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
17
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。
Satellite Oceanic Remote Sensing
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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)
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
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
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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
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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
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
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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
10
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
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
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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: