《Geodesy and Geodynamics》：Sound speed profile-free GNSS-Acoustic Positioning using Extended Cubic Spline Function
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本文针对无人观测平台难以获取现场声速剖面(SSP)测量数据的问题，提出了一种基于扩展三次样条函数的无SSP GNSS-Acoustic(GNSS-A)定位方法。研究人员通过建立声速时空变化和声线弯曲误差的补偿模型，采用最小二乘估计海底应答器坐标。实验结果表明，该方法在TOS2和MYGI站点的定位残差RMS分别为6.84 cm和8.59 cm，实现了厘米级海底定位精度，相比传统方法提升9.25%-24.94%，为无人GNSS-A观测系统提供了有效的技术解决方案。
在海洋大地测量领域，全球导航卫星系统-声学(GNSS-Acoustic, GNSS-A)定位技术是实现海底控制点精密定位的重要手段。然而传统的GNSS-A定位方法严重依赖现场测量的声速剖面(Sound Speed Profile, SSP)数据，当使用无人船、系泊浮标等无人观测平台时，往往难以获取现场SSP测量数据，这成为制约GNSS-A技术推广应用的技术瓶颈。
针对这一难题，西安测绘研究所的研究人员开展了一项创新性研究，提出了一种基于扩展三次样条函数的无SSP GNSS-A定位方法。该方法的核心思想是通过系统误差补偿算法，建立声速时空变化和声线弯曲误差的数学模型，从而摆脱对现场SSP测量的依赖。相关研究成果发表在《Geodesy and Geodynamics》期刊上。
研究人员采用了三项关键技术方法：首先使用扩展三次样条函数建模声速时间变化，该模型考虑了不同海底应答器间的声速差异；其次采用三次多项式函数描述声速空间变化；最后利用平方函数表征声线弯曲误差。基于2011-2019年TOS2和MYGI两个海底站的观测数据，通过最小二乘算法求解海底应答器坐标。
4.1 残差结果
研究表明，采用扩展三次样条函数的方案2在TOS2和MYGI站点的定位残差RMS分别为6.84 cm和8.59 cm，残差呈正态分布，数据利用率超过98.97%。相比传统三次样条函数方案，定位精度分别提升9.25%和24.94%。
4.2 坐标结果
坐标对比分析显示，方案2在TOS2站点E、N、U方向的平均RMS分别为2.45 cm、3.21 cm和7.06 cm，MYGI站点分别为3.02 cm、3.54 cm和8.39 cm。垂直方向精度明显低于水平方向，这与系统误差补偿算法的特性相关。与GARPOS软件结果相比，坐标差异最大不超过15 cm。
4.3 基线结果
基线长度稳定性分析表明，TOS2和MYGI站点的基线长度波动分别小于15 cm和60 cm，验证了海底应答器间相对位置的稳定性。扩展三次样条函数方案相比GARPOS软件，基线标准偏差分别降低17.05%和13.53%，显示出更好的稳定性。
研究结论表明，基于扩展三次样条函数的无SSP GNSS-A定位方法能够实现厘米级海底定位精度，特别适用于难以进行现场SSP测量的无人观测系统。该方法通过创新的声速建模方式，有效补偿了声速时空变化和声线弯曲误差，为海洋地球动力学研究和海底监测提供了新的技术手段。不过该方法目前仅适用于有限海域内配备多个应答器的海底站点定位，在更广泛的应用场景中仍需进一步优化和完善。
这项研究的重要意义在于突破了传统GNSS-A技术对现场声速剖面测量的依赖，推动了海洋大地测量技术向自动化、智能化方向发展，为海底地形测绘、板块运动监测等应用提供了新的技术支撑。
