标题：基于全球海洋分析声速的GNSS-声学精密海底定位
作者：刘杨，史天杰，刘焱雄*，王胜利，陈冠旭，李梦昊，唐秋华，冯义楷
关键词：GNSS-声学；海底大地定位；声速剖面；全球海洋分析；Munk剖面；误差补偿
图片来自作者
Precise GNSS-acoustic seafloor positioning with sound speed from global ocean analysis
Yang Liu, Tianjie Shi, Yanxiong Liu*, Shengli Wang, Guanxu Chen, Menghao Li, Qiuhua Tang, Yikai Feng
Satellite Navigation (2025) 6: 16
引用文章:
Liu, Y., Shi, T. J., Liu, Y. X. et al. Precise GNSS-acoustic seafloor positioning with sound speed from global ocean analysis. Satell Navig 6, 16 (2025). https://doi.org/10.1186/s43020-025-00170-z
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Editorial Summary
GNSS-A: precise seafloor positioning
GNSS-A achieves centimeter-level seafloor positioning but requires substantial time, manpower, financial and instrument resources for costly measurement of in-situ Sound Speed Profiles (SSPs). The authors propose using alternative SSPs instead. Results show (1) The Munk SSPs have minimal horizontal impact (0.6 cm RMS) but large vertical error (10.3 cm RMS), affecting displacement velocity at mm/a levels. (2) The HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) global ocean analysis SSPs have small positioning impact (0.2 cm horizontal, 2.9 cm vertical RMS), and the effect on velocity is sub-mm/a (horizontal) and mm/a (vertical). HYCOM global ocean analysis SSPs are a viable, cost-effective substitute for in-situ SSPs in GNSS-A positioning, especially for measurements using unmanned surface vehicles where full-depth SSPs are difficult. SSP selection should align with specific application needs and conditions.
本文提出和验证了GNSS-声学定位中声速剖面低成本替代方案，揭示了海洋动力环境与定位误差的关联，有利于推动海底大地测量向低成本、无人化方向发展。
1. 提出和验证 HYCOM 业务化全球海洋分析生成的声速剖面（SSP）在 GNSS-A 海底定位中可替代昂贵的原位测量，水平定位影响仅 0.2 cm（RMS），垂向定位影响 2.9 cm（RMS），位移速度影响低于亚毫米/年（水平）和毫米/年（垂向），满足厘米级定位需求。成本效益显著，大幅节省船时、人力和仪器资源，尤其适用于无人船载 GNSS-A 测量（无法获取全水深 SSP 的场景）。
2. 揭示不同 SSP 对定位误差的差异化影响机制，提出和揭示 Munk 经验模型局限性，虽水平定位影响小（0.6 cm），但引入系统性垂向偏差（10.3 cm），因其未考虑区域海洋环境动态变化。揭示海流影响声速的关键作用，在黑潮主导的海区（如KUM2/TOS2），全球海洋分析 SSP 误差更小（坐标序列线性拟合水平残差 2.3 cm，垂向 3.5 cm），在黑潮-亲潮锋面系统的复杂海区（如 FUKU/MYGI），误差增大（坐标序列线性拟合水平残差 3.0 cm，垂向 8.0 cm），凸显海洋动力环境对声速建模的重要性。海底位移速度的稳定性方面，相比于短期（3 年）观测，长期（8 年）时序数据可显著抑制 SSP 误差对速度趋势的影响。
3.为无人化、低成本海底大地测量提供技术方案参考，通过全球海洋分析 SSP 减少对有人测量船的依赖，推动无人船载 GNSS-A 系统的实用化，解决其全水深 SSP 难以实测的痛点。提出 SSP 选择应基于具体应用需求（如精度目标、海区动力环境复杂性、观测时长），为优化作业方案提供依据。提出和验证了全球海洋分析在海底大地测量中的可用性，为融合多源海洋数据提升 GNSS-A 实时定位精度提供基础。
内容简介
全球导航卫星系统-声学（GNSS-A）组合定位技术将大地测量基准扩展到海底。目前，GNSS-A 可以实现厘米级的静态海底定位精度，广泛用于海底位移形变监测和地震研究。然而，在实际操作中，需要大量的船时、人力、财力和仪器资源来测量现场声速剖面（SSP）。声速剖面的原位测量成本高、劳动密集、耗时长，限制了GNSS-A的应用。例如，在数千米的深海中进行一次 SSP 测量需要几个小时，并且 eXpendable CTD （XCTD） 或 eXpendableBathyThermograph （XBT）仪器无法恢复再利用。原位声速测量精度最高在 1.5 cm/s ~ 5 cm/s，并且原位测量采样不能充分反映声速的时空变化。因此，有必要研究一种具有成本效益的替代方案，可以有效地取代 GNSS-A 定位中的 SSP 原位测量。
本文提出利用全球海洋分析构建 SSP 进行 GNSS-声学精密海底定位。早期的海洋学家采用数学插值和统计方法来创建客观分析数据集，但其难以准确描绘海洋的动力特征和物理过程。相比之下，数据同化将海洋数值模式与观测数据结合起来，构建连续时空场，从而提供了更全面、更准确的海洋动力学和过程表征。业务化全球海洋分析和预报系统利用海洋数值模式作为动力框架，并数据同化近实时观测，以最优估计系统状态，从而能够在全球范围内多时空尺度分析和预测海洋温度、盐度、洋流以及相关的中尺度特征（如锋面和涡流）演变的三维分布。实时运行的业务化全球海洋分析预报系统可以提供常规分析预报产品。
本文采用基于贝叶斯估计理论的 GNSS-A 定位模型，评估了低成本 SSP 代替原位测量的 GNSS-A 定位的可行性。比较了使用 Munk 经验剖面、混合坐标海洋模式（HYCOM）全球海洋分析剖面和原位剖面三种不同 SSP 的 GNSS-A 定位。与原位剖面相比，Munk SSP对 GNSS-A 水平位置（RMS 0.6 cm）的影响较小，但对垂向位置（RMS 10.3 cm）的影响较大，对位移速度的影响在 mm/a 级别。当 HYCOM 全球海洋分析剖面替代原位剖面时，对 GNSS-A 定位的影响在水平方向上仅为 0.2 cm，在垂直方向上仅为 2.9 cm，对位移速度的影响在水平方向上为亚 mm/a 级，在垂直方向上为 mm/a 级。HYCOM 全球海洋分析 SSP 在很大程度上可以作为 GNSS-A 海底定位中原位剖面的低成本替代，尤其适用于基于无人船的 GNSS-A 测量，因为其难以测量全海深 SSP。因此，在选择 SSP 时，应根据具体的 GNSS-A 应用需求和条件进行适当的决策。
图文展示
I 试验数据
KUM2 和 TOS2 位于黑潮区域，FUKU 和 MYGI 位于黑潮-亲潮锋面系统区域，海洋结构更为复杂，具有多尺度涡旋等现象。黑潮以其高水温和高盐度而闻名，而亲潮则以其低水温和低盐度而闻名。这两个海区受不同洋流的影响，其声速存在显著差异，便于分析和量化不同海洋环境下 SSP 对 GNSS-A 海底定位精度的影响。
图1 海底大地基准站点位置示意图
HYCOM 业务化全球海洋分析使用当前可用的海洋观测得到，在本研究区域的时间分辨率为 3 小时，空间分辨率为 0.08°，分为 41 个深度层，分别为 0、2、4、6、8、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、125、150、200、250、300、350、400、500、600、700、800、900、1000、1250、1500、2000、2500、3000、4000 和 5000 m。全球海洋分析的最大误差出现在以强动能涡旋西边界流为特征的区域，如黑潮（本研究区域）、湾流、厄加勒斯回流、巴西-马尔维纳斯锋面，以及南极绕极流区域。然而，在全球大部分海域，500 米以上深度的平均温度误差低于 0.5°C。
构建 Munk 经验 SSP 如下式所示，式中，c(z) 为深度 z 处的声速，c0 为声道轴处的声速，ε 为扰动系数，η = 2(z - z1)/B，其中，η 为相对于 z1 的无量纲距离，z1 为声道轴深度，B 为尺度深度。声速扰动系数设为 0.007，声道轴深度和尺度深度均设为 1300 m，声道轴处声速固定为 1500 m/s。与原位实测和全球海洋分析 SSP 不同，Munk 模型不考虑具体地理位置、季节变化或气候因素。
Ⅱ 声速剖面对比分析结果
Munk 剖面与原位实测剖面相比，差异较大，声速差达几十 m/s。相比之下，HYCOM 全球海洋分析剖面与原位实测剖面的差异较小，主要差异在表层和温跃层。FUKU 和 MYGI 站点受到两种不同洋流的影响，温度和盐度变化剧烈和复杂，两个测点声速差异显著，差值 RMS 分别达到 5.03 m/s 和 2.93 m/s，而主要受黑潮影响的 KUM2 和 TOS2 的温盐结构相对稳定，声速差 RMS 分别减小到 2.31 m/s 和 2.78 m/s。
图2 FUKU (a)、KUM2 (b)、MYGI (c)和TOS2 (d)四个海底大地基准站的原位实测声速剖面、HYCOM全球海洋分析声速剖面和Munk声速剖面对比
Ⅲ 位移时间序列结果
Munk 声速剖面与原位声速剖面对比，4 个站点 8 年的位移趋势较为接近，斜率差 RMS 在水平方向为 1.5 mm/a，在垂直方向为 3.7 mm/a，其中水平方向最大差 2.5 mm/a，垂直方向最大差 4.3 mm/a。两种 GNSS-A 定位坐标在水平方向上的差值 RMS 为 0.6 cm，最大值为 2.9 cm，而在垂直方向上的差值 RMS 为 10.3 cm，最大值为 18.0 cm。Munk 剖面误差对 GNSS-A 水平定位影响较小，但在垂直定位中引入了较大系统误差。Munk 剖面的 GNSS-A 定位在 mm/a 位移趋势和 0.6 cm 水平坐标上与原位剖面保持一致，但在垂直坐标上存在 10.3 cm 的显著差异，不能满足厘米级精度定位的要求。
HYCOM 全球海洋分析与原位声速剖面对比，4 个站点 8 年的位移趋势非常接近，斜率差 RMS 在水平方向上为 0.3 mm/a，在垂直方向上为 2.7 mm/a，最大差异水平方向 0.7 mm/a，垂直方向 3.2 mm/a。两种 GNSS-A 定位坐标在水平方向上的差值 RMS 为 0.2 cm，最大值 1.8 cm，垂直方向的差值 RMS 为 2.9 cm，最大值 9.1 cm。HYCOM 全球海洋分析剖面进行 GNSS-A 定位，在水平和垂直方向上分别在亚 mm/a 级和 mm/a 级位移趋势与原位剖面定位保持一致，与原位剖面定位在的水平坐标上保持一致（0.2 cm），垂向坐标相差 2.9 cm，满足当前 GNSS-A 定位水平 2-3cm、垂向 4-9 cm 的厘米级精度指标。
图3 HYCOM 全球海洋分析声速剖面计算的东、北、高分量海底位移时间序列。每个站点的位移用红色圆标记，线性趋势用红色实线表示，对应 95% 置信区间用红色虚线表示，线性拟合残差 RMS（米）和斜率（m/a）在图中右上部分标出，原位实测剖面获得的位移和线性趋势用青色表示
图4 HYCOM全球海洋分析声速剖面和原位剖面计算的东、北、高分量的位移差异
Ⅳ 声速与声传播时延修正估计结果
因为 Munk 剖面忽略了区域海洋环境的影响，在 GNSS-A 数据处理中，使用 Munk 剖面会导致较大的估计声速修正，达到 40 m/s 以上，声速修正造成的时间延迟范围为 22 至 96 ms。MYGI、FUKU、TOS2 和 KUM2 站点的声速修正 RMS 分别为 30.43 m/s、34.68 m/s、17.57m/s 和 23.6 m/s，时间延迟校正 RMS 分别为 58.9 ms、48.8 ms、36.1ms 和 55.2 ms。HYCOM 全球海洋分析剖面的 GNSS-A 估计声速修正较小，接近于原位剖面。MYGI、FUKU、TOS2 和 KUM2 站点的声速校正 RMS 分别为 1.41 m/s、3.24 m/s、1.65 m/s 和 1.15 m/s，时间延迟校正 RMS 分别为 4.7 ms、2.8 ms、3.5 ms 和 2.7 ms。FUKU 和 MYGI 站点的声速改正量往往大于 TOS2 和 KUM2 站点的声速改正量，这是由于黑潮-亲潮锋面系统的海洋环境变化更剧烈，导致更强的声速不均匀和变异性，需要更大的声速改正量才能得到准确的声速估计。
图5 HYCOM 全球海洋分析 SSP 在 GNSS-A 数据处理中估计的声速修正。方框表示四分位数范围（IQR），内部黑线表示中位数，外部黑线表示最大值和最小值
图6 HYCOM全球海洋分析SSP在GNSS-A数据处理中估计的声传播时延校正。方框表示四分位数范围（IQR），内部黑线表示中位数，外部黑线表示最大值和最小值
Ⅴ 声传播时延残差结果
尽管三种声速剖面在GNSS-A定位结果、声速与声传播时间延迟修正上存在显著差异，但其声传播时延残差相似，三种精度不同的SSP在GNSS-A定位的声传播时延平差方面表现相当。这种时延残差的相似性表明，GNSS-A数据处理有效降低和补偿了声速误差对声传播时延的影响。
图7 FUKU (a)、KUM2 (b)、MYGI (c) 和 TOS2 (d) 站点的原位（左列）、Munk（中列）和 HYCOM 全球海洋分析（右列）声速剖面的 GNSS-A 定位时延残差。多个应答器的时延残差（毫秒）用不同颜色区分
▍第一作者简介
刘杨，博士，副研究员。主要从事高精度卫星导航定位、水下导航定位与海洋时空基准的理论、方法及其应用等研究工作，发表SCI论文40余篇。
▍通讯作者简介
刘焱雄，博士，研究员，自然资源部海洋测绘科技创新团队首席专家。主要从事海洋测绘、GNSS 水汽、水下声学定位、机载激光测深等研究工作。发表研究论文100余篇。
撰稿：本文作者
编辑：李沛功
校对：刘教授
文章转载自公众号：Satellite Navigation
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