微波遥感海洋应用(高度计)

1、海面测高-卫星雷达高度计2021年卫星雷达高度计卫星测高是一门涉及到不同学科和不同专业的综合学科。它利用卫星上安装的微波雷达高度计，实时的测量卫星到海面的高度、有效波高、和后向散射系数，通过对数据的处理和分析，进行地球物理学和海洋动力学的研究。对于卫星高度计的研究已经有三、四十年的历史。早在1973年，美国就发射了Skylab，飞船载有微波遥感器S-193，兼有高度计和散射计功能，可以观测海面风速等环境参数。1975年美国又在Geos-3卫星上装载了一台卫星高度计，Geos-3是高度计专用卫星，用于观测海洋大地水准面、海面风速及有效波高。1978年美国发射了世界上第一颗海洋专用遥感卫星Seas

2、at-1，其中卫星高度计是主要载荷之一，可实现对海面风速的观测。美国海军1985年发射的测地卫星Geosat也是一颗高度计专业卫星。进入90年代以来，随着技术的不断进步，高度计整体性能有很大的提高。1991年7月欧空局发射了第一颗欧洲遥感卫星(ERS-1)，同Seasat-1一样，微波遥感器是该星的主要载荷，其中雷达高度计(RA)有两种模式：海洋模式和海冰模式，海洋模式可测量海洋风速等参数。 据1978年Seasat三个月飞行后已发表的科学论文的数量判断，星载雷达高度计取得的观测资料吸引了许多海洋科学家的注意力，高度计可以测量卫星和海面之间的距离，测量误差在10cm以内。测量距离约800km，

3、准确度为800万分之一，这不能不说是一项了不起的成就。高度计带给海洋学工作者的时机，即实现了海面绝对斜率的测量，正是他们百年来梦寐以求的事情。高度计测量成就的重要意义越来越明显。还应该补充一点，高度计还具有准确地测量有效波高，同时估算海面风速的能力。我们有充分的依据可以解释为什么主要的航天大国的空间部门都在规划后续的卫星高度计ERS-1/2，T/P，GFO，JASON，ENVISAT。 海洋的尺度如一张纸Jason-1 Satellite海面高度SSHSea Surface Height有效波高SWH (Significant Wave Height) 风速(Wind Speed)高度计测量原

4、理图雷达高度计观测示意图雷达高度计脉冲前沿首先到达卫星星下点的海洋，然后，以脉冲圆形波向外移动。实际效果：圆点-圆形-环形足印大小：平静海面: ra=(2hctp)1/2 ，粗糙海面:其中:雷达高度计观测足印脉冲时间与平滑海面的相互作用。图的下方表示受照区的轮状形，右边表示回波信号的强度。回波波形的产生(Pulse Limited)海面参数的反演理论上的回波波形及相应的反演参数1有效波高SWH的测量SWH的定义1有效波高SWH的测量2海面高度SSH的校正2海面高度(SSH)的测量RangeCorrected Range = Range + Wet Troposphere Correction

5、+ Dry Troposphere Correction + Ionosphere Correction + Sea State Bias Sea Surface Height = Altitude - Corrected RangeSea Surface Height Anomaly = Sea Surface Height - Mean Sea Surface - Tide Effects -Inverse Barometer - High Frequency Wind Response 海况的影响(SWH)是高度计距离测量中最大的误差来源5cm。都是海面的非高斯分布造成的。Electro

6、magnetic(EM) bias(2%- 5% of SWH)Skewness bias(10%- 20% of SWH)Mean Sea levelMean Scattering SurfaceMedian Scattering Surface海面粗糙度误差 海面随波浪而起伏，这一事实已经根据对扩展回波脉冲锋的效应，同时也根据对扩大地面有效覆盖区的效应进行了描述。海面越粗糙，跟踪脉冲前沿斜率的逻辑算法的准确运算就越难，况且跟踪器还产生一定偏差。此外，大洋波并非是正弦波形，波谷趋于平缓，波峰趋于陡峭，致使波谷的雷达回波信号强于波峰的回波，产生一个突出波谷的电磁波偏差，而且使卫星与平均海平面之

7、间距离估算偏高。海面粗糙度的整个效应称之为海况偏差，据估计，Seasat海况偏差为有效波高的7%，应从卫星至海面的距离中减去这一偏差Born et al .1982 。电磁波偏差大约为有效波高1.5%-2%, 对于工作频率为13.5GHz的所有高度计，都是普遍存在的；而跟踪器误差，具体对于Seasat 来说，大约是5%至5.5% 。即使偏差订正到达7%观测资料中仍有为有效波高的3%的离散度，这已根据不同波浪条件下同一海区的重复轨道进行过检验。EM bias的校正EM bias是因为海面的非高斯分布，波谷比波峰有更大的曲率半径，因此散射更强，造成测量得到的海平面趋向于波谷。理论的方法：经验的方法

8、：Skewness bias的校正 Skewness Bias是平均散射面和中值散射面之间的高度差。直接影响到回波波形上升沿的形状。可以通过波形重构去除。 大气传输的订正 假设雷达信号以光速传播，根据测量的脉冲传输时间t可计算高度。然而，脉冲传播速度通过大气层和对流层时降低，造成距离即高度过高估算。如果令C为光在真空中的传播速度，Cm为脉冲在介质中传播的速度，那么，过高估算的距离为即:枯燥大气的订正值hd, 潮湿大气的订正值 式中，T为海面气温，单位为K， 为海面局部水汽压，单位为pa。假设了水汽的垂直分布，但是这种分布也可以根据地面观测的气象要素进行计算。另一种方法是利用卫星被动式微波探测器

9、，测量22.3GHz频率水汽发射的辐射，从而测量大气柱可降水的总量。为此目的，Seasat 采用了SMMR，取得了比利用内插气象资料，应用(10.5)式进行计算所取得的更为满意的订正结果。Tapley等人1982b给出了一个直接利用SMMR亮度湿度的 表达式，而且还给出：Sigma 0 wind speedSB (Smoothed Brown 1981)- SEASAT GEOS-3 altimeter measurements of& 184 coincident buoy observations. MCW (Modified Chelton and Wentz)-T/P,ERS Chel

10、ton and McCabe 1985 Chelton and Wentz 1986 Witter and Chelton 1991Seasat altimeter & Seasat-A Satellite Scatterometer 241，000 data. FC (Freilich and Challenor 1993) use wind speed estimated by numerical weather prediction NWP models E98 (Elfouhaily 1998) 波形重构-为什么要进行波形重构？高度计设计用于海洋外表的观测，海面参数是通过模型拟合得到最

11、优的参数，如距离、有效波高和雷达后向散射截面。当波形与预期的形状不同时，这个模型就不适用了。这会发生在极端的海况高或者低和非海洋的外表上。为了更有效的使用这些数据，以及或者最准确的海面参数，需要进行波形重构。Ocean surface waveform retracking为了获得精度更高的产品Non-ocean surface waveform retracking 为了获得非海洋外表对应的参数回波模型雷达高度计接受海面回波平均能量可以表示成三个量的的卷积形式Barrick, 1972，Brown,1977; Hayne,1980; Rodriguez, 1988 平均的回波能量 平面的雷达

12、脉冲相应average flat sea surface response 海面散射面分布的概率密度函数(surface elevation probability density of sacttering elements) 雷达点脉冲相应(radar point target response) 其中1海面的雷达脉冲响应其中2海面散射面的概率密度函数其中3雷达点脉冲相应其中其中拟合方法回波波形上升沿拟合:Range,SWH,Sigma0全波形拟合:Range,SWH,Sigma0,Off-nadir AngleJason-1 海面波形重构处理流程图Scaled噪声估计，并去除噪声实测海面

13、回波波形初始化参数(0)带入模型，得到仿真波形得到关于参数导数的解析表达式即需要拟合的关系式SVD仿真波形和实测波形的差值用于误差分析AX=ba(0)拟合得到参数X确定PTR的高斯型，得到回波模型实测PTR波形在不同外表上的回波波形 SurfaceGeophysical Quantity OceanSea Level TopographyMean Sea LevelWavesWind SpeedNon-ocean SurfaceIceSea IceSurface Elevation TopographyContinential Ice SheetLandTopographySurface El

14、evationInland-waterSurface ElevationNon-ocean surface的波形重构基于模型的算法NASA算法S/V算法ICE-2算法不基于模型的算法OCOG算法阈值算法NASA算法NASA Goddard Space Flight Center的Martin(1983) 第一次提出了对陆地冰层回波进行波形重构算法，也被称作NASA算法。这个算法及其以后四个改进版本(Zwally, 1996)先后用于Seasat、Geosat、ERS-1、T/P、 ERS-2和Jason-1的波形重构。 OCOGOffset Centre of Gravity算法OCOG算法阈

15、值的选取25，50，75 50的阈值用来生成产品，但是用户可以重新选择阈值进行重新计算。Bamber1994指出25的阈值产生的距离偏移更小，并且不受斑点噪声的影响。OCOG算法的优缺点ESA算法在计算时间上要优于NASA算法。但是由于ESA算法不是基于模型得的，波形重构点容易受冰层外表特性的影响。并且阈值的选取带有一定的随意性。确立基准 精密定轨技术我国HY-2卫星精密定轨方案林明森国家卫星海洋应用中心2005年11月海洋高度计卫星对径向定轨精度提出了厘米级的精度要求 海平面高度卫星高度高度计测量长期海平面高度的变化、海潮模型、洋流气候、自然灾害、“厄尔尼诺、海啸、温室效应1、海面测高对HY

16、-2卫星精密定轨的要求1、海面测高对HY-2卫星精密定轨的要求海面地形大洋环流模式回波波形估计海面的有效波高建立海潮模型确定海底地形获取全球海区重力异常建立全球重力场模型监测海平面变化，如厄尔尼诺，拉尼那精密轨道确定，是以下假设干研究的根底:通过以上测高误差的初步分析和分配，通过交叉点平差可以极大的降低卫星轨道径向误差、海面时变残差所引起的误差以及局部系统误差等对测高数据的影响。通过交叉点平差能使测距精度提高23倍。由此可知，测高总误差可由原来的1214cm降低到47cm，满足小于10cm的需求。表14 HY-2卫星高度计测量误差分配表卫星校正后误差（cm）仪器噪声46EM偏差Skewness

17、偏差干对流层湿对流层电离层211123轨道误差10总方根误差12141、海面测高对HY-2卫星精密定轨的要求2 、国外卫星测高卫星的定轨途径及定轨精度图 22径向轨道误差开展状况2 、国外卫星测高卫星的定轨途径及定轨精度 从表中可以看到，在早期定轨技术中采用的是TRANET/OPNET和SLR跟踪技术，由于早期SLR测距技术还比较低，TRANET/OPNET测速精度不高，还有动力模型误差较大，使得定轨精度没有到达比较理想的水平；随着T/P的发射，定轨精度到达了惊人的水平，这里除了在模型和计算方法上有所提高之外，跟踪技术的提高也起到了举足轻重的作用，对于T/P轨道精度起主要作用的是GPS，DOR

18、IS和SLR跟踪手段。2 、国外卫星测高卫星的定轨途径及定轨精度3、各种精密定轨跟踪系统的综合分析表31 目前高度计卫星跟踪系统和近似跟踪精度跟踪技术观测量测量精度发射卫星SLR斜矩0.5-5 cmGeosat除外的所有卫星DORIS斜矩变化率0.5 mm/sT/P,Jason-1，EnvisatPRARE斜矩，斜矩变化率2.5 cm，0.25 mm/sERS-2GPS相位0.2-0.5 cmT/P，Jason-1，EnvisatTRANET/OPNET斜矩变化率2-10 mm/sSeasat，GeosatTDRSS斜矩变化率0.3 mm/sT/P高度计高度交叉点5 cm所有卫星图 34在跟踪

19、T/P、ERS-1和ERS-2卫星期间全球SLR跟踪站地理分布图 3、各种精密定轨跟踪系统的综合分析2000年DORIS跟踪网法宇航中心提供3、各种精密定轨跟踪系统的综合分析图3-4. 25个IGS测站分布网图 3、各种精密定轨跟踪系统的综合分析3、各种精密定轨跟踪系统的综合分析在以上多种定轨技术中，可以利用GPS相位、SLR和DORIS数据用来确定轨道。激光数据虽然精度高，但是限制于非多云天气和测距器的可行性，并且全球网络较少，目前把激光数据主要用于验证。由于GPS相位和DORIS系统能够获得所有天气的覆盖范围，提供了定轨中必备的时间和地理覆盖范围，补充了激光跟踪的空间和时间分布的绝对精度。

20、GPS与SLR联合、DORIS与SLR联合跟踪技术提供了接近连续的地面和时间高精度跟踪数据，是最近几年来所有高度计卫星的所有选择。3、各种精密定轨跟踪系统的综合分析国内天文系统参加了国际激光测轨组织，并且国内上海、北京、长春、南京和武汉等有激光测距站，测距精度最高可达3厘米，方案在昆明、拉萨、成都等地建立激光测距站，组成国内激光测距网，而且上海天文台作为我国的对外出口参加了全球激光测距跟踪网，参与国际激光定轨工作。科学院空间中心为配合神州飞船的高度计的测高试验开展了利用GPS进行2米精度的定轨研究和试验工作，已经在神舟四号飞船上进行试验。4、各种定轨算法的综合比较几何法定轨运动学方法动力法简化

21、的动力学方法 几何法定轨仅仅利用地面跟踪系统获得的跟踪数据根据根本的几何关系获得卫星的轨道。对低轨卫星而言，地球引力摄动仍然起主要作用；除此之外，还有大气阻力，太阳光压的影响对低轨卫星的影响也很大，如果建立的模型不客观，将给精密定轨带来很大的困难。因此，纯粹的几何法定轨是有它的积极意义的。根据几何法定轨的原理我们知道它所确定的轨道是一组离散的卫星状态，如果要想获得连续的轨道就必须采用适宜的内插算法；由于几何法定轨没有利用卫星的动力学信息，当我们需要对轨道进行预报时可以想象，其外推精度是很差的。在现在的高精度定轨中，根本不采用这种方法了。 4、各种定轨算法的综合比较 在运动学法中，去除了估计过程

22、中由动力约束引起的轨道平滑。连同卫星状态和表示每次测量历元的三个力修正的过程噪声矢量，在Kalman滤波估计理论中可以应用这种方法，通过提高过程噪声几乎完全能够削减动力模型效应。对于700km高度EOS卫星，给定将近一天弧段数据，模拟结果径向精度可达3cmYunck，1996。 因此运动法确定轨道实际上是根据潜在的动力方程，避开了动力模型误差。这种方法几乎完全依赖于观测数据的精度和观测量几何强度也就是低轨卫星和地面获得跟踪数据。直到最近，由于星载接收机的限制和地面接收机的缺乏使得这些测量要求遇到严重的问题。4、各种定轨算法的综合比较动力学精密定轨方法利用一个迭代的最小二乘拟合过程，该过程通过平

23、差将所选的模型参数和模型预测的卫星位置与速度拟合到轨道弧段的跟踪数据上。这种最小二乘平差方法可以获得新的初始卫星状态向量，改正平差前初始状态向量和力模型带来的大局部误差。对在轨卫星而言，大气阻力和辐射压都是通过相对简单的公式，采取引入参数的方法来进行近似，采用较简单公式同时还可以在定轨过程中对每个弧段都可以对模型参数进行平差。由于阻力系数和反射系数存在很大的不确定性，而且卫星高度处的大气密度和卫星的横截面面积并不是知道得很清楚，因此，对这些力作更复杂的精确建模十分困难。也正为如此，在定轨中，由大气阻力和辐射压力模型不确定性误差引起的轨道误差依赖于跟踪数据的密度、观测质量以及这些耦合系数的更新频

24、率。4、各种定轨算法的综合比较 简化动力学定轨与动力学定轨相比， 并不是力模型的简化，而是定轨过程中动力学特性的缩减。将没有建模或模型不准确的加速度当作为平稳的随机过程，以此来解释观测的卫星轨道与预计的卫星轨道之间的偏离 差异如下 (ENVISAT为例) ：动力学：每天一组经验力参数(互不相关)简化动力学：每小时一组经验力参数相关性 Gauss-Markov4、各种定轨算法的综合比较5、世界上主要的定轨软件及定轨精度 美国NASA喷气动力实验室GIPSYOASIS软件 美国萨斯大学空间研究中心开发的UTOPIA软件 NASA戈达德空间飞行中心开发的GEODYN软件 德国波茨坦地学研究中心开发的

25、EPOS软件。5、世界上主要的定轨软件及定轨精度总装第二十六基地研制的“西安卫星测控中心并行高精度轨道计算系统PASAX的精密定轨的软件。定轨结果已经得到了5cm的结果。 武汉大学在GFZ的EPOS软件的根底上，在原有自主开发的PANDA软件上增加了双频GPS观测资料进行精密定轨的能力，可以实现cm级的能力。上海天文台、紫金山天文台和武汉测地所也都有自己的精密定轨处理软件，这些都是HY-2卫星的技术支撑。国家卫星海洋应用中心经过3年来的预研利用UTOPY软件开发了SOASO软件，已经具备了利用DORIS结合激光的精密定轨能力，定轨能力到达cm量级以内。6、精密定轨的主要流程HY-2卫星精密定轨

26、方法结构关系图 动力学方法定轨非动力学定轨综合精密定轨数据融合简化力学模型数据处理方法数据预处理误差源分析观测数据数值积分方法观测数据处理摄动分析姿态形态分析统计分析同类卫星比较质量评估标准、方法定轨结果分析真实轨道计算轨道观测值O计算值C地面跟踪站卫星轨道估值方法6、精密定轨的主要流程7、HY-2卫星的方案选择针对HY-2卫星的测高要求、国内外的技术状态和精密定轨的流程等结合工程的可实现性综合考虑，HY-2的精密定轨方案是： 针对GPS、SLR和DORIS跟踪技术的精度及覆盖密集程度，HY-2卫星精密定轨拟采用两种定轨方案，一是利用GPS和SLR精密定轨技术综合定轨，以GPS技术为主要定轨技

27、术，以SLR作为检验标准；另一个是利用DORIS和SLR定轨技术综合定轨，以DORIS技术为主要定轨技术，SLR技术为检验标准。 利用DORIS 和SLR跟踪手段精密定轨，同时采用动力学和简化动力学法进行精密定轨；利用GPS跟踪手段采用简化动力法进行定轨。测高要求国外定轨途径定轨方法比较定轨软件比较 GPS定轨方案：1载波相位观测值的差分方案 载波相位差分技术是建立在处理两个测点的载波相位根底上，用户接收到GPS卫星载波相位与来自参考站的载波相位组成相位差分观测值进行实时处理，获取定位数据。载波相位观测值的精度高至毫米，要到达精密的定位也只能采用相位观测值。 差分GPS精密定轨系统组成为：星载

28、双频载波相位GPS接收机及软件、GPS跟踪地面站网络、数据处理软件系统7、HY-2卫星的方案选择 GPS定轨方案：2载波相位观测值的非差分方案 利用非差观测值对LEO卫星定轨的优点是数据利用率高，可实现全弧段跟踪。另一个最大优点是不必需要地面设置基准站，保存了所有观测信息；能直接确定轨道坐标；不同地面测站的观测值不相关，测站与测站之间无距离限制等优点。因此，GPS非差定轨方法作为HY-2卫星精密定轨的主要方法。 非差分GPS精密定轨系统组成为：星载双频载波相位GPS接收机及软件、数据处理软件系统7、HY-2卫星的方案选择 GPS定轨方案：3GPS接收机方案 在GPS观测量中包含了卫星和接收机的

29、钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星播送星历误差的影响，在进行相对定位时大局部公共误差被抵消或削弱，定位精度将大大提高，载波相位观测值的精度可以到达毫米，而且双频接收机又可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要局部，在精度要求高，接收机间距离较远时大气有明显差异，应选用双频载波相位接收机。7、HY-2卫星的方案选择 GPS定轨方案：4数据处理 依据GPS观测模型、误差处理技术和算法等观测数据处理方法和软件，进行GPS观测数据的处理，给出精密轨道数据。虽然非差定轨与双差定轨相比，GPS观测值模型更复杂，而且必须利用模型估计的方法消除误差的影响。另外估计的参数也

30、远比双差模型的多，并且受误差残差的影响，整周模糊度确实定问题也更加复杂。但保守力、非保守力、误差源等还是根本相同的。7、HY-2卫星的方案选择SLR精密定轨系统方案：1星载反射镜阵列 星载反射镜阵列是由装在星上镜片组成，在技术上不存在任何难度。上海天文台、武汉大学都已经具备了根底。7、HY-2卫星的方案选择SLR精密定轨系统方案：2地面跟踪站 地面跟踪站由激光跟踪仪器组成，用预测量卫星的高度。激光跟踪仪器和卫星地面站国内的技术已经很成熟，而且有多家天文台有现成的设备，可供HY-2卫星精密定轨使用。国际激光网地面站的合作途径是畅通的，只要能够及时给激光网提供HY-2卫星过境时间，针对HY-2卫星是一颗民用卫星，可以提供卫星过站的预报时间。7、HY-2卫星的方案选择SLR精密定轨系统方案续：3数据处理 对SLR观测值还应考虑地面站地壳形变引起的位移， 地壳形变包括潮汐和板块运动影响，其采用的模型与GPS所用的一致，进行数据处理。可以从全球激光网的IGS及时得到地面的激光站跟踪数据和GPS卫星精密星历。7、HY-2卫星的方案选择D