衛(wèi)星測高技術(shù)的原理及應用

衛(wèi)星測高技術(shù)的原理及應用摘要：衛(wèi)星測高技術(shù)是空間大地測量中的一個關(guān)鍵的新技術(shù)，自其產(chǎn)生以來，得到了迅速的發(fā)展，并在大地測量學、地球物理學、海洋學中得到了廣泛應用。本文主要介紹了衛(wèi)星測高技術(shù)的產(chǎn)生、原理和應用，并在最后對自己的學習收獲進行了簡單的總結(jié)。1引言衛(wèi)星測高的概念是在1969年Williamstown召開的固體地球和海洋物理大會上由美國著名大地測量學者考拉首次提出的。它以衛(wèi)星為載體，借助空間、電子和微波、激光等高新技術(shù)來量測全球海面高。20世紀80年代以來，計算機技術(shù)和空間技術(shù)高速發(fā)展，地球科學在宏觀和微觀的研究上進入了一個迅速發(fā)展和深入探索的時期。在此期間，地球科學各分支學科出現(xiàn)了大量新的學科生長點，提出了許多新學科、新概念、新技術(shù)。衛(wèi)星測高學在這種形勢下隨著衛(wèi)星遙感遙測技術(shù)的應用發(fā)展起來，它利用衛(wèi)星上裝載的微波雷達測高儀，輻射計和合成孔徑雷達等儀器，實時測量衛(wèi)星到海面的距離、有效波高和后向散射系數(shù)，并通過數(shù)據(jù)處理和分析，來研究大地測量學、地球物理學和海洋學方面的問題。自1969年考拉提出衛(wèi)星測高構(gòu)想，1970年美國宇航局（NASA）發(fā)射天空實驗室衛(wèi)星（Skylab）進行首次衛(wèi)星雷達海洋測高實驗以來，30多年間國際上先后陸續(xù)發(fā)射了多代測高衛(wèi)星，主要有:美國NASA等部門發(fā)射的地球衛(wèi)星GeosO3（1975年），海洋衛(wèi)星Seasat（1978年），大地測量衛(wèi)星Geosat（1985年）；歐洲空間局（ESA）發(fā)射的遙感衛(wèi)星ERSO1（1991年）和ERSO2（1995年）；NASA和法國空間局（CNES）合作發(fā)射的海面地形實驗/海神衛(wèi)星Topex/Poseidon（T/P， 1992年）。衛(wèi)星遙感技術(shù)經(jīng)歷了改進和完善的過程，技術(shù)和性能已趨成熟，測高精度已提高了三個數(shù)量級。衛(wèi)星測高技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其技術(shù)和性能日趨成熟，測高精度、分辨率有了很大的提升，應用范圍也擴展到全球區(qū)域的覆蓋。它可以在全球范圍內(nèi)全天候地多次重復、準確地提供海洋、冰面等表面高度的觀測值，改變了人類對地球特別是海洋的認識和觀測方式，使我們有能力并且系統(tǒng)地進行與之有關(guān)的各種研究。目前，衛(wèi)星測高已成為全球氣候觀測系統(tǒng)GCOS和全球大地測量觀測系統(tǒng)GGOS的一個重要組成部分。衛(wèi)星測高的基本原理衛(wèi)星測高儀是一種星載的微波雷達，它通常由發(fā)射機、接收機、時間系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。衛(wèi)星測高技術(shù)就是利用這種測高儀來實現(xiàn)其功能。它的基本原理是：利用星載微波雷達測高儀，通過測定微波從衛(wèi)星到地球海洋表面再反射回來所經(jīng)過的時間來確定衛(wèi)星至海面星下點的高度，根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道和各種改正來確定某種穩(wěn)態(tài)意義上或一定時間尺度平均意義上的海面相對于一個參考橢球的大地高或海洋大地水準面高。衛(wèi)星作為一個運動平臺，其上的雷達測距儀沿垂線方向向地面發(fā)射微波脈沖，并接受從地面（海面）反射回來的信號衛(wèi)星上的計時系統(tǒng)同時記錄雷達信號往返傳播時間At已知光速值c,則雷達天線相位中心到瞬時海面的垂直距離ha為：. Ath=cx-a2衛(wèi)星發(fā)射雷達波束到達海面的波跡半徑約為3?5公里。因此，測高儀測得的距離ha相當于衛(wèi)星天線相位中心到這個半徑為3?5公里圓形面積內(nèi)海面的平均距離。衛(wèi)星測高的基本觀測方程為：rr=r-r+(l--p)e4sin22申一(N+8h+8h)

p8r is式中，e為橢球第一偏心率；h為衛(wèi)星相對瞬時海面的高度；r為衛(wèi)星的地心距（由a衛(wèi)星的位置取得）；r為衛(wèi)星星下點（衛(wèi)星在平均地球橢球面的投影點）P的地心距；8h為pi瞬時海面和似靜海面之間的差距；8h為似靜海面至大地水準面間的差距；9為地理緯度;sN為大地水準面高；其相對關(guān)系如圖1所示。

/VzV.赤逍7(3()/VzV.赤逍7(3()｛地心圖1衛(wèi)星測高幾何原理圖由于測高衛(wèi)星在運行和工作過程中時刻受著各種客觀因素的影響，其觀測值不可避免的存在誤差，因此要使用觀測值，必須先對其進行相應的各種地球物理改正以消除誤差源的影響。這些改正包括儀器校正、海面狀況改正、電離層效應改正以及周期性海面影響改正等。只有經(jīng)過改正之后的ha才有意義。衛(wèi)星至所選定的平均橢球面之間的距離(即大地高)h可以根據(jù)衛(wèi)星的精密軌道數(shù)據(jù)得出,當精確求得ha后可確定海面高h0：ha=h-h0衛(wèi)星測高的誤差來源及改正由于測高儀發(fā)射的脈沖信號在經(jīng)過海洋表面反射返回接收機之前,受到多種因素的影響,根據(jù)誤差來源不同,將誤差分為三類,即衛(wèi)星軌道誤差、環(huán)境誤差、儀器誤差。3.1衛(wèi)星軌道誤差引起軌道誤差的主要誤差源可以分為四類：地球重力場模型、大氣傳播延遲、光壓、跟蹤站坐標誤差。重力場模型對于真實的地球外空間的測高衛(wèi)星，由于所有的星體都并非均勻密度分布的球體，通常為扁球體加上各種形變，由此產(chǎn)生的引力位將不同于球形引力位。為了精確地確定重力對衛(wèi)星軌道的影響，需要用一個很高階次的球諧展開函數(shù)來描述攝動的周期性特征。大氣傳播延遲軌道高度處的大氣影響是用空氣密度的經(jīng)驗公式與已知的衛(wèi)星形狀和定向來計算的，這與實際的大氣影響有差異。光壓當衛(wèi)星受到太陽照射，則衛(wèi)星表面吸收或者反射光子從而產(chǎn)生一個微小作用力，與其他的非保守力攝動不同，這個力稱為太陽輻射壓力，是由衛(wèi)星的質(zhì)量和其表面積決定的。由于地球受到太陽輻射，除了自身吸收一部分熱量外，地面或海洋面將反射一部分太陽能量返回太空，同時由于地球自身的熱輻射，衛(wèi)星將受到地球光輻射壓力（來自太陽的反射）和紅外輻射壓力。跟蹤站坐標誤差不能準確確定跟蹤站相對于地球中心的位置是這種誤差最主要來源。SLR可以準確確定跟蹤站坐標相對于地球中心的位置。此外，衛(wèi)星軌道誤差還受固體潮汐、海洋潮汐等因素的影響。3.2環(huán)境誤差電磁偏差雷達測高儀量測的是衛(wèi)星至海面的距離，這個值是相對于反射海面的平均值。由于海面波谷反射脈沖的能力優(yōu)于波峰，造成回波功率的重心偏離于平均海面而趨向于波谷，此偏移稱之為電磁偏差或海況偏差。這種改正是由于平均海面與平均散射面之間存在高度差產(chǎn)生的。電離層折射誤差當測高衛(wèi)星信號穿過電離層時，會產(chǎn)生折射效應，其結(jié)果對傳播信號產(chǎn)生時延。電離層的折射率與大氣電子密度成正比，與通過的電磁波頻率平方成反比。電離層的電子密度隨太陽及其它天體的輻射強度、季節(jié)、時間以及地理位置等因素的變化而變化，其中太陽黑子活動強度的強弱對其影響最大。電離層改正可用雙頻微波儀器直間量測得到。T/P衛(wèi)星采用雙頻微波進行電離層改正。對流層影響電波信號通過大氣層時，由于大氣折射率的變化，傳播路徑會產(chǎn)生彎曲。由于對流層中的物質(zhì)分布在時間和空間上具有較大的隨機性，因而使得對流層折射延遲亦具有較大的隨機性。通常將對流層折射影響分為由干燥汽體和水蒸汽產(chǎn)生的影響共同組成的。逆氣壓改正大氣壓的變化將引起海面變化，而且是逆壓的，即氣壓增高，海面降低，反之亦然。它們之間的關(guān)系假設(shè)為:海面上的氣壓變化為ImPa時，海面高的變化為1cm。3.3儀器誤差跟蹤系統(tǒng)偏差這種誤差是由回波信號波形中離散采樣點的校準偏差引起的。這種回波信號波形使用機載跟蹤算法，該算法假設(shè)測高儀的高度（勻速）成線形變化。而實際情況并非如此，當測高儀的高度有一個加速度時，如測高儀經(jīng)過一個窄的海溝上空時，必須補償一個相應的高度誤差。波形樣本放大校準偏差由接收信號的放大程度是隨著監(jiān)視表面的剖面變化而變化引起的。一種自動放大控制器用于信號衰減校正，但回波信號強度的快速變化將使得跟蹤脈沖的上升邊位置的回路產(chǎn)生錯誤，從而導致了這一校正誤差。平均脈沖形狀的不確定性與時間標志偏差用于計算平均回波的脈沖是隨機變化的，且不確定的，返回脈沖形狀的偏差就是因此而產(chǎn)生的。平均后所剩的殘差導致的量測產(chǎn)生噪聲微波儀部件的老化導致的測量誤差長期的鐘漂也將導致的測量誤差鐘漂可以將測高儀上的鐘同一些參考鐘比較得到。由于儀器老化而導致的高度測量偏差可利用測高儀內(nèi)部校正模式采取補差。此外，儀器偏差還包括定點誤差天線采集模式偏差等。3.4衛(wèi)星測高誤差改正公式由上所述，衛(wèi)星測高觀測值客觀上受著眾多因素的影響，必須對其進行改正，才能實際中得到應用。綜合上述各項誤差的影響，精確的海面高計算公式為：h=h-(h+Ah+Ah+Ah+Ah +Ah+￡)0asgiaEMbiast其中，h為衛(wèi)星質(zhì)心到參考橢球面的距離，ha為衛(wèi)星相對瞬時海面的高度，h0為計算的海面高，Ahg為質(zhì)心改正，Ah為儀器改正，Ah為大氣傳播改正，包括電離層延sg i a遲改正和對流層延遲改正，AhEMbias為電磁偏差改正，Aht為潮汐改正，包括固體潮和海洋潮汐，e為殘余的誤差。衛(wèi)星測高技術(shù)的應用4.1大地測量學確定地球形狀及其外部重力場是大地測量學的基本任務之一。海洋占地球表面積的71%，全球重力場的確定在很大程度上取決了海洋重力場的確定。衛(wèi)星測高是確定海洋重力場精細結(jié)構(gòu)的最經(jīng)濟有效的手段。利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可確定高分辨率的大地水準面，繼而精密確定地球形狀，使其實現(xiàn)全球高程基準統(tǒng)一成為可能。利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可間接或直接確定海洋重力場的其他參考量，如重力異常、垂線偏差等，這些成果使得大地測量在實現(xiàn)其基本任務和科學目標的進程中有了突破性進展。測高數(shù)據(jù)剖面計算垂線偏差的方法根據(jù)衛(wèi)星測高觀測量計算衛(wèi)星測高交叉點處的垂線偏差，大地水準面沿升弧和降弧對時間的導數(shù)分別為：dN. dNY0申a0入a

dN.0NYe+入0ed0九d衛(wèi)星軌道近似正圓時，有：E=-e47dX=Xad可得大地水準面分別在經(jīng)度方向和緯度方向上的導數(shù)：

丄丄2X丄鄧一一一一N九N一申555-5由此，垂線偏差的子午圈分量和卯酉圈分量分別為：「匕 10nt二一 RM< 1 0N—— 、 Rcos申0九測高數(shù)據(jù)反演海洋重力異常的方法早起時候，人們忽略海面地形的影響，將測高平均海面高看作大地水準面高，利用逆Stokes公式反演重力異常。目前的計算過程趨于精細，利用波數(shù)相關(guān)濾波方法、方向敏感濾波方法等，力求排除測高數(shù)據(jù)中的各種非靜態(tài)信號和海面地形影響，以求得到比較純凈的測高大地水準面“觀測值”。再用逆Stokes公式求解重力異常隨后，最小二乘配置法也被用來計算海洋重力異常，通常用于局部海域的計算。測高數(shù)據(jù)計算海洋大地水準面的數(shù)學模型由測高數(shù)據(jù)確定大地水準面的方法有很多：如簡單求解法，即簡單地從平均海面中扣除海面地形模型的影響，從而得到大地水準面，這種方法求得地大地水準面精度較低；純幾何求解法，從衛(wèi)星測高的幾何觀測模型出發(fā)，利用海面高、大地水準面高與衛(wèi)星高（衛(wèi)星至參考橢球的距離）的幾何關(guān)系來求解大地水準面整體求解法，它是從衛(wèi)星軌道的力學模型和運動方程出發(fā)，同時求解大地水準面、穩(wěn)態(tài)海面地形和衛(wèi)星的軌道誤差。更為實用的方法是逆Stokes方法、垂線偏差法和最小二乘配置法。4.2地球物理學利用測高數(shù)據(jù)可反演海底地形構(gòu)造與深部地球物理特征。海洋大地水準面短波起伏可提供有關(guān)海底礦藏信息。海底地殼密度和海水密度的顯著反差僅反映在海洋大地水準面的短波起伏中，由濾去長波的海洋大地水準面或由顧及了潮汐和大氣壓力影響的平均海面可以檢測出海底地形。測高重力異常可以反映研究區(qū)域板塊相互作用的特點，其高頻成分可以刻畫各海盆的構(gòu)造特征。測高空間重力異常也可勾勒陸架構(gòu)造及盆地分布，反演Moho面埋深，再從均衡重力異常/大地水準面起伏推算小尺度地幔流應力場。利用地球物理方法可反演海底地球深部結(jié)構(gòu)、研究地幔對流及板塊運動等。衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可應用于研究海洋地殼構(gòu)造。高精度高分辨率重力異常在深部地質(zhì)與地球物理研究方面，利用重力異常配合海洋地球物理數(shù)據(jù)資料，如地震體波、面波成像，及磁力異常的綜合解釋等，通過調(diào)和系數(shù)法來研究地殼與巖石圈的厚度與撓曲。4.3海洋學衛(wèi)星測高在海洋學中的應用主要包括：海洋自身的研究和氣候與海洋運動的相互影響。大洋環(huán)流由海水的水平壓力梯度所引起，表現(xiàn)為海平面高相對于大地水準面的傾斜和起伏。穩(wěn)態(tài)海面地形形成地轉(zhuǎn)流，決定穩(wěn)態(tài)平均洋流。由衛(wèi)星測高能確定海面地形，這對于研究海洋環(huán)流特別有用。利用測高數(shù)據(jù)建立海潮模型是衛(wèi)星測高的另一重要應用。4.4全球環(huán)境變化與監(jiān)測利用衛(wèi)星測高可進行海面波浪分析和預報，還可反演估計海面風速場。衛(wèi)星測高已成為監(jiān)測全球海洋海況的重要技術(shù)。衛(wèi)星測高技術(shù)可以用來監(jiān)測海平面變化，也可以用來測定冰面高改變和冰蓋質(zhì)量均衡。衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可以研究大氣效應、海洋氣象學以及海洋的環(huán)境特征對氣候的影響及其相互作用。衛(wèi)星測高是監(jiān)測海洋動力現(xiàn)象的一種極為重要的工具，同時也是海氣模型預測中非常重要的數(shù)據(jù)源，可為全球性災害的海洋現(xiàn)象，例如厄爾尼諾、拉尼娜、北大西洋濤動或太平洋十年濤動等預報提供分析依據(jù)。個人學習總結(jié)衛(wèi)星測高技術(shù)是空間大地測量學中正在快速發(fā)展的一種新技術(shù)，它以空間測繪、電子、激光等技術(shù)