高度计测高原理
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从二十世纪七十年代至今，卫星高度计已经积累了时 间跨度达三十多年的全球海洋卫星观测数据。
Satellite Oceanic Remote Sensing
7
9.1 高度计测高回顾
1973年 天空实验室Skylab
Satellite Oceanic Remote Sensing
8
9.1 高度计测高回顾
共线平差：它与交叠平差类似，只不过平差对象是共线轨迹 上正常点之间的不符值。
Satellite Oceanic Remote Sensing
25
9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
2. 电磁偏差
对于TOPEX/POSEIDON卫星，其修正公式为：
hEBias H1/3 a bH1/3 cU dU 2
波高、波谱 海面地形 大地水准面 海底地形
漩涡、锋面 地形异常、表面流 大地测量 军事、海底作业
卫星高度计测量：优点体现在与传统的测量方法的比较上
Satellite Oceanic Remote Sensing
1
第九章 海洋表面动力地形卫星测量
讲述安排 高度计测高史（1学时） 高度计测高原理（1学时） 高度计测浪原理（0.5学时） 高度计的主要观测对象（0.5学时）
hiono
40250
TEC f2
TEC表示每平方米电子含量，可通过模式计算得到，f为 高度计工作频率。
Satellite Oceanic Remote Sensing
27
9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
4. 干/湿对流层误差
对流层中的水汽会引起雷达脉冲信号传播的延迟，由此产 生的高度计测量误差称为湿对流层误差(hWet-trop)，对流层中 的干空气也对雷达信号产生延迟作用，称为干对流层误差 (hDry_trop)。它们的表达式为：
halt c t 2
卫星高度计测量海平面高度的实际过程受许多因素 的影响，例如大气、海况和海洋潮汐等的影响，必 须在上式消除这些影响。
Satellite Oceanic Remote Sensing
16
9.2.1 高度计测高原理
基于参考椭球面的瞬时海面高度
大气压引起海面的变化
hssh horbit (halt h) hinvbar hT
hDrytrop 2.277 ps 1 0.0026 cos2
hWet_trop a b log e 280 T23 c log e 280 T36 d U 7
Satellite Oceanic Remote Sensing
28
9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
第九章 海洋表面动力地形卫星测量
为什么要进行海洋表面动力地形卫星测量？
海洋地形
海岸地形：海岸、海岸带、海岸线、海滩、海滨、潮间带
海底地形：大陆边缘、大陆架、大陆坡、大陆裾、大洋盆地、 海槽海盆、海脊、隆起地、海底山与平顶山、海底高原
海表地形：重要属性，四大动力系统之一（海气界面、海表、 内波、环流）
Satellite Oceanic Remote Sensing
24
9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
1. 轨道误差
轨道误差处理方法有：
单星交叠平差：即主要针对单一卫星，采用最小二乘技术使 得卫星轨迹交叠点处的高度计测量值之间的不符值最小；
双星或多星联合平差：即在处理两颗以上卫星测高数据时， 可用较高精度的卫星轨道作控制，将较低精度的卫星轨道通 过多卫星交叠平差法符合到较高精度的卫星轨道上，使低精 度的卫星轨道与高精度的卫星轨道具有大致相同的精度；
Satellite Oceanic Remote Sensing
4
9.1 高度计测高回顾
1985年，美国海军发射地球重力卫星(Geosat)，卫星高 度计开始业务化运行。
1991年欧空局(ESA)发射了第一颗欧洲遥感卫星(ERS-1) ，其上所载高度计测距精度为10cm，重复轨迹偏离、范 围缩小到1km以内。
1992年，美国NASA和法国空间局(CNES)联合发射 TOPEX/POSEIDON卫星，装载了TOPEX和 POSEIDON两颗高度计。该卫星被认为是不再需要进行 轨道误差修正的首颗卫星，其测距精度为2cm。
Satellite Oceanic Remote Sensing
5
9.1 高度计测高回顾
1995年,第二颗欧洲卫星(ERS-2)发射,其上所载高度 计的设计与ERS-1基本相同，重复周期为35天。
1998年，美国海军发射了Geosat的后续卫星高度计 （Geosat-Follow-On，GFO）。GFO重复周期17 天，完全沿Geosat轨道运行。
2001年底,NASA和CNES发射TOPEX/POSEIDON 的后续卫星Jason-1,所搭载的高度计POSEIDON-2 是由POSEIDON-1发展而来，但增加了一个C波段， 因此也是双频高度计。
M hiono hW ettrop hDrytrop hEBias hinvbar hT
Satellite Oceanic Remote Sensing
21
9.2.1 高度计测高原理
因此，有：
hsБайду номын сангаасhc hgeoid 0 t horbit M
有效波高 海面地形及海洋表面流 大地水准面 海底地形
Satellite Oceanic Remote Sensing
2
第九章 海洋表面动力地形卫星测量
9.1 高度计测高回顾
1964年在美国Woods Hole举行的一次“空间 海洋学”研讨会，当时为高度计确定了10cm的 测距技术指标。 1973年在美国宇航局（NASA）发射的天空实 验室（Skylab）上进行卫星高度计的首次原理 性实验。为后续的卫星高度计的设计积累了宝 贵的经验。
5. 大气压引起的误差
当大气压增加或减小时，海面会产生相应的上升和下 降，一般情况下，大气压增加1mbar，海面下降1cm 。气压引起的海面起伏可以表示为大气压p的函数：
Satellite Oceanic Remote Sensing
18
9.2.1 高度计测高原理
如果卫星在椭球面上的高horbit通过精密定轨 方法已经知道,则海面高hssh可表示为：
hssh horbit halt
大地水准面
又：hssh hgeoid 0 t
海洋动力高度
Satellite Oceanic Remote Sensing
Satellite Oceanic Remote Sensing
20
9.2.1 高度计测高原理
于是：hsshc hgeoid 0 t horbit halt
其中△halt 主要由△M和ε两部分组成：
halt M
△M为各种误差源进行模式计算后的剩余误差，可表示为:
Satellite Oceanic Remote Sensing
11
9.1 高度计测高回顾
TOPEX/POSEIDON(1992)及其后续卫星Jason-1(2001)
Satellite Oceanic Remote Sensing
12
9.1 高度计测高回顾
1998年Geosat的后续卫星高度计 GFO 及 2002年ERS系列的后续卫星 Envisat-1
H1/3为有效波高，U为海面风速，a、b、c、d为常系数。
Satellite Oceanic Remote Sensing
26
9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
3. 电离层误差
TOPEX/POSEIDON卫星上，NASA的双频高度计采用了C和 Ku两个波段同时进行测量，可对电离层误差进行校正。在有效 波高是2m时，1次/s的数据采集下，经过双频校正后的电离层 误差小于1cm。经验的修正hiono 的方法为：
卫星相对于参考椭球面的高度 测距偏差
潮汐修正项 测量噪声
大气电离层
大气湿对流层
h hiono hDrytrop hW ettrop hEBias
大气干对流层
海浪引起的电磁偏差
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.2.1 高度计测高原理
卫星测高的误差修正
22
9.2.1 高度计测高原理
将hmssh-c从每个测量的hssh-c中减去，即可得每次测量的 海平面高度距平值hssa ：
hssa hssh c hmssh c
t horbit M t horbit M t' ho' rbit M ' ' t' herror
因卫星高度计的运行轨道是精确重复的，重复周期为T，NT 时间后即可得到对该点测量的N个hssh-c，求这N个值的平均 值，即可得到平均海平面hmssh-c：
hmsshc hsshc
hgeoid 0 t horbit M
Satellite Oceanic Remote Sensing
Satellite Oceanic Remote Sensing
6
9.1 高度计测高回顾
2002年，ESA成功发射大型海洋观测卫星Envisat-1 。它是ERS系列的后续卫星，其上也搭载了一台双频高 度计（Advances Radar Altimeter，简称RA-2），可 工作于3.2GHz（S波段）和13.6GHz（Ku波段）。
0 整体误差
这里将hssa称为海面高度异常，通过海面高度异常可 以观测海洋动力高度的变化量。
Satellite Oceanic Remote Sensing
23
9.2 高度计测高原理
9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
测高数据的误差源主要有三类： 径向轨道误差 仪器误差 地球物理环境校正误差
19
9.2.1 高度计测高原理
假设horbit-c为卫星高度计轨道高度的模式计算值， △horbit 为其计算误差，halt-c为halt 计算值，△halt为其 计算误差，即：
horbit horbitc horbit halt haltc halt
由高度计数据计算出的瞬时海平面高度hssh-c为： hssh-c = horbit-c－halt-c =(horbit－△horbit)－(halt－△halt) = horbit－halt －△horbit ＋△halt = hssh－△horbit ＋△halt
1975年 GEOS-3
Satellite Oceanic Remote Sensing
9
9.1 高度计测高回顾
1978年 Seasat-A 及 1985年 Geosat
Satellite Oceanic Remote Sensing
10
9.1 高度计测高回顾
1991年 ERS-1 及 1995年 ERS-2
Satellite Oceanic Remote Sensing
13
9.2 高度计测高原理
以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的 微波雷达测高仪向海面发射微波信号，该雷达脉冲传 播到达海面后，经过海面反射再返回到雷达测高仪。
返回到卫星后可以得到三种观测量：
回波时间 回波信号的波形 回波信号的幅度
Satellite Oceanic Remote Sensing
3
9.1 高度计测高回顾
1975年由美国NASA发射的GEOS-3卫星所载高度计在 其三年半飞行中获取超过五百万个海面测量数据，其中 包括Schiwiderski海洋潮汐模式和Cartwright固体潮汐 模式修正参数。
1978年，美国NASA又发射了Seasat-A，所载高度计的 测距精度为10cm，有效波高测量准确度为10%，海面 风速测量准确度为2m/s，并在其最后25天运行期内首 次实现重复地面轨迹运行模式。
海面高 海面倾斜、海流、波高等 后向散射系数、风场等
Satellite Oceanic Remote Sensing
14
9.2 高度计测高原理
9.2.1 高度计测高原理
卫星高度计测量海平面高度的原理
Satellite Oceanic Remote Sensing
15
9.2.1 高度计测高原理
理想情况下，卫星高度计的测量结果为卫星到瞬时 海面的距离，即有：
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.1 高度计测高回顾
1973年 天空实验室Skylab
Satellite Oceanic Remote Sensing
8
9.1 高度计测高回顾
共线平差：它与交叠平差类似，只不过平差对象是共线轨迹 上正常点之间的不符值。
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
2. 电磁偏差
对于TOPEX/POSEIDON卫星，其修正公式为：
hEBias H1/3 a bH1/3 cU dU 2
波高、波谱 海面地形 大地水准面 海底地形
漩涡、锋面 地形异常、表面流 大地测量 军事、海底作业
卫星高度计测量：优点体现在与传统的测量方法的比较上
Satellite Oceanic Remote Sensing
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第九章 海洋表面动力地形卫星测量
讲述安排 高度计测高史（1学时） 高度计测高原理（1学时） 高度计测浪原理（0.5学时） 高度计的主要观测对象（0.5学时）
hiono
40250
TEC f2
TEC表示每平方米电子含量，可通过模式计算得到，f为 高度计工作频率。
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9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
4. 干/湿对流层误差
对流层中的水汽会引起雷达脉冲信号传播的延迟，由此产 生的高度计测量误差称为湿对流层误差(hWet-trop)，对流层中 的干空气也对雷达信号产生延迟作用，称为干对流层误差 (hDry_trop)。它们的表达式为：
halt c t 2
卫星高度计测量海平面高度的实际过程受许多因素 的影响，例如大气、海况和海洋潮汐等的影响，必 须在上式消除这些影响。
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9.2.1 高度计测高原理
基于参考椭球面的瞬时海面高度
大气压引起海面的变化
hssh horbit (halt h) hinvbar hT
hDrytrop 2.277 ps 1 0.0026 cos2
hWet_trop a b log e 280 T23 c log e 280 T36 d U 7
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
第九章 海洋表面动力地形卫星测量
为什么要进行海洋表面动力地形卫星测量？
海洋地形
海岸地形：海岸、海岸带、海岸线、海滩、海滨、潮间带
海底地形：大陆边缘、大陆架、大陆坡、大陆裾、大洋盆地、 海槽海盆、海脊、隆起地、海底山与平顶山、海底高原
海表地形：重要属性，四大动力系统之一（海气界面、海表、 内波、环流）
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9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
1. 轨道误差
轨道误差处理方法有：
单星交叠平差：即主要针对单一卫星，采用最小二乘技术使 得卫星轨迹交叠点处的高度计测量值之间的不符值最小；
双星或多星联合平差：即在处理两颗以上卫星测高数据时， 可用较高精度的卫星轨道作控制，将较低精度的卫星轨道通 过多卫星交叠平差法符合到较高精度的卫星轨道上，使低精 度的卫星轨道与高精度的卫星轨道具有大致相同的精度；
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.1 高度计测高回顾
1985年，美国海军发射地球重力卫星(Geosat)，卫星高 度计开始业务化运行。
1991年欧空局(ESA)发射了第一颗欧洲遥感卫星(ERS-1) ，其上所载高度计测距精度为10cm，重复轨迹偏离、范 围缩小到1km以内。
1992年，美国NASA和法国空间局(CNES)联合发射 TOPEX/POSEIDON卫星，装载了TOPEX和 POSEIDON两颗高度计。该卫星被认为是不再需要进行 轨道误差修正的首颗卫星，其测距精度为2cm。
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.1 高度计测高回顾
1995年,第二颗欧洲卫星(ERS-2)发射,其上所载高度 计的设计与ERS-1基本相同，重复周期为35天。
1998年，美国海军发射了Geosat的后续卫星高度计 （Geosat-Follow-On，GFO）。GFO重复周期17 天，完全沿Geosat轨道运行。
2001年底,NASA和CNES发射TOPEX/POSEIDON 的后续卫星Jason-1,所搭载的高度计POSEIDON-2 是由POSEIDON-1发展而来，但增加了一个C波段， 因此也是双频高度计。
M hiono hW ettrop hDrytrop hEBias hinvbar hT
Satellite Oceanic Remote Sensing
21
9.2.1 高度计测高原理
因此，有：
hsБайду номын сангаасhc hgeoid 0 t horbit M
有效波高 海面地形及海洋表面流 大地水准面 海底地形
Satellite Oceanic Remote Sensing
2
第九章 海洋表面动力地形卫星测量
9.1 高度计测高回顾
1964年在美国Woods Hole举行的一次“空间 海洋学”研讨会，当时为高度计确定了10cm的 测距技术指标。 1973年在美国宇航局（NASA）发射的天空实 验室（Skylab）上进行卫星高度计的首次原理 性实验。为后续的卫星高度计的设计积累了宝 贵的经验。
5. 大气压引起的误差
当大气压增加或减小时，海面会产生相应的上升和下 降，一般情况下，大气压增加1mbar，海面下降1cm 。气压引起的海面起伏可以表示为大气压p的函数：
Satellite Oceanic Remote Sensing
18
9.2.1 高度计测高原理
如果卫星在椭球面上的高horbit通过精密定轨 方法已经知道,则海面高hssh可表示为：
hssh horbit halt
大地水准面
又：hssh hgeoid 0 t
海洋动力高度
Satellite Oceanic Remote Sensing
Satellite Oceanic Remote Sensing
20
9.2.1 高度计测高原理
于是：hsshc hgeoid 0 t horbit halt
其中△halt 主要由△M和ε两部分组成：
halt M
△M为各种误差源进行模式计算后的剩余误差，可表示为:
Satellite Oceanic Remote Sensing
11
9.1 高度计测高回顾
TOPEX/POSEIDON(1992)及其后续卫星Jason-1(2001)
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.1 高度计测高回顾
1998年Geosat的后续卫星高度计 GFO 及 2002年ERS系列的后续卫星 Envisat-1
H1/3为有效波高，U为海面风速，a、b、c、d为常系数。
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
3. 电离层误差
TOPEX/POSEIDON卫星上，NASA的双频高度计采用了C和 Ku两个波段同时进行测量，可对电离层误差进行校正。在有效 波高是2m时，1次/s的数据采集下，经过双频校正后的电离层 误差小于1cm。经验的修正hiono 的方法为：
卫星相对于参考椭球面的高度 测距偏差
潮汐修正项 测量噪声
大气电离层
大气湿对流层
h hiono hDrytrop hW ettrop hEBias
大气干对流层
海浪引起的电磁偏差
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.2.1 高度计测高原理
卫星测高的误差修正
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9.2.1 高度计测高原理
将hmssh-c从每个测量的hssh-c中减去，即可得每次测量的 海平面高度距平值hssa ：
hssa hssh c hmssh c
t horbit M t horbit M t' ho' rbit M ' ' t' herror
因卫星高度计的运行轨道是精确重复的，重复周期为T，NT 时间后即可得到对该点测量的N个hssh-c，求这N个值的平均 值，即可得到平均海平面hmssh-c：
hmsshc hsshc
hgeoid 0 t horbit M
Satellite Oceanic Remote Sensing
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.1 高度计测高回顾
2002年，ESA成功发射大型海洋观测卫星Envisat-1 。它是ERS系列的后续卫星，其上也搭载了一台双频高 度计（Advances Radar Altimeter，简称RA-2），可 工作于3.2GHz（S波段）和13.6GHz（Ku波段）。
0 整体误差
这里将hssa称为海面高度异常，通过海面高度异常可 以观测海洋动力高度的变化量。
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.2 高度计测高原理
9.2.2 高度计测高误差的原因及消除方法
测高数据的误差源主要有三类： 径向轨道误差 仪器误差 地球物理环境校正误差
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9.2.1 高度计测高原理
假设horbit-c为卫星高度计轨道高度的模式计算值， △horbit 为其计算误差，halt-c为halt 计算值，△halt为其 计算误差，即：
horbit horbitc horbit halt haltc halt
由高度计数据计算出的瞬时海平面高度hssh-c为： hssh-c = horbit-c－halt-c =(horbit－△horbit)－(halt－△halt) = horbit－halt －△horbit ＋△halt = hssh－△horbit ＋△halt
1975年 GEOS-3
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.1 高度计测高回顾
1978年 Seasat-A 及 1985年 Geosat
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.1 高度计测高回顾
1991年 ERS-1 及 1995年 ERS-2
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.2 高度计测高原理
以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的 微波雷达测高仪向海面发射微波信号，该雷达脉冲传 播到达海面后，经过海面反射再返回到雷达测高仪。
返回到卫星后可以得到三种观测量：
回波时间 回波信号的波形 回波信号的幅度
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.1 高度计测高回顾
1975年由美国NASA发射的GEOS-3卫星所载高度计在 其三年半飞行中获取超过五百万个海面测量数据，其中 包括Schiwiderski海洋潮汐模式和Cartwright固体潮汐 模式修正参数。
1978年，美国NASA又发射了Seasat-A，所载高度计的 测距精度为10cm，有效波高测量准确度为10%，海面 风速测量准确度为2m/s，并在其最后25天运行期内首 次实现重复地面轨迹运行模式。
海面高 海面倾斜、海流、波高等 后向散射系数、风场等
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.2 高度计测高原理
9.2.1 高度计测高原理
卫星高度计测量海平面高度的原理
Satellite Oceanic Remote Sensing
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9.2.1 高度计测高原理
理想情况下，卫星高度计的测量结果为卫星到瞬时 海面的距离，即有：