的景象。 $ I1 B: m' w0 L! L6 \6 V* u
我国正从该研究领域的追赶者渐进“无人区”成为缔造者 . O8 h2 E% c, Y3 `% M+ o
是采取追随跟踪式研究路线，还是放开手自主创新，敢闯“无人区”、敢碰“硬石头”是项目顶层设计必须回答的问题。在杨元喜院士眼里，科技创新必须求新求异，科技竞赛场上没有第二，只有第一，模仿、跟踪是没有前途的。“我们从研究方案，到关键技术攻关，核心装备研发，再到试验验证，无不求新求异、自主创新、反复论证。”薛树强说。 9 O1 @2 u8 Y7 m7 \# _2 \/ W. i
海底大地测量相对于有数百年历史的陆地大地测量来说，是一个“年轻”的测绘领域。薛树强说，较为系统的研究是上世纪90年代才开始的，因此无论是海底大地基准研究，还是海底大地测量基础设施，都十分薄弱。 - h- y: U/ g% L& t' b( ^1 y5 N
2019年，我国在国际大地测量协会（IAG）的主导下成立了海洋大地测量交叉委员会，目的就是加强海洋大地测量理论与技术发展，促进该领域的国际合作与交流。
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$ i- e2 m6 V. s" E# A8 J 据薛树强介绍，当前世界范围内具备并已开展海底大地基准建设的国家寥寥无几。其中，美国算是发起者，日本后来建立了全球规模最大、应用最为成功的海底大地控制网，在海底地震监测方面取得了许多重要研究成果，而俄罗斯、法国等国家更为关注水下声呐导航定位技术发展和应用。
) p3 X, ]8 ?# ]* J, q 说起国内海洋测绘领域的科技进步，薛树强满是自豪：“我们在海洋大地测量方面起步很晚，但现在我们实现了追赶，甚至还抓住了该领域跨代发展的机遇，即我国的国家综合PNT体系建设机遇，实现了海底基准与水下导航的融合创新和体系创新，在不少方面开展了新的探索和尝试，例如兼顾海底大地测量和水下导航的控制网布设、海洋综合PNT服务体制等。” 2 S# D6 W* Y `3 f
海洋大地基准与导航定位的社会、经济、环境效益
5 r- E" [, Q$ O+ Q* I; J 本项目研究成果在1909工程和国家综合PNT体系等国家重大工程论证和建设中得到应用，破解了国家重大工程建设难题；自研装备在海洋科考、海洋牧场、海洋测绘等领域近20家单位得到应用，为深海潜器高精度导航提供了国产化装备解决方案，为广西示范区500个养殖户提供了高精度海洋导航定位服务，产生了巨大的社会经济效益。 ) Y+ L1 W0 Q8 {4 x& N( j7 {
该项目促使我国开辟了海底大地测量研究，有力推动了我国陆海一体大地测量体系的形成，实现了我国大地测量“向海底、向深海”的跨越式发展，扩大了我国大地测量的国际影响。该项目实现了我国海底基准技术与装备“0到1”的突破，使我国具备了深海基准观测能力，有力支撑了我国全球泛在位置服务技术体系的建设。
# q2 z4 I8 m- ?" h4 P. H 项目研究成果作为科技部标志性成果上报国务院，并参加了建党100周年国家“十三五”科技成就展。项目团队还在国际知名期刊《Marine Geodesy》发起海洋大地测量与导航专辑，主导成立国际大地测量协会（IAG）海洋分委会。 |: Z. R6 [$ e) |- t
海洋大地测量的发展前景 6 Z. F; j* b1 `% y
海洋大地测量是海洋测绘的重要分支。薛树强说：“本项目在海底大地测量基准方面取得了重大突破，但我国海底大地测量基础设施建设仍然在路上，海底板块运动监测等应用研究还需要积累更长时间的观测时序，因此，这些基础设施的维护、海底基准的维持、海底大地测量应用服务体系，仍然需要提前布局并提前开展相关研究。可以想象一下，我们国家的陆地大地测量体系建设耗费了几代人的心血和付出，国家海洋大地测量体系建设技术难度更大，建设任务更为艰巨，因此我们希望能立足长远、稳步推进。”
m; c2 b* X2 q$ c 据薛树强介绍，近两年，在国家重点研发计划、国家自然科学基金、问海计划等项目的支持下，海洋大地测量领域又取得了可喜成果，相关研究的深度和广度距离最终目标也更进了一步。 % o1 l3 _, A8 d' d+ M' h
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“到明年，我国有望在海底基准无人化、体制化运维方面取得新突破，国内首套弹性化、小型化海洋导航样机也将会问世，有望成为我国海洋场景综合PNT科技创新领域一颗新星。”薛树强自豪地说。
. @/ I4 w- R0 i8 {: U 采访最后，薛树强强调，我们国家能在该领域取得进步和长足发展，归功于整个项目组，离不开大家的无私奉献，离不开每个人的创新和创造，他们大部分人都是无名英雄！ 1 Q, w5 @6 O8 \* U- u0 r( W' N" s
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文 / 本刊记者 素晴 图 / 受访者提供 . e- h5 @2 ?3 o. K
编辑：张永超 * [1 C' C$ u$ t* A2 ~# c, ^2 L
初审：齐 阳
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测绘地理信息发展变迁的 ( p6 ]/ H, G! `! V# q+ z- y
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5 P* F& Z6 p" I% t! B( a% [# P# T 原标题：《中国测绘 | 薛树强研究员：走向深蓝 我国海洋大地测量与海洋导航技术取得新突破》
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