《航海导航、海洋探测》课件

《航海导航、海洋探测》欢迎参加海洋科学与工程学院年春季学期的《航海导航、海洋探2025测》课程本课程由张教授主讲，将深入探讨现代航海导航技术与海洋探测方法的理论基础与实际应用在这门课程中，我们将从航海导航的历史发展、基本原理到现代技术系统进行全面介绍，同时深入研究海洋探测的各种技术手段与最新进展希望通过本课程的学习，能够帮助大家建立起完整的航海导航与海洋探测知识体系课程概述航海导航基础理论与应用掌握现代航海技术核心现代海洋探测技术与方法了解先进探测手段海洋资源勘探与开发探索海洋资源利用海洋环境监测与保护促进海洋可持续发展本课程分为四个主要模块，旨在全面培养学生的海洋科学技术能力首先，我们将学习航海导航的基础理论和现代应用技术，包括定位系统、电子海图和航线规划等核心内容其次，课程将介绍当代海洋探测的前沿技术与方法，从声学探测到遥感技术第三模块聚焦于海洋资源的勘探与开发技术，而最后一个模块则关注海洋环境的监测与保护措施，强调可持续发展理念在海洋科学中的重要性第一部分航海导航的历史发展古代航海时期早期人类利用天文和自然标志导航指南针时代中国发明指南针，推动大航海时代天文导航时期六分仪和航海天文钟的广泛应用现代导航时代卫星导航与电子系统的革命性变革航海导航技术的发展历程反映了人类探索未知的勇气与智慧从最初依靠星象和自然标志的原始导航方法，到指南针的发明与应用，人类的航海能力得到了质的飞跃大航海时代见证了六分仪、航海天文钟等精密导航工具的出现，大大提高了定位精度而二十世纪以来，无线电导航、雷达技术到现代卫星导航系统的发展，则彻底重塑了航海导航的面貌，将其推向了高精度、高可靠性的新时代古代航海导航技术中国古代指南针郑和下西洋航海技术阿拉伯与欧洲导航方法世纪，中国发明了世界上最早的指南年间，郑和七次下西洋，率领阿拉伯航海家发展了复杂的星象导航系111405-1433针，最初被称为司南这一发明彻底庞大的船队到达亚非多地他们使用了统，通过北极星和其他恒星确定位置改变了航海导航方式，使船只能够在恶当时最先进的导航技术，包括改良版指欧洲早期则依靠简易的航海图和测量工劣天气条件下依然保持方向，极大扩展南针、天文观测和详细的航海图，创造具，如测深锤、罗盘和简易航海历等进了航行范围了世界航海史上的伟大壮举行导航，为后来的大航海时代奠定了基础大航海时代的导航技术航海图发展六分仪与经纬度测量航海天文钟世纪，随着大航海时代的到来，欧洲六分仪的发明使航海家能够通过测量天体高年，约翰哈里森发明的航海天文钟解15-161761·航海图制作技术取得了突破性进展葡萄牙度来确定船只的纬度位置这一精密测量工决了经度测量的难题这种能在海上保持精和西班牙的制图师创制了更为精确的航海具极大提高了定位精度，成为大航海时代必确计时的仪器，与天文观测结合使用，首次图，记录了新发现的航线和地理特征，为远不可少的导航装备实现了海上准确经纬度定位，彻底改变了航洋航行提供了重要参考海导航技术波特兰尔海图（年）的出现标志着系统航海制图的新阶段，它采用了麦卡托投影法，为后世航海图奠定了标准格式这些技术的综合1584应用使得航海导航精度大大提高，为全球贸易网络的建立提供了技术支持现代航海导航的发展无线电导航系统世纪初，无线电技术应用于航海导航，标志着现代电子导航时代的开始罗兰、德卡等系20统通过测量无线电信号到达时间差来确定船位，大大提高了恶劣天气下的导航安全性雷达技术年代，雷达技术开始大规模应用于航海领域雷达不仅提供了障碍物探测能力，还可1940用于定位和导航，特别是在能见度不佳的情况下，极大提高了航行安全卫星导航系统年代开始，美国系统的发展彻底革新了全球导航方式卫星导航技术提供了前所1970GPS未有的高精度全球定位能力，逐渐取代了传统导航方法北斗导航系统中国自主研发的北斗卫星导航系统于年全面建成，提供全球服务北斗系统不仅具有2020定位功能，还具备短报文通信能力，为海上导航提供了新的选择现代航海导航技术的发展，经历了从单一技术到综合系统的演变过程当今船舶导航已形成多源信息融合的综合导航模式，将卫星导航、雷达、电子海图等多种技术集成在一起，实现了更高精度、更高可靠性的导航效果第二部分航海导航基本原理导航定位基本概念航海坐标系统确定船舶位置与运动状态位置表示的基础框架海图与符号系统航向与航程计算航海信息的标准化表达科学规划船舶航行路线航海导航的基本原理围绕着如何准确确定船舶位置并科学规划航线开展掌握导航定位的基本概念是理解现代航海技术的基础，它涉及到位置测量、航向确定和航速计算等关键要素航海坐标系统为导航提供了统一的参考框架，特别是经纬度网格系统的应用使全球定位成为可能而航向与航程计算则关系到航线规划的科学性和经济性，是航海实践中的核心技术能力这些原理共同构成了现代航海导航的理论基础地理坐标系统°°360180经度范围纬度范围从本初子午线向东西方向各从赤道向南北方向各180°90°米公里185240075一海里地球赤道周长地球子午线上一分纬度的距离参考椭球体模型计算值WGS-84经纬度坐标系统是航海导航中最基本的地理位置表示方法，它将地球表面划分为规则的网格，使任何位置都可以通过经度和纬度值精确表示在实际航行中，航海人员需要理解大圆航线与恒向线的区别大圆航线是球面上两点间的最短距离，而恒向线则是保持恒定航向的路线——麦卡托投影是最常用的航海图投影方式，它的特点是保持角度不变，使得恒向线在图上呈直线，便于航向设定而坐标系统作为全球统一的地理坐标参考系统，为现代等卫星导航系WGS-84GPS统提供了标准基准航海图与海图符号国际海图标准比例尺与距离测量等深线与水深标记国际海道测量组织制定的统一标准确保了全航海图通常采用多种比例尺，从大比例尺港口图到等深线连接相同水深的点，用于表示海底地形水IHO球航海图的一致性和互通性这些标准规范了符小比例尺航行图距离测量需考虑纬度因素，在高深数值通常以米或英寻为单位，参考特定的低潮号、颜色和图示方法，使航海人员能够在全球范围纬度地区，经度间距随纬度增加而减小，测量时需面这些信息对避免搁浅和选择锚地至关重要内使用不同国家出版的海图使用纬度尺航标系统与灯塔标识是航海图上的重要元素，它们标明了航道、危险区域和辅助导航设施国际航标协会将全球航标系统分为、两个区域，各有不同的侧面标规IALA AB则，航海人员必须熟练掌握这些标识的含义航向与航程计算真航向相对于地理子午线的航向角磁航向相对于磁子午线的航向角罗经航向船舶罗经所指示的航向读数实际航向考虑风流影响后的实际行进方向航向计算是航海导航的核心技能，需要理解并正确处理真航向、磁航向与罗经航向之间的关系磁偏角是真子午线与磁子午线之间的角度差，随地理位置变化；而自差则是船舶磁罗经自身的误差，需通过校正表进行修正推算定位是一种基本的导航方法，通过已知的起始位置，结合航向和航速，推算出一段时间后的预计位置这种方法特别适用于卫星导航系统暂时失效的情况航程计算则需要考虑大圆航线和恒向线的选择，在实际远洋航行中，通常将大圆航线分段为若干条恒向线，以便于操作传统导航设备六分仪测深仪磁罗经通过测量天体高度确定船利用声波测量水深的仪利用地磁场指示方向的基舶纬度位置的精密光学仪器，早期为机械式，现代本导航仪器由磁针、罗器即使在现代电子导航多为电子超声波测深仪经盘、罗经柜等组成，需时代，六分仪仍作为应急测量水深可避免搁浅危定期校正自差以保证准确导航手段保留在船上险，也是确认船位的辅助性手段测速仪机械测速仪通过水流推动的旋桨计算船速，而漂流计则通过水流相对运动判断船速和漂移情况尽管现代电子导航设备已经广泛应用，但传统导航设备仍具有重要价值，特别是在电子设备失效的紧急情况下六分仪操作技术要求航海人员掌握精确的观测和计算方法，能够通过太阳、月亮或恒星的高度角计算出船舶位置磁罗经作为最基本的方向指示设备，其结构设计旨在减少船舶运动和振动的影响测深仪与测速仪为航行提供了重要的辅助信息，帮助确认船位和监控航行状态这些传统设备共同构成了航海导航的可靠保障系统第三部分现代航海导航系统电子导航设备与系统卫星导航系统原理综合导航系统现代船舶配备了综合性电子导航设备，包卫星导航系统通过测量接收机到多颗卫星综合导航系统将多种导航设备的数据进行括雷达、接收机、电子海图系统、罗的距离，利用三角测量原理计算出精确位融合处理，互为补充和验证，提高了定位GPS经系统和自动识别系统等，这些设备相互置现代系统可提供实时、全天候、全球精度和可靠性，并能自动检测和排除异常连接，形成一个完整的导航信息网络覆盖的高精度定位服务数据现代航海导航已经从单一设备导航发展为系统化、网络化和智能化的综合导航模式这些高科技系统不仅提供了前所未有的定位精度，还大大提高了航行安全性和效率电子海图系统的应用使航线规划和监控变得更加直观和便捷卫星导航技术的迅速发展，特别是多系统兼容接收机的出现，使船舶能够同时利用、北斗、等多个卫星导航系统，显著提高了定位的可靠GPS GLONASS性和抗干扰能力综合导航系统则通过智能算法将各种导航信息有机融合，为航海决策提供全面支持卫星导航系统概述系统名称所属国家地卫星数量定位精度全球覆盖时/区间美国颗约米年GPS24+51995北斗中国颗米年

552.52020俄罗斯颗约米年GLONASS

244.51996欧盟颗约米年Galileo3012020卫星导航系统已成为现代航海导航的核心技术系统作为最早实现全球覆盖的卫星导GPS航系统，由至少颗工作卫星组成，通过测量接收机到卫星的距离，利用三角测量原理计24算出接收机的精确位置北斗卫星导航系统作为中国自主研发的全球导航系统，不仅提供了米的高精度定位，还具有短报文通信等特色服务

2.5系统由俄罗斯运营，与系统（欧盟）共同构成了全球四大卫星导航系GLONASS Galileo统现代船舶通常采用多系统兼容接收机，可同时接收多个导航系统的信号，通过多源数据融合提高定位精度和可靠性，有效克服单一系统的局限性，为全天候安全航行提供保障北斗卫星导航系统详解北斗一号北斗二号北斗三号北斗一号系统于年建成，采用地球静止轨道北斗二号系统于年建成，由颗卫星组成，北斗三号系统于年全面建成，由颗卫星组2000201214202055卫星，主要为中国及周边地区提供服务，具有定实现了亚太地区的覆盖，定位精度提高到米以成的全球星座，实现了全球覆盖，定位精度提高10位和短报文通信功能，是中国自主卫星导航系统内，并增强了系统稳定性和服务能力到米，并提供了更加丰富的服务功能

2.5的初步尝试北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，也是全球四大卫星导航系统之一它的发展经历了三个阶段区域试验系统、区域系统和全球系统北斗系统的一大特色是除了基本定位导航授时服务外，还具备短报文通信能力，可提供双向通信服务在海洋领域，北斗系统提供了包括高精度定位、船舶动态监控、海上搜救等多种专项服务特别是在远洋航行和极地航行等通信条件受限的环境中，北斗系统的短报文通信功能具有独特优势，为船舶提供了重要的安全保障船载雷达系统雷达基本原理1发射微波并接收回波测距测向雷达图像解读识别回波特征确定目标类型功能应用ARPA3自动跟踪与碰撞风险评估雷达导航技巧利用雷达定位与避险操作船载雷达系统是现代船舶导航不可或缺的设备，特别是在能见度受限的情况下雷达工作原理基于电磁波的发射与接收，通过测量电磁波的往返时间计算距离，通过天线的方向确定方位，从而获得周围物体的位置信息现代船舶雷达通常工作在波段（）或波段（），两种波段各有优势，往往同时配备X

9.4GHz S3GHz自动雷达标绘仪功能大大提升了雷达的应用价值，它能自动跟踪多个目标，计算它们的运动参数，评估碰撞风险，并提供避碰建议雷达导航实用技巧包括雷达定ARPA位、雷达引导进港、识别航标和危险物等，这些技能需要通过专业培训和实践经验积累才能掌握电子海图显示与信息系统ECDIS系统组成电子海图数据标准ECDISECDIS系统主要由计算机硬件、专用软件、电子海图数据和各种接国际海道测量组织IHO制定了S-57和S-100等电子海图数据标准，口组成硬件包括高分辨率显示器、处理器和备份系统；软件负责确保全球电子海图的一致性和互操作性正式电子海图ENC由各海图显示和导航功能；接口则连接GPS、雷达、AIS等其他导航设国海道测量部门出版，经过严格质量控制，是ECDIS系统的法定数备，实现信息整合据源•符合IMO标准的显示终端•S-57标准矢量海图•电子海图数据库•S-100通用水文数据模型•航行信息处理软件•ENC电子导航海图•导航设备接口系统•RNC光栅导航海图航路规划与监控功能ECDIS系统最重要的功能是航路规划与监控航路规划允许航海人员创建详细的航线计划，包括航路点、转向半径、安全水深设置等；航路监控则实时跟踪船舶位置，提供偏航警告、接近危险区警告等安全保障功能ECDIS系统已经成为国际海事组织IMOSOLAS公约要求的强制配备设备，代替了传统纸质海图它不仅简化了航海人员的工作，提高了导航效率，更重要的是通过自动警告功能增强了航行安全ECDIS操作培训已成为现代航海教育的必要内容，熟练掌握ECDIS系统是航海人员的基本职业要求自动识别系统AIS信息发送信息接收定期广播船舶静态和动态信息接收并解析其他船舶发送的数据信息显示数据处理在电子海图或专用显示器上呈现对接收信息进行存储和分析自动识别系统是一种船舶自动跟踪系统，通过频段进行船舶信息的自动广播和接收每艘装有设备的船舶定期发送包括船名、呼号、位置、航向、航速AIS VHF AIS等信息，同时接收附近船舶发送的信息系统工作模式分为自主广播模式和询问应答模式，能在船舶间建立起信息共享网络AIS系统极大地增强了船舶航行安全，尤其是在雷达探测困难的区域或情况下数据解析与应用已经扩展到航行安全之外的领域，如海上交通管理、搜救行动、AIS AIS港口运营效率提升等随着卫星技术的发展，数据收集已经扩展到全球范围，为远洋航行和海上安全提供了重要支持AIS AIS综合导航系统多源数据融合技术综合导航系统架构数据备份与容错机制综合导航系统核心在于多源数据融合，通过卡现代船舶综合导航系统通常采用分布式网络架为保证航行安全，综合导航系统配备了完善的尔曼滤波等算法处理来自、罗经、测速构，包括各种传感器、数据处理单元、显示终数据备份和容错机制，包括冗余设备配置、自GPS仪、雷达等多个传感器的数据，消除单一设备端和控制终端系统通过标准化网络协议（如动故障检测与隔离、降级运行方案等当主系的误差和局限性，生成更加精确的导航信息）连接各设备，确保信息共享和协统出现故障时，备份系统能够无缝接管，确保NMEA2000同工作导航功能不中断综合导航系统代表了航海导航技术的最高水平，它不仅提供了前所未有的定位精度和可靠性，还通过智能化功能减轻了航海人员的工作负担随着人工智能和大数据技术的发展，未来的综合导航系统将更加智能化，能够根据海况、气象、交通等多方面因素自主优化航线，预测潜在风险第四部分特殊环境下的航海导航极地导航特点与技术恶劣天气条件下的导航方法极地地区导航面临磁罗经失效、卫星覆盖受台风、大雾、暴雪等恶劣天气严重影响导航限、海图不完善等特殊挑战导航技术需要安全此时需要综合利用雷达、等设AIS针对高纬度地区特点进行调整，利用专门的备，采取降速、加强瞭望等措施，并遵循特极地导航设备和方法确保安全定的航行程序和决策流程港口与内河导航港口和内河水域通常水域狭窄、交通密集，对导航精度要求极高需要精通特殊标志系统、熟悉地方规则，并善于处理复杂的交通状况和水文条件特殊环境下的航海导航要求航海人员具备更高的专业技能和应对能力在极地航行中，航海人员需要充分了解冰情变化规律，熟悉极地导航设备的使用方法，并制定详细的极地航行计划北极航线的开辟为全球航运带来了新的机遇，同时也提出了更高的导航安全要求恶劣天气条件下的航行决策需要综合考虑气象、海况、船舶性能等多种因素现代气象导航技术能够帮助船舶规划最佳航线，避开危险区域而在港口和内河水域，则需要精通本地水文特点和交通规则，确保在复杂环境中的安全通行极地导航技术高纬度地区导航特点极地电子海图使用冰情监测与航路选择高纬度地区磁罗经指向不稳定，卫星信号覆极地地区海图数据相对不完善，需使用专门冰情是极地航行最大的挑战，需结合卫星遥盖角度低，且极光等现象可能干扰无线电信的极地投影电子海图国际海道测量组织正感、雷达观测和专业冰情预报服务进行监号航海人员需依赖陀螺罗经和特殊校准的在推进极地水域制图计划，提高极地海图覆测航路选择应考虑冰厚度、密集度和冰块导航设备，同时考虑经度线汇聚效应对航行盖率和精度，支持日益增长的极地航行需大小，必要时寻求破冰船支援或调整航线避的影响求开危险冰区极地航行案例分析表明，成功的极地导航需要专业的团队配合和充分的准备年，中国雪龙号科学考察船在南极海域被困冰区，通过精2013确的冰情分析和巧妙的航路选择，最终成功脱险，为极地航行提供了宝贵经验随着北极航道的开发利用，掌握极地导航技术对于提高航行效率和安全性具有重要意义恶劣天气导航气象路由规划根据天气预报和海况分析，提前规划避开恶劣天气区域的最佳航线利用气象导航软件模拟不同航线的遭遇天气状况，选择最安全高效的路线台风避让策略了解台风移动规律，采取避开危险半圆原则北半球保持台风在右舷，南半球保持台风在左舷，尽早采取规避行动，保持与台风中心足够距离能见度受限导航在大雾等能见度受限条件下，降低航速，加强瞭望，鸣放雾号，充分利用雷达、等电子设AIS备辅助导航，严格执行避碰规则应急导航程序当遭遇极端天气无法避让时，采取应急程序调整船艏角减少横摇，降低航速保持操纵性，确保货物绑扎牢固，启动应急通信程序恶劣天气导航是对航海人员专业素质和应变能力的严峻考验现代气象服务为航海提供了强大支持，船舶气象导航系统能够接收全球气象数据，包括卫星云图、海浪预报、风场分析等，帮助船长做出科学决策实时气象数据在导航中的应用已成为现代航海的重要环节，船舶通常与岸基气象中心保持定期联系，获取最新气象情报经验丰富的航海人员能够结合气象知识、船舶性能和航行任务要求，制定最合理的航行计划，确保在恶劣天气条件下的航行安全港口与内河导航港口进出程序遵循指挥，评估风流影响，确定拖轮配置，保持与引航员的有效沟通，执行精确的航行计划和VTS操船程序密集区域导航严格遵守分道通航制，保持值守，充分利用信息，做好避让规划，确保与周围船舶保持安全VHFAIS距离狭窄水道通行控制适当航速，预判水流影响，留意水深变化，熟悉通航标志，准备应急措施，必要时安排拖轮协助潮汐水流分析计算潮汐窗口期，估算船下水深余量，考虑水流对操纵性的影响，调整航速和航向以补偿水流漂移港口与内河导航对精确度和操作技巧要求极高在港口水域，船舶通常需要遵循船舶交通管理系统的指挥和VTS引导，协调与引航员的配合，考虑风、流对大型船舶的影响，合理安排拖轮辅助，确保大型船舶在受限水域的安全操作内河航行则需要特别关注水深变化、弯道视线受限、桥梁通过等特殊情况现代内河电子导航系统为航行提供了重要支持，如内河电子海图、河道信息服务等潮汐影响分析是确保大型船舶安全进出港的关键因素，航海人员RIS需要精确计算潮高和时间窗口，合理安排船舶动态第五部分海洋探测技术基础科学意义基本探测参数探测设备发展海洋探测是认识海洋、利用海洋的基础，对气候研究、海洋探测的基本参数包括物理参数（温度、盐度、密海洋探测设备经历了从简单机械装置到现代电子仪器、资源开发、环境保护和国防安全具有重要意义通过系度、水流、声速等）、化学参数（溶解氧、值、各类自动化平台的演变过程早期依靠采样瓶和机械测深pH统性的探测，人类得以揭示海洋奥秘，预测海洋变化，离子浓度等）、生物参数（叶绿素、浮游生物分布等）器，现代则采用各类声学设备、卫星遥感、自主水下航并进行合理开发利用以及地质参数（海底地形、沉积物性质等）行器等先进技术手段，探测范围和精度都有极大提升海洋探测技术的进步使人类对海洋的认识从表面走向深海，从点位观测发展到全球网络监测现代海洋探测已形成了天空地一体化的立体观测体系，有力支撑了海洋科学研究和资源开发海洋探测基本参数海洋环境监测意义全球气候变化研究海洋是气候系统的重要组成部分1海洋生态系统保护2监测生态状况与环境变化海洋资源可持续利用支持科学开发决策海洋防灾减灾支持预警和应对海洋灾害海洋环境监测对全球气候变化研究具有关键意义海洋吸收了约的全球热量增量和的人为二氧化碳排放，是调节全球气候的稳定器通过对海洋温度、碳93%30%循环等长期监测，科学家能够更准确地预测气候变化趋势和影响在生态保护方面，海洋环境监测帮助识别污染源、评估生物多样性状况、监测珊瑚礁健康等，为保护措施提供科学依据对海洋资源的监测则支持渔业管理、矿产勘探等可持续开发活动在防灾减灾领域，海啸预警系统、风暴潮监测网络等都依赖于海洋环境监测数据，对保障沿海地区安全具有重要作用第六部分水文探测技术海洋水文参数测量水文探测设备与方法数据采集与处理海洋水文参数是描述海水物理特性的基本要现代水文探测设备种类丰富，从传统的采水水文数据的采集需考虑时空分布、观测精度素，包括温度、盐度、密度、声速等这些器、温度计等发展到剖面仪、流和代表性，采用科学的采样策略原始数据CTD ADCP参数的分布和变化直接影响海洋环流、气候速剖面仪、波浪浮标等先进仪器各类自动需经过质量控制、误差校正、数据同化等处调节、海洋生态环境等多个方面，是海洋科观测平台如浮标、潮位站网等实现了理过程，最终形成可用于科研和业务的标准Argo学研究的基础数据大范围连续观测数据产品水文探测是海洋探测的基础领域，为海洋科学研究和业务应用提供了最基本的数据支持随着技术进步，水文探测已从传统的船基观测发展为多平台、网络化、自动化的综合观测体系，极大提升了观测能力和数据质量现代水文探测技术注重多参数同步测量、高精度定位和实时数据传输，能够提供从表层到深海、从沿岸到远洋的全方位水文信息这些数据不仅用于基础研究，也广泛应用于航海保障、海洋预报、气候研究等实际工作中温盐深测量技术剖面仪技术浮标观测网CTD XBT/XCTD ARGO剖面仪是现代海洋调查的核心设备，能同时抛弃式温度剖面仪和抛弃式温盐深剖面仪计划是国际合作建立的全球海洋观测系统，CTD XBTArgo测量水体的电导率、温度和深度先进是船舶快速获取水体剖面数据的有效工由超过个自动剖面浮标组成这些浮标能够C TD XCTD3800的系统还集成了溶解氧、叶绿素荧光等传感具它们无需停船即可投放，数据通过细铜线实自主调整深度，每天完成一次从米深度到CTD102000器，可获取水体的综合剖面数据测量精度可达时传回船上，广泛用于海洋调查和军事侦察海面的剖面观测，通过卫星传回数据，实现了全温度，盐度球海洋的实时监测

0.001℃

0.002PSU温盐深数据分析方法包括图分析、水团识别、混合层分析等图是温度盐度关系图，用于识别不同水团特征；混合层分析则关注表层海洋与大气T-S T-S-的相互作用现代数据处理技术如谱分析、分解、数据同化等，能够从海量温盐深数据中提取有价值的科学信息，支持海洋环流研究和气候变化分EOF析海流探测技术声学多普勒流速剖面仪漂流浮标系统ADCPADCP利用声学多普勒效应测量水体不同深度的流速和流向它漂流浮标随水体运动，通过卫星定位系统跟踪其轨迹，从而测发射声波并接收从水中悬浮颗粒反射回来的回波，通过分析频量海流表层漂流浮标测量表层流场，次表层浮标则可调整到率变化计算流速现代ADCP可同时测量多达128层的水体流速特定深度测量深层流场全球漂流浮标网络提供了大尺度海洋剖面，精度达到1cm/s环流的宝贵数据•船载ADCP航行中测量•SVP浮标全球表层漂流•固定式ADCP长期观测•PALACE浮标可调深度•剖面式ADCP垂直分层观测•SOFAR浮标深海声学定位表层海流雷达高频地波雷达能够远程测量大面积海域的表层流场它利用雷达信号与海面波浪相互作用产生的布拉格散射，提取海流信息典型系统覆盖范围可达200公里，广泛用于沿岸海域监测和搜救支持海流数据可视化分析是理解复杂流场的重要手段现代技术结合GIS和三维可视化，能够直观展示海流的时空变化特征海流数据广泛应用于海洋预报、气候研究、海上搜救、海洋工程和航海保障等领域，是海洋科学的基础数据潮汐观测与预报潮位站观测潮位站是测量海面高度变化的基础设施，通常采用压力式、浮筒式或雷达式潮位计现代潮位站配备实时数据传输系统，构成全球潮位观测网络中国沿海建有近个国家级潮位站，为潮汐研究和200预报提供基础数据卫星高度计测量卫星高度计通过测量卫星到海面的距离，获取全球海面高度信息这种方法弥补了潮位站空间分布不均的缺陷，提供了全球尺度的潮汐观测数据、等卫星系列为潮汐研究提供了宝Jason HY-2贵的数据支持潮汐预报模型潮汐预报基于调和分析理论，将复杂的潮汐现象分解为多个分潮分量的叠加通过分析长期观测数据，确定各分潮的振幅和相位，进而预测未来的潮汐变化现代潮汐预报还结合数值模拟方法，考虑水深、海岸线等因素影响航行应用潮汐数据在航行中有重要应用，特别是大型船舶进出港时通过潮汐预报确定最佳通航时间，利用高潮位增加船下水深余量，确保安全通过浅水区域航海人员需掌握潮汐表和潮汐图的使用方法潮汐是由天体引力作用引起的海面周期性升降现象，主要受月球和太阳引力影响准确的潮汐观测和预报对海上活动具有重要意义，不仅关系到航行安全，也影响海洋工程、海岸带管理、渔业活动等多个领域波浪观测技术米

13.6最大有效波高记录北太平洋风暴期间测得

0.05Hz典型波浪谱峰值频率对应20秒周期的长浪85%波浪预报准确率现代数值模型24小时预报500+全球波浪浮标数量构成实时观测网络波浪是海洋表面最常见的运动形式，其参数定义包括波高、波长、波周期、波向等要素有效波高是描述波浪强度的重要指标，定义为波谱面积的四倍平方根，大致相当于目视观测的有义波高平均三分之一最高波的高度波浪观测数据通常以波浪谱的形式表示，反映不同频率成分的能量分布波浪浮标是最主要的波浪观测工具，它随波浪上下运动，通过内置加速度计和方向传感器记录运动参数，计算出波浪特征雷达波浪测量技术则利用雷达与海面相互作用的特性，实现远程波浪监测波浪预报模型如WAM、WAVEWATCH III等通过数值模拟风场与波浪相互作用，能够预测未来海况，为航行安全提供重要参考第七部分海底地形探测海底测深技术海底地形制图水下障碍物探测海底测深是获取海底地形信息的基本手段，经历了海底地形制图将离散的测深数据转化为连续的地形水下障碍物探测关系到航行安全和海底工程，主要从简单的测深锤到现代声学多波束系统的技术飞模型，通过插值算法和数字地形模型技术构建海底利用侧扫声纳和多波束测深系统识别沉船、礁石、跃声学测深利用声波在水中传播特性，通过测量三维地形现代海底地形图采用标准化的表达方海底管线等障碍物现代技术能够生成高分辨率的声波发射到接收的时间间隔计算水深式，便于全球海洋数据共享和应用海底影像，精确定位水下目标海底地形探测为人类认识海底世界提供了眼睛，支撑了海洋地质研究、资源勘探、海底电缆铺设等多项活动随着技术进步，海底地形探测精度和效率不断提高，为深海探索和海洋开发提供了坚实基础声学测深技术单波束测深系统多波束测深系统侧扫声纳技术单波束测深是最基本的声学测深方法，通过垂直多波束测深系统同时发射多个声波束，形成扇形侧扫声纳向两侧发射扇形波束，接收海底反射信向下发射单一声波束并接收海底回波，计算水覆盖区域，一次测量可获得垂直于航向的海底剖号，生成类似航空照片的声学影像它能清晰显深现代单波束测深仪操作简便，精度可达水深面先进系统可同时形成个波束，覆盖示海底地形特征、质地变化和人工物体，广泛用100-200的，适合小型船舶和近岸海域测量，但只能宽度达水深的倍，精度达到水深的，极于海底地质调查、沉船搜寻和海底管线检测

0.1%3-

60.5%获得船舶航迹下方的水深大提高了测量效率和覆盖率声学测深数据处理流程包括数据采集、噪声滤除、姿态校正、声速校正、潮位改正、数据筛选、地形构建等多个环节其中，声速校正是保证测深精度的关键步骤，需要通过声速剖面仪测量水体中的声速变化，或利用数据计算声速此外，测深系统需与高精度定位和姿态测量系统配合，确保测量点的CTD三维坐标准确性多波束测深系统详解系统组成辅助设备发射接收换能器阵列、信号处理单元和控制显示定位系统、姿态传感器和声速剖面仪系统数据处理数据采集滤波、校正和三维模型构建实时测量与存储海底三维地形数据多波束测深系统是现代海底地形测量的主力工具，典型系统工作频率在之间，根据应用需求选择低频系统（）适用于深海测量，覆盖范围大但12-400kHz12-30kHz分辨率较低；高频系统（）则适用于浅海精细测量，具有较高分辨率先进的多波束系统可达到水深的测量精度，满足国际水道测量组织的最200-400kHz

0.5%IHO高标准深海测量面临特殊挑战，包括高压环境、信号衰减、覆盖面积受限等为解决这些问题，科学家开发了特殊的深海测量技术，如深拖多波束系统和水下机器人搭载的近底测量系统中国蛟龙号和海斗号等深海装备已能实现万米深渊的高精度地形测量，为深海科学研究和资源勘探提供了重要支持侧扫声纳技术侧扫声纳获取海底声学影像浅地层剖面仪探测海底地层结构目标探测系统识别沉船等特殊目标管线探测设备定位海底管道和电缆浅地层剖面仪是一种低频声学设备，能够穿透海底表层沉积物，探测海底浅层地质结构它发射1-10kHz的低频声波，通过分析反射信号揭示海底下数十至数百米深度的地层分布这种技术广泛应用于海洋地质调查、油气勘探前期工作以及海底工程地质评估侧扫声纳在海底目标探测领域具有独特优势，能够清晰显示沉船、礁石等物体的声学影像现代高分辨率系统可分辨厘米级的海底细节，配合自动目标识别软件，极大提高了搜寻效率海底管线与缆线探测是侧扫声纳的重要应用，结合磁力计或电磁探测器，可准确定位海底电缆和金属管道，为海底工程和维护工作提供精确定位海底地形制图技术数字地形模型构建海底地貌分类与特征提取数字地形模型是表示海底地形的数学模海底地貌分类是海底地形分析的重要内容，旨在DTM型，通过对离散测深点进行格网化和插值处理构识别海山、海沟、海底峡谷等特征地貌现代分建现代技术采用克里金、样条函数等类方法结合形态学参数和机器学习算法，能够自Kriging高级插值算法，并结合误差控制机制，确保模型动识别和分类海底地貌特征，支持大范围海底地的准确性和平滑性貌制图和科学研究数据预处理与质量控制地形参数计算••三维海底地形可视化格网剖分与分辨率选择特征提取算法•••插值算法与参数优化三维可视化技术将抽象的海底地形数据转化为直•地貌分类模型误差分析与精度评估观的视觉表现先进的可视化系统支持实时漫精度验证方法••游、多角度观察和地形特征提取，大大增强了海底地形数据的可解释性和应用价值虚拟现实和增强现实技术为海底地形展示带来了新的交互方式海底地形制图技术在大陆架界限划定中具有重要应用根据《联合国海洋法公约》，沿海国可根据海底地形特征确定其大陆架外部界限这要求高精度的海底地形测量和科学的地形分析，特别是对大陆坡脚点和米等深线的精确确定中国在南海等海域的大陆架调查工作已取得重要成果，为维护海洋权益提供了2500科学支持第八部分海洋遥感技术卫星遥感基本原理海洋卫星系统遥感数据处理与应用海洋卫星遥感是利用搭载在卫星上的传感器，全球已建成多个专用海洋卫星系统，如中国的海洋遥感数据处理包括辐射校正、大气校正、探测海洋表面和大气辐射或反射的电磁波信海洋系列卫星、美国的系列、欧洲的几何校正和专题信息提取等步骤通过建立物NOAA息，间接获取海洋参数的技术不同波段的电系列等这些卫星搭载了各类海洋专理模型或统计模型，从遥感数据中反演出海表Sentinel磁波可探测不同海洋要素，如可见光探测水用传感器，构成了全球海洋遥感观测网络，为温度、叶绿素浓度、海面高度等海洋参数，广色，红外探测海表温度，微波探测海面风场和海洋监测提供了全球覆盖、大范围、高时效的泛应用于环境监测、资源调查和海洋预报等领海面高度数据支持域海洋遥感技术突破了传统海洋观测的局限性，实现了对海洋环境的大范围、同步、连续监测，为全球海洋科学研究和业务应用提供了革命性的观测手段随着新型传感器和数据处理技术的发展，海洋遥感的精度和应用范围不断扩展，成为现代海洋观测体系的重要组成部分海洋卫星遥感原理可见光与红外遥感1探测海水反射和辐射特性微波辐射计与散射计测量微波辐射和后向散射卫星高度计3精确测量海面高度变化合成孔径雷达SAR4获取高分辨率海面图像可见光与红外遥感是海洋卫星遥感的基础技术可见光波段主要用于探测海水颜色，通过分析不同波长的反射率，可反演出叶绿素浓度、悬浮物含量等水质参

0.4-

0.7μm数红外波段则主要用于测量海表温度，利用海水在热红外波段的辐射特性，可实现精度的温度监测3-15μm

0.1℃微波遥感技术具有全天候观测能力，不受云层影响微波辐射计测量海面自然辐射的微波能量，用于反演海表温度、盐度等；微波散射计则测量海面对微波的后向散射强度，主要用于测量海面风场卫星高度计通过测量雷达脉冲从卫星到海面的往返时间，精确测量海面高度变化，用于监测海平面变化、海洋环流和海啸等技术利用SAR雷达相干性原理获取高分辨率海面图像，能够探测海浪、内波、油膜等细微特征主要海洋卫星系统卫星系列运营国家机构主要载荷应用领域发射时间/海洋一号中国海洋水色扫描水色、风场、温1C/D:仪、微波散射计度2018/2020欧空局水色仪、水色、温度、高Sentinel-3OLCI A/B:2016/2018红外辐射度SLSTR计美国欧洲高精度雷达高度海面高度、波高JASON/JASON-3:2016计日本微波辐温度、水汽、降GCOM-W AMSR2GCOM-W1:射计水2012中国的海洋卫星观测体系以海洋系列卫星为核心，从海洋一号的试验卫星发展到现在的海洋一号业务A/B C/D卫星海洋一号卫星配备了高性能海洋水色扫描仪和微波散射计，能够监测全球海洋水色环境、海面温度和风场等要素，为海洋环境监测和资源调查提供了重要数据支持欧洲的系列是哥白尼计划的重要组成部分，其中专注于海洋观测，提供高质量的全球海洋Sentinel Sentinel-3数据系列高度计卫星则是全球海面高度测量的基准，对全球海平面变化监测和海洋环流研究具有不JASON可替代的作用海洋遥感应用实例包括西太平洋暖池监测、全球海洋环流观测、赤潮预警系统等，这些应用展示了海洋卫星遥感在海洋科学和社会经济中的巨大价值海洋环境遥感应用第九部分深海探测技术深海探测设备无人探测系统深海探测设备是针对深海特殊环境设计的无人探测系统是现代深海探测的主力军，专用仪器和系统，能够在高压、低温的深包括遥控潜水器、自主水下航行器ROV海环境中正常工作这类设备包括耐压采和水下滑翔机等这些系统搭载多AUV样器、深海摄像系统、原位分析仪器等，种传感器和工具，能够完成从观测到采样为深海科学研究提供了眼睛和手臂的多种任务，极大扩展了人类在深海的活动能力深海资源勘探深海资源勘探是深海探测的重要应用领域，主要针对深海多金属结核、富钴结壳、热液硫化物等资源通过声学探测、光学观测、地质取样和地球物理测量等手段，评估资源分布和储量，为深海资源开发提供科学依据深海是地球上最后的未知疆域之一，占据了全球海洋面积的约三分之二，但人类对深海的了解还非常有限深海探测技术的发展为揭示深海奥秘提供了关键工具，从早期的简单采样到现代的综合观测系统，探测能力不断提升深海探测面临着极端环境带来的技术挑战，如高压环境下的设备密封、长距离信号传输、能源供应限制等随着材料科学、微电子技术和人工智能的发展，这些挑战正在被逐步克服中国在深海探测领域已取得重要进展，蛟龙号载人深潜器和海斗号全海深自主潜水器的成功研制，标志着中国已步入深海探测技术先进国家行列深海探测载体载人深潜器深海无人遥控潜水器自主水下航行器载人深潜器是能够携带科学家直接进入深海环境通过缆线与母船连接，由操作人员远程控是完全自主运行的水下机器人，不需要缆线ROV AUV的探测平台，代表着一个国家深海技术的最高水制，能够在深海进行精细作业它配备高清摄像连接，可按预设程序或自主决策完成探测任务平中国蛟龙号能够下潜至米深度，而系统、机械手臂和各类传感器，适合精确采样和它特别适合大范围海底勘察和测绘，能够获取高7000奋斗者号已实现万米深潜能力，成为全球少数目标探测任务最先进的科考型已具备全海分辨率的海底地形和环境数据中国已研发出多ROV能够到达海洋最深处的载人潜水器之一深工作能力型深海，最大工作深度超过米AUV6000水下滑翔机是一种新型高效的海洋观测平台，利用浮力变化和机翼实现滑翔运动，能量消耗极低，可在海洋中连续工作数月它主要用于获取大范围、长时间的海洋环境剖面数据，是深海观测网的重要组成部分滑翔机技术正逐步扩展到深海应用，新一代深海滑翔机将极大提升深海环境的长期观测能力深海原位探测技术环境参数测量利用专用传感器测量深海温度、盐度、溶解氧、浊度、声速等物理化学参数，构建深海环境三维结构生物多样性调查通过水下摄像、光学传感和声学探测等手段，记录深海生物种类、数量和分布特征热液活动探测利用温度异常、化学探测器和浊度传感器，寻找和研究深海热液喷口及其周围独特生态系统资源评估技术结合地质取样和地球物理探测，评估深海矿产资源的分布、品位和开采价值深海原位探测技术是指直接在深海环境中进行的各类测量和观测，避免了样品回收过程中可能的变化和损失深海环境参数测量通常采用等标准海洋仪器的深海改进版本，配合溶解氧、、浊度等传感器，获取深海水体的CTD pH综合理化特性这些数据对理解深海环流、热量传输和物质循环至关重要深海生物多样性调查是深海科学的重要内容，现代调查手段包括高清摄像系统、水下显微镜、分析仪等热液DNA活动区探测则是寻找深海热液矿床和独特生态系统的关键技术，通常采用拖曳式异常探测系统，寻找温度、化学成分和浊度的异常信号深海资源评估技术结合地质采样、地球物理探测和原位分析，对深海矿产资源进行系统评价，支持资源勘探和开发决策深海采样技术深海沉积物取样器岩石采样与分析深海沉积物是记录地质历史和深海环境的重要深海岩石采样主要针对海山、海脊和热液区等载体常用采样设备包括重力取样器、活塞取特殊地质构造采样方法包括机械手直接采样器、箱式取样器和多管取样器等先进的取集、岩石钻机钻取和爆破取样等现场岩石分样系统能够在保持沉积物层序不被扰动的情况析通常使用水下摄像和光谱分析，而详细分析下，获取长达几十米的沉积物柱状样品则在实验室进行，包括岩相学、矿物学和地球化学分析重力取样器利用自重采集•生物样本采集技术机械手采集精确定位采样活塞取样器减少样品扰动••深海钻机获取深层岩心箱式取样器大面积表层采样•深海生物采样需要特殊设备保持样品的原生状•破碎采样针对大型目标态常用设备包括保压采样器、低温保存系统多管取样器同步多点采样••和活体捕获装置等对于微生物研究，还需使原位分析快速初步评估•用无菌采样技术避免污染现代深海生物采样越来越注重非破坏性采样，减少对脆弱深海生态系统的影响深海环境分析是一种新兴的生物多样性研究方法，通过采集水体或沉积物中的环境，利用高通量测序技术分析深海生物群落结构这种方法能DNA DNA够检测传统方法难以发现的微小或稀有物种，为深海生物多样性研究提供了新工具原位分析设备已开始在深海探测中应用，未来将大大提高深海生DNA物研究的效率和深度第十部分海洋数据处理与应用海洋数据同化海洋预报系统融合观测与模型提高预测精度为海上活动提供准确预报服务海洋大数据技术实际应用场景处理和分析海量多源观测数据航行保障、资源开发和灾害预警1随着观测技术的进步和观测网络的扩展，海洋数据量呈爆炸式增长，数据处理与应用已成为海洋科技的重要环节海洋大数据技术应对的是如何从海量、多源、异构的海洋数据中提取有价值的信息，支持科学决策和业务应用海洋数据同化是提高海洋预报准确性的关键技术，它通过数学方法将离散的观测数据与动力模型结合，生成最优的海洋状态估计现代海洋预报系统已成为海洋信息服务的核心，为航运、渔业、海洋工程等提供精准的海况预报，显著提高了海上活动的安全性和效率海洋大数据分析海洋数据同化技术数据同化基本原理同化方法与算法数据同化是将观测数据与数值模型结合，通过数学方法获得海主要的海洋数据同化方法包括变分同化法和滤波同化法三维洋状态最优估计的技术它解决了观测数据空间覆盖不均匀、变分同化3D-Var和四维变分同化4D-Var通过最小化观测与模时间不连续的问题，同时克服了模型的系统误差，提供了时空型之间的代价函数，获得最优分析场而卡尔曼滤波及其改进连续、物理一致的海洋状态描述版本如集合卡尔曼滤波EnKF则基于统计最优理论，递归更新模型状态和误差协方差数据同化系统由观测系统、数值模型和同化算法三部分组成观测系统提供实测数据，数值模型提供物理框架，同化算法则近年来，粒子滤波、混合变分-集合方法等新型算法也在海洋同负责在考虑各自误差的情况下，找到最佳结合点化中得到应用，进一步提高了同化效果，特别是对非线性和非高斯特性的处理能力应用与效果海洋-大气耦合同化是气候预测的前沿技术，通过同时同化海洋和大气观测数据，考虑海气相互作用，提高长期气候预测能力在实际应用中，数据同化已显著提升了海洋预报精度，如北太平洋环流模型通过同化卫星高度计和Argo数据，预报误差降低了约30%，为船舶航线优化提供了更可靠的依据随着计算能力的提升和观测数据的增加，海洋数据同化技术正朝着高分辨率、多尺度和多变量方向发展，能够更好地描述中小尺度海洋现象同时，对深海观测数据的同化也成为研究热点，有助于改进对深层海洋环流的理解和预测海洋预报系统全球海洋预报系统区域海洋预测模型海洋预报产品全球海洋预报系统通常基于高分辨率海洋环流模区域海洋预测模型针对特定海域，采用更高分辨率现代海洋预报产品包括海表温度、海流、海面高型，同化多源卫星和实测数据，提供全球范围的海和更细致的物理过程描述，提供更精确的局地预度、波浪、海冰等多种要素，从短期（天）到1-3洋状态预报代表性系统包括欧盟的、美报这类模型通常采用嵌套技术，与全球模型衔中期（天）预报这些预报产品通过网站、专CMEMS7-15国的和中国的全球业务化海洋预报系统，接，边界条件由全球模型提供中国已建立了覆盖业软件和船载系统等渠道分发给用户智能化预报RTOFS这些系统分辨率已达到甚至更高，能够描述近海和重点海域的区域预报模型系统，分辨率最高产品还能根据用户需求，自动生成航线规划、最佳1/12°中尺度涡等重要海洋现象达到公里级航速建议等定制信息海洋预报在航行中的应用主要包括航线优化、避险导航和作业窗口选择等通过结合预报的海流、风浪和海冰信息，航海人员可以规划出更安全、更经济的航线；在恶劣天气来临前，及时调整航线避开危险区域；在港口和海上作业中，根据预报选择合适的作业时间窗口有研究表明，充分利用海洋预报信息进行航线优化，可节省的燃油消耗，并显著提高航行安全性5-10%第十一部分未来发展趋势智能航行技术新型海洋探测技术智能航行技术将人工智能、大数据分析与新型海洋探测技术聚焦于更高精度、更广传统航海技术相结合，发展自主航行船舶覆盖和更长持续时间的观测能力微型化和智能辅助系统这些技术不仅改变航海传感器、生物仿生设计、新能源应用等创操作方式，还将提高航行安全性和经济新将极大扩展海洋探测范围，特别是深海性，减少人为错误，是航运业未来的发展和极地等极端环境的长期观测能力方向全球海洋观测系统全球海洋观测系统正向更加协调、网络化和智能化方向发展通过国际合作建立的全球观测网络将提供前所未有的海洋数据覆盖，支持气候变化研究、海洋资源管理和全球海洋治理未来航海导航与海洋探测技术的发展呈现出一系列明显趋势数字化、网络化、智能化和绿色化数字孪生技术将为航行和海洋探测提供虚拟仿真环境，辅助训练和决策；物联网技术将实现海洋观测设备的无缝连接和协同工作；人工智能将使海洋数据分析和预测更加精准高效与此同时，绿色环保理念也深刻影响着技术发展方向，低能耗探测设备、无污染动力系统和环境友好型材料将得到更广泛应用这些技术变革将深刻重塑海洋科学研究和海上活动的面貌，为人类认识和利用海洋提供强大支持智能航行与智慧海洋课程总结与展望学科前沿研究方向探索海洋科学技术未来发展航海导航关键技术2掌握现代航行定位基础海洋探测方法体系构建海洋认知科学框架实践学习与深造建议指导专业发展路径本课程系统地介绍了航海导航和海洋探测的基础理论与关键技术，从历史发展到未来趋势，构建了完整的知识框架航海导航技术作为最古老的导航科学之一，已经从简单的罗盘导航发展为综合利用卫星、雷达和人工智能的现代系统北斗卫星导航系统、电子海图和智能避碰系统等技术的应用，极大提高了航行的安全性和效率海洋探测方法经历了从单点观测到全球网络、从表层监测到全水深探测的演变过程水文探测、地形测量、遥感技术和深海探测共同构成了立体化的海洋观测体系未来研究将更加关注极端环境探测、长期自主观测和多尺度数据融合等前沿方向希望同学们能够将所学知识应用到实践中，积极参与科研实习和海上实训，培养解决实际问题的能力海洋科学与工程领域正处于蓬勃发展时期，为有志于此的年轻人提供了广阔的发展空间。