完整版,衛(wèi)星測高技術及其應用

1、衛(wèi)星測高技術及應用課程回憶衛(wèi)星測高技術開展及應用概述 21衛(wèi)星測高任務概況22、衛(wèi)星測高任務中搭載輻射計的主要目的 23、雙頻雷達高度計 24、衛(wèi)星測高任務中使用的主要 25、一般衛(wèi)星測高任務中需要搭載哪些根本儀器設備,各主要目的是什么26、傳統(tǒng)的指向星下點的雷達高度計的主要缺乏可能存在哪些技術改進 37、GNSS測高的工作方式優(yōu)缺點 38、Ka波段測高優(yōu)缺點 39、衛(wèi)星測高技術應用概況 310、根本概念3衛(wèi)星雷達高度計觀測根本原理 31、衛(wèi)星測高的根本原理 32、衛(wèi)星測高兩種根本方式的特點 33、當前測高任務主要使用哪些頻段,各頻段有何有點和缺乏 44、高度計測風根本原理 45、有哪些主要遙

2、感方式進行海面風速觀測 46、衛(wèi)星雷達高度計的觀測信息包括哪些精度如何 4衛(wèi)星高度計觀測誤差52、根本概念：53、影響測高衛(wèi)星軌道誤差的主要因素 5衛(wèi)星測高波形理論與處理方法 51、測高回波形成原理與過程 52、布朗模型的根本假設 53、測高波形模型公式的根本意義 64、圖形的幾何物理意義 6衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理61、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)有哪些根本等級 62、地球物理產(chǎn)品有哪些分類和特點 63、測高數(shù)據(jù)編輯的目的 64、為什么進行多測高數(shù)據(jù)處理時要進行基準統(tǒng)一65、共線法的根本思想是什么 66、交叉點平差的主要目的 77、交叉點計算的主要步驟 7衛(wèi)星測高反演海洋重力場理論 71、斯托克斯公式：由的重力異常

3、A g計算大地水準面高 N72、逆斯托克斯公式： 由的大地水準面 N計算重力異常A g73、測高剖面計算垂線偏差 74、Molodensky公式計算高程異常：垂線偏差計算大地水準面 76、 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)計算海洋大地水準面的主要步驟 7衛(wèi)星測高技術的其它應用 7衛(wèi)星測高技術開展及應用概述1衛(wèi)星測高任務概況1） SKYLAB :最早搭載有高度計的衛(wèi)星 -高度計S193 第一次得到因海底特征引起的海洋大地水準面觀測值 奠定了衛(wèi)星測高學的技術根底2） GEOS3 :地球動力學實驗海洋衛(wèi)星 第一顆專門用于測高的海洋地形衛(wèi)星3） SEASAT :海洋衛(wèi)星 持續(xù)時間99天SEASAT首次提供了全球范圍的海洋

4、環(huán)流、波浪和風速4） GEOSAT大地測量衛(wèi)星 卜GFOGEOSAT后續(xù)衛(wèi)星 為美國海軍測量海洋大地水準面GEOSAT :首次提供了具有重復性、高分辨率、長期性高質(zhì) 量的全球海面高數(shù)據(jù)集,標志衛(wèi)星測高技術進入了成熟階段 5 ERS1/2 歐洲遙感衛(wèi)星、ENVISAT 環(huán)境衛(wèi)星 ERS1采用PRARE :用來精確確定衛(wèi)星位置失敗 6 T/P、JASON1/2T/P衛(wèi)星觀測精度是同期測高衛(wèi)星中最高的兩類衛(wèi)星系列各自的主要特征海洋綜合環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星、海洋地形觀測衛(wèi)星2、衛(wèi)星測高任務中搭載輻射計的主要目的ERS1/2、ENVISAT : MWS 23.8GHz 和 36.5GHzT/P: TMR18,

5、21 、37 GHzJASON1 : JMR 18.7GHz、23.8GHz 和 34.0GHzJASON2 : AMR 18, 21 和 37GHz 作用：對流層水汽改正、風速反演、地表監(jiān)測 3、雙頻雷達高度計ERS1:單頻,Ku 波段,13.8GHzT/P: NRA雙頻 Ku： 13.575, C: 5.3, SSALT單頻 13.65JASON1 ： Poseidon2 雙頻 Ku： 13.575, C: 5.3ENVISAT :雙頻：Ku： 13.575, S: 3.2JASON2 ： Poseidon3 13.6GHz 和 5.3GHz使用雙頻有何目的意義雙頻電離層改正、估計降雨4、

6、衛(wèi)星測高任務中使用的主要 定軌方式LRR、DORIS、PRARE、GPSDoppler Orbit and Radio Positioning Integrated by Satellite Precise Range and Range-Rate Equipment5、一般衛(wèi)星測高任務中需要搭載哪些根本儀器設備,各主要目的是什么? 微波輻射計、雷達高度計、定位系統(tǒng)6、傳統(tǒng)的指向星下點的雷達高度計的主要缺乏可能存在哪些技術改進缺乏：1確定深海中尺度現(xiàn)象受到制約；2覆蓋有限；3空間分辨率改進：1改變測高頻率Ka波段測高2改變測高方式 干預/雷達測高3利用其他信號GPS7、GNSS測高的工作方式優(yōu)

7、缺點工作方式：星載GNSS接收機接收GNSS星座衛(wèi)星向下發(fā)射并經(jīng)海面反射的信號,通過測量兩個信號的時間延遲,就可以計算海面高度優(yōu)點：本錢低、數(shù)據(jù)獲取量大、覆蓋范圍廣缺點：精度低8、Ka波段測高優(yōu)缺點1電離層衰減延遲：根本上可以忽略,因此不需要使用雙頻高度計.2脈沖重復頻率高：ka波段對海面回波地解相關時間要短,有可能增加每秒的獨立回波量3帶寬大：可以提供更高的垂直分辨率4更好描述海面粗糙度5穿透性較弱.冰雪面上雷達信號滲透低6 Ka波段能更好的對冰、雨、近海地帶、陸地物質(zhì)例如森林和波高進行觀測.缺點：對流層中的水或水蒸氣的衰減大,尤其在熱帶地區(qū).電磁波受對流層中的水汽延遲響較大 干預/雷達高度

8、計工作方式波束有限和脈沖有限方式,主要采用脈沖有限方式9、衛(wèi)星測高技術應用概況大地測量學、地球物理學、海洋學、氣候、水文學、冰川學10、根本概念1海面高度 2平均海面、平均海面高3海面地形SST、絕對動力地形ADT、平均動力地形MDT4海面異常SLA、SSHA 5衛(wèi)星指向角、衛(wèi)星指向角誤差6波形重跟蹤未講7有效波高8海況偏差電磁偏差、傾斜偏差9逆氣壓改正10入射角衛(wèi)星雷達高度計觀測根本原理1、衛(wèi)星測高的根本原理見?空間大地測量學?P1882、衛(wèi)星測高兩種根本方式的特點脈沖寬度有限方式、波束寬度有限方式.與重力異常所要求的10公里的水平分辨率是密切相關對于海面高度測量值而言, 要求天線波束相對較

9、寬,以至于足跡大到足以過濾海面波浪的作用,從而獲取平均海面測量值.同時,足跡也應該足夠小,小到可以得到有實際意義的海面測量值3、當前測高任務主要使用哪些頻段,各頻段有何有點和缺乏ERS1:單頻,Ku 波段,13.8GHzT/P: NRA雙頻 Ku : 13.575, C: 5.3, SSALT單頻 13.65JASON1 ： Poseidon2 雙頻 Ku： 13.575, C: 5.3ENVISAT :雙頻：Ku : 13.575, S: 3.2JASON2 ： Poseidon3 13.6GHz 和 5.3GHz1受到國際有關機構的治理和協(xié)調(diào),使用頻段有限.衛(wèi)星的任務目的不同,使用頻率不同

10、2與天線、發(fā)射功率有關技術上的原因.即航空器天線尺寸設計的限制決定了對衛(wèi)星測 高有用的頻率非常有限.3在海面,電磁輻射中的灰體輻射非常微弱,而在這些頻率段內(nèi),海水的反射率卻非常高,因此,很容易區(qū)別雷達的反射和海水的自然輻射.4當頻率大于18GHz時,大氣衰減急劇增加, 使得到達海面并反射回到高度計的傳播信號 功率減?。?當頻率小于2GHz時,受到地面通信、導航及雷達等民用、軍用電磁輻射的干擾各頻段的優(yōu)點和缺乏Ku波段13.6GHz : Ku波段是目前衛(wèi)星測高使用最多的頻段,T/P, JASON-1,ENVISAT, ERS等衛(wèi)星高度計均使用了 Ku波段.首先,該波段在技術上可行,這與發(fā)射功率有

11、關,其次, 由于國際上對各波段的使用有相關規(guī)定和治理,此外,該波段對大氣包括電離層擾動敏 感.C波段5.3 GHz:通常認為C波段對電離層擾動的靈敏度高于Ku波段,但對大氣液態(tài)水的靈敏性弱.使用 C波段的主要作用是與 Ku波段觀測值聯(lián)合使用,用來改正電離層的延遲.S波段3.2 GHz:與C波段類似,S波段也經(jīng)常與 Ku波段聯(lián)合使用.4、高度計測風根本原理當入射角很小時,海面對微波信號的反射主要屬于鏡面反射,如果海面光滑,那么返回到高度計的信號就越多,也就意味著規(guī)格化雷達目標有效截面也就越大；如果海面粗糙,微波信號就會向各個方向反射,許多信號都不可能返回到雷達高度計,從而NRCS也就相對較小.因

12、此,高度計的 NRCS可以由海面粗糙度來確定,海面越粗糙,那么 NRCS越小.所以, 可以認為 NRCS是海面高和傾斜的函數(shù),這個函數(shù)的主要參數(shù)就是海面均方斜率meansquare slope： MSS,而MSS主要由短尺度風浪確定.一般情況下,風浪主要由海面風生, 因此,盡管不是直接的,NRCS還是通過風浪與海面風速存在聯(lián)系.5、有哪些主要遙感方式進行海面風速觀測微波高度計、微波散射計、微波輻射計、合成孔徑雷達 SAR6、衛(wèi)星雷達高度計的觀測信息包括哪些精度如何衛(wèi)星高度計觀測誤差1、高度計觀測誤差概況星載儀器誤差：跟蹤器偏差、波形采樣增益校正偏差、天線增益模式AGC衰減多普勒頻移、距離加速度

13、、震蕩頻率漂移、天線指向誤差大氣折射改正：對流層改正、電離層改正海況偏差：電磁偏差、傾斜偏差外部地球物理改正：大地水準面高、海洋潮汐高、大氣壓負載衛(wèi)星高度計觀測誤差2、根本概念：指向角或指向角誤差、入射角、海況偏差電磁偏差、傾斜偏差、逆氣壓改正3、影響測高衛(wèi)星軌道誤差的主要因素地球重力場、大氣、 光壓以及跟蹤站坐標誤差,且其主要影響都具有長波性質(zhì),其中影響最 大的是重力場模型誤差衛(wèi)星測高波形理論與處理方法1、測高回波形成原理與過程0<t<t0時：雷達高度計按球形脈沖向海面?zhèn)鞑=t0時：在這一瞬間,當入射脈沖接觸海面時,它照明海面呈現(xiàn)出一個亮點,同時,反射信號開始反射回衛(wèi)星to&l

14、t;t<ti時：亮點變成圓盤的中央,其面積也增加t=ti時：脈沖后緣到達海面,照明圓盤即變成為一個圓環(huán),圓環(huán)半徑繼續(xù)增大,同時圓環(huán)保持面積大小不變,這種狀況一直持續(xù)到圓環(huán)的外沿增加到雷達波束的邊緣? 衛(wèi)星接收機接收到的返回功率正比于照明的海面面積.? 回波功率在從t0到t1期間增加很快,一直持續(xù)到脈沖后緣到達海面的時刻t1,這之后,功率保持為常數(shù).? 事實上,在t1時刻,由于高度計天線模式的作用,非星下點散射的減弱,功率就開始衰減.2、布朗模型的根本假設1:散射面是由足夠多的隨機獨立的散射單元組成2:在整個平均回波構成的過程中,整個雷達照明面積內(nèi)的面高度統(tǒng)計可以假設成是恒定的3:散射是一

15、個純量(無向量)過程,沒有極化影響,并且與頻率無關4:散射過程隨入射角(相對于垂直于海面)的變化取決于每單位散射面的后向散射界面和天線模式5:由于雷達與照明面積內(nèi)任何散射元之間的徑向速度引起的總的多普勒頻率展開小于傳播 脈沖包絡的頻率展開3、測高波形模型公式的根本意義W(t) PFS (t) qs(t) Sr(t)P表示平坦外表點目標相應；q表示海面反射點高度的概率密度函數(shù)；S為雷達系統(tǒng)點目標相應.4、圖形的幾何物理意義從Off-nadir angle (指向角)分析,衛(wèi)星指向角越小,海面反射的功率越大.從海面有效波高(SWH)高度計雷達回波前緣斜率受到星下點處海面狀況的影像比較嚴重,也就是說

16、,與海面有效波高及海面風速關系很大.衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理1、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)有哪些根本等級 等級：零級產(chǎn)品一Level 0,這是原始數(shù)據(jù),直接從儀器上獲取的數(shù)據(jù)；一級產(chǎn)品一Level 1 ,這是用一定的算法,將 Level 0產(chǎn)品轉(zhuǎn)換成工程單位的產(chǎn)品,其中的波形采樣按18Hz (20Hz)的數(shù)據(jù)率平均；二級產(chǎn)品一Level 2 ,這就是地球物理數(shù)據(jù),用重新跟蹤(Retracking)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地球物理學單位.Level 2產(chǎn)品主要包括時間、地理位置、重新跟蹤輸出結果(距離、風速、有效波高等)、1Hz (包含一些18Hz)參數(shù)(如距離、軌道高度).2、地球物理產(chǎn)品有哪些分類和特點FDGDR產(chǎn)品即快速發(fā)

17、布的 GDR(Fast Delivery GDR), 一般在三小時之內(nèi)發(fā)布,主要用來進 行天氣預報、實時海況和海洋環(huán)流的應用.IGDR即中間臨時的 GDR產(chǎn)品(Interim GDR),在約三天后發(fā)布,主要用來對海洋環(huán)流的監(jiān) 測和預報應用,這比 FDGDR精度要高,但時間稍長(3天).GDR和SGDR是最終產(chǎn)品,約 3050天內(nèi)發(fā)布,包含了精密的儀器改正和軌道改正.而 SGDR就是傳感器數(shù)據(jù),它包含有GDR數(shù)據(jù)在內(nèi),只是在 GDR數(shù)據(jù)的后面增加了波形數(shù)據(jù).3、測高數(shù)據(jù)編輯的目的為了提升觀測精度,需要剔除精度低、質(zhì)量差地觀測信息,其中重要一環(huán)就是根據(jù)一定數(shù)據(jù) 刪除準那么刪除數(shù)據(jù),提取高精度信息.

18、4、為什么進行多測高數(shù)據(jù)處理時要進行基準統(tǒng)一采用橢球參數(shù)不同,重力位模型不同,必須通過轉(zhuǎn)換到同一的參考框架下才能進行聯(lián)合處理.5、共線法的根本思想是什么根據(jù)具有重復周期衛(wèi)星測高任務特點而設計的一種消除衛(wèi)星軌道誤差并確定平均海面及其變化的方法.參見?衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)? p20?空間大地測量?p2076、交叉點平差的主要目的交叉點不符值海面高的差值SSH是衛(wèi)星徑向軌道誤差觀測值中的典型反響,通過求取交叉點并進行交叉點平差的方法,可以削弱衛(wèi)星徑向軌道誤差、海面時變殘差所引起的誤差以及系統(tǒng)誤差等對測高數(shù)據(jù)的影響.7、交叉點計算的主要步驟見?衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)?或?空間大地測量?衛(wèi)星測高反演海洋重力場理論1、斯托克斯公式：由的重力異常Ag計算大地水準面高 N2、逆斯托克斯公式：由的大地水準面 N計算重力異常A g3、測高剖面計算垂線偏差4、Molodensky公式計算高程異常：垂線偏差計算大地水準面以上參見?物理大地測量學?都是比較重要的公式！6、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)計算海洋大地水準面的主要步驟1、測