卫星测高基本原理

1、第六章、卫星测高2/38目录：目录：一、引言二、卫星测高基本原理三、卫星测高误差分析四、测高卫星与数据预处理五、卫星测高数据的基准统一与平差六、卫星测高技术的应用七、卫星测高技术的最新发展3/38一、引言一、引言1、提出卫星测高最早在1969年Williamstown召开的固体地球和海洋物理大会上由美国大地测量学者考拉（W. M. Kaula）首次提出。它以卫星为载体，借助于n空间技术n电子和微波n激光等高新技术 来量测全球海面高。4/38一、引言一、引言2、发展卫星测高最初目的：采用遥测的方法确定海面高。经过近40年发展，卫星测高在地球物理学、大地测量学和海洋学等领域得到广泛应用。全球海平面

2、及其变化地球重力场海底地形海洋岩石圈海洋环流等卫星测高提取地球物理信息由ERS1 地形观测导出的南极洲冰流速度5/383、测高卫星6/38Skylab太空实验室太空实验室最早搭载有高度计的卫星 高度计S193发射时间：1973年5月14日轨道高度：435km轨道倾角：50脉冲宽度0.1ms分辨率：15m第一次得到因海底特征引起的海洋大地水准面观测值，奠定了卫星测高学的技术基础7/38GEOS3地球动力学实验海洋卫星地球动力学实验海洋卫星发射时间：1975年4月9日发射机构：美国宇航局发射目的：海洋地形观测，是第一颗专门用于测高的海洋地形卫星轨道高度：840km轨道倾角：115轨道径向精度可达2

3、m受到存储能力的限制，GEOS3只进行了三年约1680个小时的数据采集和观测，直到1978年12月任务结束。卫星轨道高，造成返回信号强度减弱和星下点足迹变大，使用脉冲压缩技术解决, 该技术的应用使得分辨率的提高成为可能。8/38SEASAT海洋卫星海洋卫星发射时间：1978年6月28日发射机构：美国宇航局发射目的：观测海洋卫星轨道高度800km，轨道倾角108搭载仪器：合成孔径雷达（SAR），用来提供高质量详细的海洋和陆地雷达图像；雷达散射计，用来测量近地面风速及其方向；多频段微波辐射计，用来测量地面温度、风速及海冰覆盖；雷达高度计，用来测量海面和浪高。9/38GEOSAT-大地测量卫星大地测

4、量卫星发射时间：1985年3月12发射机构：美国海军发射目的为美国海军测量海洋大地水准面；为美国海军提供海况和风速观测数据；增加人类对于海洋大地水准面的认识。轨道参数高度约800km；轨道倾角108重复周期：17天10/38ERS-欧洲遥感卫星欧洲遥感卫星发射时间：1991年7月17日发射机构：ESA主要任务：进行地球观测，特别是对大气和海洋的观测轨道高度约785km，轨道倾角98.52搭载仪器：主动式微波仪器雷达高度计沿轨扫描辐射计微波辐射计 精密距离及距离变率设备激光反射阵列11/38地形实验地形实验-T/P:TOPEX (TOPographic Experiment)发射时间：1992年

5、8月10日发射机构：美国宇航局和法国空间局目的：观测和认识海洋环流卫星轨道高度：1336km倾角：66重复周期：10天高轨道可以减小大气阻力和重力对卫星的影响，同时有助于更加容易和精确确定卫星轨道2002年9月15日，T/P轨道调整到新位置，处于原始原始两轨道的中间位置。原轨道被JASON1使用12/38ERS2发射时间：1995年4月发射机构：ESA主要任务：进行地球观测，特别是对大气和海洋的观测。轨道高度：785km、轨道倾角98.5搭载仪器：与ERS1基本相同。13/38JASON1-T/P的后续卫星的后续卫星发射时间：2001年12月发射机构：美国宇航局和法国空间局发射目的主要目标是以

6、不低于T/P的精度水平来测定全球的海面地形，从T/P和JASON-1高精度、长时间连续观测数据得到全球的海面地形；研究海洋环流，全球气候变化。轨道参数高度：1336km，轨道倾角：66，重复周期：10天海面观测精度4.2cm（GDR）；5.2cm（IGDR）14/38ENVISAT- ERS1/2的后续卫星的后续卫星发射时间：2002年3月1日发射机构：ESA主要任务：对地球大气及地球表面进行观测，用于环境研究，特别是气候变化研究。卫星轨道：与ERS2相似，是一个高度倾斜、太阳同步的近圆形轨道轨道高度：764825公里，轨道倾角：98.5，重复周期：35天实际地面轨迹与标称偏差保持在1km以下

7、。15/384、卫星测高发展现状、卫星测高发展现状测高精度由最初的米级提高到目前的厘米级，分辨率由原来的上百公里提高到现在的几公里。观测对象也由最初的海洋扩展到冰面、陆地沙漠等全球区域的覆盖。在全球范围内全天候地多次重复、准确地提供海洋、冰面等表面高度的观测值，改变了人类对地球特别是海洋的认识和观测方式，使我们有能力并且系统的进行与之相关的各种研究。平均海面高模型海洋重力场16/384、卫星测高发展现状、卫星测高发展现状卫星测高任务已成为国际海洋和气象计划的组成部分世界海洋环流实验WOCE气候变化及预测WCRP全球海洋观测系统GOOS观测厄尔尼诺（El Nio）现象的热带海洋-全球大气TOGA

8、全球海洋数据同化实验GODAE在上述计划中，卫星测高数据与这些计划观测数据的融合处理，可以获取更多的相关信息，大大拓展了原有计划的研究领域。目前，卫星测高已成为全球气候观测系统GCOS和全球大地测量观测系统GGOS的一个重要组成部分。17/38二、卫星测高基本原理二、卫星测高基本原理1、卫星测高原理：利用雷达或激光测量卫星至海面、冰面等之间的距离和计算量测时的位置及各种海面高地球物理环境的改正来提供海面高等其他相关信息。2卫星测高仪：一种星载的微波雷达，它通常由发射机、接收机、时间系统和数据采集系统组成。卫星测高技术就是利用这种测高仪来实现其功能。3卫星测高仪原理：n利用星载微波雷达测高仪，通

9、过测定微波从卫星到地球海洋表面再反射回来所经过的时间来确定卫星至海面星下点的高度，根据已知的卫星轨道和各种改正来确定某种稳态意义上或一定时间尺度平均意义上的海面相对于一个参考椭球的大地高或海洋大地水准面的海拔高。18/38二、卫星测高基本原理二、卫星测高基本原理3、卫星测高原理（续）卫星上的雷达测距仪沿垂线方向向地面发射微波脉冲，并接受从地面（海面）反射回来的信号卫星上的计时系统同时记录雷达信号往返传播时间 t已知光速值c，则雷达天线相位中心到瞬时海面的垂直距离ha为：卫星发射雷达波束到达海面的波迹半径约为35公里。因此，测高仪测得的距离ha相当于卫星天线相位中心到这个半径为35公里圆形面积内

10、海面的平均距离。2athc 19/38二、卫星测高基本原理二、卫星测高基本原理3卫星测高原理观测方程：式中e为椭球第一偏心率ha为卫星相对瞬时海面的高度 r为卫星的地心距rp为卫星星下点P的地心距 hi为瞬时海面和似静海面之间的差距 hs为似静海面至大地水准面间的差距为地理纬度N为大地水准面高式中各量相对关系如右图421sin 28papisrrhrreNhhr20/383卫星测高原理（续）卫星测高观测值应加入的改正项：改正包括仪器校正海面状况改正对流层折射改正电离层效应改正周期性海面影响改正卫星至选定的平均地球椭球面之间的距离（即大地高）h可以根据卫星的精密轨道数据得出，当精确求得ha值后，

11、可确定海面高h0：0ahhh二、卫星测高基本原理二、卫星测高基本原理21/38由于测高仪发射的脉冲信号在经过海洋表面反射返回接收机之前，受到多种因素的影响，包括：卫星轨道误差仪器误差大气对微波信号的散射与折射等 因此，必须对卫星测高仪的测量值施以各项改正，才能得到卫星质心到海洋表面的瞬时距离。根据误差来源不同，将误差改正项分为三类：卫星轨道误差环境误差仪器误差三、卫星测高误差分析三、卫星测高误差分析22/381、卫星轨道误差卫星轨道是测高仪进行测量的参考基准，任何轨道的测量误差都将直接引入海面高测量中。引起轨道误差的主要误差源可以分为四类即地球重力场模型大气传播延迟光压跟踪站坐标误差上述影响都

12、具有长波性质，其中影响最大的是重力场模型误差。三、卫星测高误差分析三、卫星测高误差分析23/381）重力场模型开普勒轨道：卫星只受地球作为均质球体的引力作用，不考虑地球的非球形引力和其它外力的影响。对于真实的地球外空间的测高卫星，由于所有的星体都并非均匀密度分布的球体，通常为扁球体加上各种形变，由此产生的引力位将不同于球形引力位。为了精确地确定重力对卫星轨道的影响，需要用一个很高阶次的球谐展开函数来描述摄动的周期性特征。1 1、卫星轨道误差、卫星轨道误差24/382）大气阻力轨道高度处的大气影响是用空气密度的经验公式与已知的卫星形状和定向来计算的，这与实际的大气影响有差异。由于对大气的物理属性

13、，了解不甚深入对中性气体、电离气体和多成分的混合气体与不同卫星表面相互作用也了解甚少使得空气动力学数学模型化变得极为困难。1、卫星轨道误差、卫星轨道误差25/383）光压太阳辐射压和地球反照压是作用在航空飞行器上的两个外部辐射量。太阳辐射压：当卫星受到太阳照射，则卫星表面吸收或者反射光子从而产生一个微小作用力，与其他的非保守力摄动不同，这个力称为太阳辐射压力，是由卫星的质量和其表面积决定的。地球反照压：由于地球受到太阳辐射，除了自身吸收一部分热量外，地面或海洋面将反射一部分太阳能量返回太空，同时由于地球自身的热辐射，卫星将受到地球光辐射压力（来自太阳的反射）和红外辐射压力。影响飞行器温度的辐射

14、可以分为两类：内部和外部。它们将影响飞行器的形状、定向和反射率。1 1、卫星轨道误差、卫星轨道误差26/384）跟踪站坐标误差不能准确确定跟踪站相对于地球中心的位置是这种误差最主要来源。SLR可以准确确定跟踪站坐标相对于地球中心的位置。 问题：气候恶劣导致数据中断大多数SLR站集中在北半球大陆上而不是全球均匀分布利用DORIS跟踪系统与SLR一起，将大大减少跟踪站坐标误差。1 1、卫星轨道误差、卫星轨道误差27/384）跟踪站坐标误差（续）日月，行星引力：潮汐形变地球固体潮海潮大气潮地球自转不均匀：自转形变这些潮汐和地球的形变将引起地球引力位展开式中系数的变化，从而地球的真实位将产生一个形变附

15、加位，这个附加位将直接影响卫星的运动轨迹。1 1、卫星轨道误差、卫星轨道误差28/385）固体潮汐固体潮汐可以用一个二阶调和球谐函数来确定 -平均振幅小于10cm其影响hset主要包括 -月亮引起的改正量 hL -太阳引起的改正量hs -其它的改正量对于ERS1/2卫星，其计算公式为： -hw为Wahr径向改正量 -hp为固定形变的相反量1 1、卫星轨道误差、卫星轨道误差1000 ()setLSWphhhhh29/386）海洋潮汐海洋潮汐可包括两个部分：弹性海洋潮汐heot负荷潮汐hlt在开阔海洋，潮汐的平均振幅可达50cm。目前潮汐模型的精度可达几个厘米。1 1、卫星轨道误差、卫星轨道误差8

16、1cos()sin()cossinltiiiiiiiiiiiiiiiiiihf ctudtuBcBdB 、分别为振幅和相位131cos()sin()iitcossineotiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiihf atubtufuaAbA 为波 的频率、 为波 的天文量为波幅节点改正、 为相位节点改正为测量时刻、分别为振幅和相位30/381）电磁偏差定义：雷达测高仪量测的是卫星至海面的距离，这个值是相对于反射海面的平均值。由于海面波谷反射脉冲的能力优于波峰，造成回波功率的重心偏离于平均海面而趋向于波谷，此偏移称之为电磁偏差或海况偏差。产生原因：这种改正是由于平均海面与平均散射面之间存在高

17、度差产生的。2、环境误差、环境误差EMBiasEMBiashk SWHhSWHk为电磁偏差为有效波高为比例系数31/382）电离层折射误差当测高卫星信号穿过电离层时，会产生折射效应，其结果对传播信号产生时延。电离层的折射率与大气电子密度成正比，与通过的电磁波频率平方成反比。电离层的电子密度随太阳及其它天体的辐射强度、季节、时间以及地理位置等因素的变化而变化，其中太阳黑子活动强度的强弱对其影响最大。电离层改正可用双频微波仪器直间量测得到。 T/P卫星采用双频微波进行电离层改正。2、环境误差、环境误差(续续)02eKuKuNhhAf02eCCNhhAf22022KuKuCCKuCfhf hhffN

18、eA.3m3s-2fhoKuChh、分别为两波段所测量的高度为电离层总电子含量，=40为电磁波频率为测高卫星的实际高度32/383）对流层影响电波信号通过大气层时，由于大气折射率的变化，传播路径会产生弯曲。由于对流层中的物质分布在时间和空间上具有较大的随机性，因而使得对流层折射延迟亦具有较大的随机性。通常将对流层折射影响分为由干燥汽体和水蒸汽产生的影响共同组成的干延迟：由干燥汽体产生的延迟量比较稳定，可通过模型改正得到较好地消除。湿延迟：由水蒸汽产生的延迟量，不稳定，其天顶方向的折射量随时间和空间的变化率比干分量的大3至4倍。2、环境误差、环境误差(续续)32.277 101 0.026cos

19、(2 )dryhP干分量延迟：312552.277 10P0.05PwetheTeT湿分量延迟：为大气中的水汽压为大气压为温度33/384）逆气压改正大气压的变化将引起海面变化，而且是逆压的，即气压增高，海面降低，反之亦然。它们之间的关系假设为：海面上的气压变化为1mPa时，海面高的变化为1cm。海面气压P可利用Saastamoinen模型由对流层的干分量导出：逆气压改正（以mm为单位）可以由下式计算得到：利用T/P两年轨迹交叉点数据研究它们之间的地理变化，所得结果是：在距地极20范围内，海面上气压变化与海平面变化的关系是0.81.0cm/mb，在赤道海域，则为0.5cm/mb。2、环境误差、

20、环境误差(续续)/( 2.277 (1 0.0026 cos(2 )dryPh 9.948 (1013.25)IBP 34/381）跟踪系统偏差）跟踪系统偏差由回波信号波形中离散采样点的校准偏差引起。这种回波信号波形使用机载跟踪算法，该算法假设测高仪的高度（匀速）成线形变化。而实际情况并非如此，当测高仪的高度有一个加速度时，如测高仪经过一个窄的海沟上空时，必须补偿一个相应的高度误差。3、仪器误差、仪器误差35/382）波形样本放大校准偏差由接收信号的放大程度是随着监视表面的剖面变化而变化引起的。一种自动放大控制器用于信号衰减校正，但回波信号强度的快速变化将使得跟踪脉冲的上升边位置的回路产生错误

21、，从而导致了这一校正误差。3、仪器误差、仪器误差(续续)36/383）平均脉冲形状的不确定性与实践标志偏差用于计算平均回波的脉冲是随机变化的，且不确定的，返回脉冲形状的偏差就是因此而产生的。平均后所剩的残差导致的量测产生噪声微波仪部件的老化导致的测量误差长期的钟漂也将导致的测量误差钟漂可以将测高仪上的钟同一些参考钟比较得到。由于仪器老化而导致的高度测量偏差可利用测高仪内部校正模式采取补差。此外，仪器偏差还包括定点误差（Pointing Errors）天线采集模式偏差（Antenna Gain Pattern Bias）3、仪器误差、仪器误差(续续)37/38综合上述各项误差的影响，精确的海面高计算公式为：4、卫星测高误差改正公式、卫星测高误差改正公式其中，h为卫星质心到参考椭球面的距离ha为