卫星测高技术及其在南北两极的应用

第12卷第4期极地研究V ol.12,N o.4 2000年12月CHIN ESE JO U RN A L O F P OL A R RESEAR CH Decem ber2000
研究综述
卫星测高技术及其在南北两极的应用X
王清华　宁津生
(武汉大学南极测绘研究中心,武汉430079)
提要　本文简略地叙述了卫星测高技术的发展概况及其基本原理,并在此基础上,详细地介绍了在南北两极的应用情况及应解决的问题。

关键词　卫星测高　南北极　Seasat　G eo sat　ERS-1/2　倾斜改正　追踪返回波形改正
卫星测高技术是在本世纪70年代初期,随着计算机技术和空间技术的高速发展,随着卫星遥感遥测技术的应用而发展起来的边缘学科。

它以人造卫星作为测量仪器的载体,借助空间技术、电子技术、光电技术和微波技术等高新技术的发展,在空间大地测量领域产生了一场深刻的变革。

正如国际上著名的大地测量学家、武汉测绘科技大学名誉教授、奥地利格拉茨技术大学莫里茨教授指出的那样:“同GPS一样,卫星测高也在空间大地测量学领域掀起了一场革命”。

1　卫星测高发展概况
首次卫星测高仪试验是1973年进行的,1974年又重复了这项试验。

美国NASA于1975年6月发射了载有雷达测高仪的地球动力卫星Geos-3,其测高精度约为0.5m。

由于Geos-3上的电源和其存贮数据的能力不足,该测高卫星所覆盖的范围是不完全的。

为了弥补这种缺陷,NASA于1978年6月发射了载有雷达测高仪的海洋卫星Seasat,其测高精度为0.1m,但于同年10月因事故而停止工作。

继Geos-3和Seasat之后,美国海军于1985年3月发射了大地测量卫星Geosat。

该卫星首先执行主Geosat大地测量任务(Primary Geosat Geodetic Mission,缩写为Geosat/GM), 18个月之后,该卫星被导至每17天精确重复的轨道上,执行Geosat的精确重复任务
X[收稿日期]　2000年5月收到来稿
[作者简介]　王清华,男,1972年生。

现为武汉测绘科技大学在职博士研究生,主要从事GPS数据处理、冰面卫星测高数据处理与分析方面的工作
(Geosat Ex act Repeat Mission,缩写为Geosat/ERM)。

前者的大部分数据是保密的,只是1990年8月才将南极水域南纬60°以南的数据解密,1992年又将南纬30°以南的数据解密。

欧洲空间局于1991年7月将欧洲遥感卫星ERS-1发射到接近于圆的太阳同步轨道上,目的在于提供海洋、大气层、陆地和冰盖的精密测量结果。

此外,法国和美国于1992年联合发射了海洋地形实验/海神卫星(TOPEX/Poseidon,缩写为T/P)。

这是星载雷达高度计技术目前发展的最高水平的高度计系统。

这些卫星的基本情况如表1所示。

表1　测高卫星概况*
T able1.Spatial and t emporal co verag es of the altimetr ic satellites.
测高卫星覆盖范围任务时间跨度重复周期(天)
Seasat 北极格陵兰、南极洲及其周围海冰直
至南北纬72.1°
1978年7月—1978年10月3
Geosat/GM 北极格陵兰、南极洲及其周围海冰直
至南北纬72.1°
1985年4月—1986年9月176
Geosat/ERM 北极格陵兰、南极洲及其周围海冰直
至南北纬72.1°
1986年11月—1989年9月17
TOPEX北极格陵兰直至北纬66°1992年9月直至现在17
ERS-1北极格陵兰、南极洲及其周围海冰直
至南北纬81.5°
1991年8月至1996年6月3;35;168
ERS-2北极格陵兰、南极洲及其周围海冰直
至南北纬81.5°
1995年9月直至现在35
*http://icesat4.gsfc.n /ia-home/
2　卫星测高原理
实际上,卫星测高原理非常简单。

卫星上测高仪的发射装置通过天线在T t时刻以一定的脉冲重复频率向地球表面(海面、冰雪面或陆地)发射一束雷达波,在T r时刻从地表反射回卫星,那么测高仪测量的距离便是卫星到地表的距离,可简单地用下式计算: Q=c(T r-T t)/2(1)其中c为光速。

但实际上,测高仪所测的距离是卫星到星下点足迹某一范围内的平均距离,如图1所示。

卫星发射的雷达波束宽为1°左右,所以到达海面的波迹半径约为3～5km。

因此,测高仪测得的距离相当于卫星到这个圆形面积内地面的平均距离。

在此基础上,还必须考虑到各种误差改正,实际应用中用到下式(王广运等,1995;翟国君,1997X;Engelis,1987X X):
h=r c-Q obs-r E-$r-$Q-r E
8
(1-
r E
r C
)e4sin22U S(2)
其中h为量测点的平均海面在椭球上的高,r c和r E分别表示由星历计算出的卫星地心距276极地研究 第12卷X
XX Engelis T(1987):Radial Orbit Error Reduction and S ea Surface T opography Determ i n ation Using Satellite Altimetry,OSU,Dep.337.
翟国君(1997):卫星测高数据处理的理论与方法,博士学位论文。

图1　卫星测高原理图
F ig .1.T he principle of sat ellite alt imetry (http ://icesat 4.g sfc .nasa .gov /ia -home /).
及其参考椭球上对应的地心距;$r 表示径向轨道误差;$Q 表示观测误差;e 表示参考椭球的扁率;U S 表示卫星的大地纬度。

卫星测高的误差方程为(翟国君,1997X ;王海瑛,1999X X
;罗佳,2000X XX ):
$h =$N C +$N 0+S +S t +S
+X -$r +$Q (3)其中$h 表示剩余海面高;$N C 为重力模型误差引起的大地水准面起伏误差;$N 0为截断误差;S 为稳态海面地形,即海面地形的常量部分;S t 为海面地形的时态部分;S 为固体潮与海潮,X 为风生波或其它因素引起的海面变化。

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第4期 王清华、宁津生:卫星测高技术及其在南北两极的应用X XX XXX 罗佳(2000):由测高资料和海洋重力资料联合反演海底地形,硕士学位论文。

王海瑛(1999):中国近海卫星测高数据处理与应用研究,博士学位论文。

翟国君(1997):卫星测高数据处理的理论与方法,博士学位论文。

3　卫星测高在南北两极的应用
从表1可以看出,上述的测高卫星基本上都覆盖到了南北两极的部分地区,特别是
ERS -1/2,更是达到了南北纬81.5°
,这样的覆盖,对于极地科研工作者来说,更是前所未有的好消息。

测高卫星在南北两极的覆盖情况可以形象地用图2表示(其中左上部分为南极洲,右下部分为北极格陵兰岛)。

图2　测高卫星在南北两极的覆盖
F ig.2.Cov er age of Altimetric Satellites over A ntar ctica and Gr eenland Island,A rctic(http://icesat4.
g /ia -home/).
3.1Seasat 卫星
尽管当初设计的时候,Seasat 卫星是为海面测高目的而设计的,但其上的雷达高度计测得了北极格陵兰和南极冰盖的超过600,000个有用的测高数据,却是设计者的意外收获。

Martin et al .(1983)已经对这些数据进行了处理,并给出了冰盖表面高程的最初结果。

关于这些数据的进一步使用价值正在研究之中。

3.2Geosat 卫星
已解密的Geosat/GM 数据提供了围绕南极的密集数据。

利用这些数据可以推算高分辨率的(20km)和高精度的(1～2mgal)重力场。

由这样的重力场可以看出过去未用船测绘的海域的海底细貌。

为了证实由GM 数据可以得到高分辨率的重力异常,从围绕南极的278极地研究 第12卷
圆圈选择了覆盖太平洋-南极海岭的那一部分(东经150°～225°)。

在这一部分中,由于季节性冰覆盖引起GM 数据不足,用ERM 数据作了补充。

由重力异常求垂线偏差属于正演问题,海斯卡涅和莫里斯(1979)对这一问题进行了详细的推导。

那么如何用垂线偏差来反演重力异常呢?我们的方法是采用逆Vening-M einesz 变换,如下式所示(Sandw ell et al .,1997;李建成,1999X ):
$g=
C 4P rR k R (3csc 7-csc 7csc 72-tg 72)9N 97
d R (4)式中:$g 是平均空间重力异常;R 是地球平均半径,且R=(2a+b)/3,a 、b 分别为参考椭
球的长半轴和短半轴;7是计算点与流动点的球面距离;N 为大地水准面高;1R 9N 97
为7方向上的垂线偏差分量,且1R 9N 97
=N cos A +G sin A (5)式中A 是7方向上的方位角,即计算点P 与流动点间的方位角,且
sin A =-cos U sin(K p -K )sin 7
(6)cos A =cos U p sin U p -sin U p cos U cos(K p -K )sin 7
(7)顾及到式(6)、(7),将式(5)代入式(4)得:
$g (U p ,K p )=C 4P k R (3csc 7-csc 7csc 72-tg 72
)(N cos A +G sin A )d R =C
4P k
R (N cos A (3csc 7-csc 7csc 72-tg 72)+G sin A (3csc A -csc 7csc 72-tg 72
))d R (8)环南极海域有些地方一年的大部分时间都为海冰所覆盖。

从1984年开始,德国的破冰船“北极星号”在南极每年执行几个月的考察任务。

在1987/1988和1989/1990的两次任务中,在西经10°-20°和南纬70°-72°的海域进行了测深(用多射束声纳系统)和重力测量。

现在这一海域又有了Geosat /GM 的密集测高数据,由测高数据求定重力场,就可看出海底地形引起的大地水准面起伏。

虽然卫星数据的分辨率比船载测量的低很多,但卫星重力的初步求值表明,与从“北极星号”测量结果所得的重力图惊人地一致(Schone and Schenke,1997)。

这一情况激励人们进行全面研究,主要问题是:由Geosat/GM 测高剖面所计算的重力数据和船载重力数据之间的对应程度如何?卫星数据的分辨率是多少?在所研究的海区中,海底地形对于重力的影响有多大?卫星数据在多大程度上可用于推估南极未测深海区的深度?根据南极威德尔海一个230km ×330km 海区Geosat/GM 测高数据、船载重力数据和测深数据的比较结果,表明这3种数据集之间存在惊人的对应。

船载重力图和测深图上所有显著的特征在Geosat /GM 数据图上都可以找到。

象峡谷、深侵蚀海峡和海崖等构造,在卫星数据中都可以表示出来。

由卫星数据的谱分析,得出它的分辨率为17km 。

卫星重力数据与船载重力数据之间强相关。

卫星数据与测深数据之间的对应良好。

因此,象Geosat/GM 这样密的测高数据,可以用来求定海洋重力场,其分辨率约为20km 279第4期 王清华、宁津生:卫星测高技术及其在南北两极的应用X 李建成(1999):卫星测高数据确定重力异常的几种方法,测绘遥感信息工程国家重点实验室1998-1999年报。

280极地研究 第12卷
(Sandw ell and Smith,1997;Knudsen,1992)。

MacAdoo(1992)对南纬60°以南的南大洋海域作了反演计算,其结果表明重力场精度达到2.0mgal,但在洋中脊海域重力偏差达到20mg al。

3.3ERS-1卫星
ERS-1地面轨迹的纬度范围是±81.5°,它有两种测距模式:冰面模式和海洋模式。

ERS-l轨道的多种选择,可对地球很大部分陆地表面和冰盖提供新的覆盖,特别是98.5°的轨道倾斜和冰面模式为两极冰盖提供了前所未有的覆盖。

Legresy and Remy(1997)利用ERS-1的测高数据分析了南极冰盖的表面特征。

Sandw ell and Smith(1997)已经利用ERS-1和Geosat(GM和ERM)测高数据的组合,求定了最南海洋的重力场。

在南纬72°以北的海洋,虽然Geosat有较密的覆盖,但它并没有观测72°S以南的任何洋域,例如罗斯海、阿蒙森海和威德尔海。

反之,ERS-1却有很大的倾斜(81.5°),可以观测这些最南海洋所有不冻海域的海面。

已经把ERS-118个月的数据和Geosat58个月的数据组合起来,求定了由60°S至78°S的海洋重力场。

这样就把海洋重力场扩展到了南纬78°,其中包括了罗斯海。

4　冰面测高需解决的问题
Seasat、Geosat和ERS-1等卫星已用于北极格陵兰冰原、南极冰原和冰架以及北极海冰的测高。

这些地形特征除水面外,都存在程度不同的倾斜。

小的倾斜也会引起较大的测高误差,如由Geosat/GM轨道交叉点上卫星高之差估计的卫星测高中误差(即相对地形的误差)在海洋上是40～80cm,但在冰面上的交叉分析中得出了10～20m的异常误差。

特别是在极地冰盖,其表面起伏都非常大,可能引起10～100m的异常误差(Ekholm et al., 1995)。

这是因为测高仪发射的波触及一大块面积(见图1),最初返回的波是从反射面上最接近于测高仪的一些点反射的,这些点可能不是星下点(subsatellite point),这一现象称为脱底测距(off-rang ing)。

如图3所示。

因此,为了得出测高仪超出交叉点(crossover point)的高,必须估计反射面的倾斜,用下式计算改正数:
$H=H(1-cos A)≈(H A2)/2(5)同时,由于冰面的坡度、冰面反射率的变化以及雷达信号会“穿透”雪面等原因,雷达测高仪在冰盖表面的工作方式和海面的大不一样。

冰盖表面高程的急剧变化使雷达的返回脉冲早到或迟到,于是产生测高误差。

这种误差可以采取“追踪返回波形”(retracking)的方法来改正,一般为10m左右。

如图4所示。

此外,还要考虑对流层和电离层折射而引起的误差改正。

虽然这些影响不是特别大,但从计算冰面的精确高程而言,还是应该考虑。

海潮和地球固体潮也会引起测高仪量测冰盖表面的高度的误差,只是目前还没有一个量度来说明其影响的大小。

各种改正信息如表2所示。

图3　倾斜改正示意图
Fig.3.Slope corr ection.
表2　冰面测高误差改正T able 2.Cor rections fo r ice surface altimetry.
改正
描述改正大小(m )对表面高度的影响倾斜改正
冰雪面倾斜而引起的误差改正0～150(-)追踪返回波形改正
追踪系统延迟改正-15～15(-)对流层折射
大气压变化及大气层中的水气引起的信号延迟改正 1.5～2.5(+)电离层折射
电离层中带电粒子引起的信号延迟改正0.02～0.10(+)潮汐(海潮和地球固体潮)地球和海洋动力学影响?(-)5　各种测高卫星的应用比较
在不平的地面上,Geosat 卫星跟踪器的适应性强,能比Seasat 卫星更好地保持锁定。

从格陵兰冰原的重复地面轨迹来看,Geosat 提供的有用测高结果是Seasat 的2倍。

Geosat 测高仪采用改进的跟踪器时间常数,在不平的地面的上方,还采用高程误差检测器,所以
281
第4期 王清华、宁津生:卫星测高技术及其在南北两极的应用
图4　追踪返回波形改正示意图
Fig.4.R et racking corr ectio n(http://icesat4.gsfc.nasa.g ov /ia -hom e).
有更好的适应性。

Seasat 和Geosat 采用不同的姿态稳定系统。

Geosat 对于天底的姿态偏移较大(1.2°
),Seasat 是0.5°。

为了抵偿这种偏移,Geosat 天线的射束宽度增加到2.0°,Seasat 只是1.6°。

Geosat 大的姿态偏移,引起重复周期之间的差;它的脉冲增宽,引起数据获取问题,这种情况大都发生在急剧变化的陆地表面上。

Geosat 有时可以跟踪Seasat 所不能跟踪的陆地表面,但有时使数据获取问题更严重。

所有这些改变的净效应是:Geosat 测高结果可以提供小范围的、地形更为详细的沿轨信息;在冰原上,Geosat 提供更密的覆盖,但在陆地上,Seasat 可以给出比一般地形更好的总景观。

两者结合的最好方法是:陆地上的Geosat 测高数据集用来扩充Seasat 数据所得的信息;当测区范围小于100km 时,这样做最有价值。

ERS-l 卫星已经提供了若干陆地的高质量测高数据。

由于它的轨道纬幅为±81.5°,基本上覆盖两极,加之它有两种测高模式,所以它在卫星陆地测高中的重要性越来越突出。

分辨率较高的“海洋”测高模式的距离分辨率和跟踪器的操作与以前的一些卫星测高任务相同;“冰面”模式的距离分辨率低4倍,但有较为稳定的地面跟踪器,以使对地形各异的地面有较好的覆盖。

测高跟踪器性能的分析结果表明,当利用“海洋”模式时,记录了来自全球50%陆地的回波,而利用“冰面”模式时,有回波的陆地增加到了75%。

以前的Seasat 和Geosat 卫星,只记录了30%陆地的回波。

为了建立南极冰原和冰架的动力模型,地形测量是关键。

这两种模型都需要研究相对于冰流的冰原倾斜和表面特征。

长期监测可以研究冰原和冰架对于气候变化的反响,也就是研究冰原和冰架的体积变化。

在这一方面,巨大的罗斯(Ross)冰原和Ronne-Filchner 冰原特别重要,因为它们在支撑南极西部冰原中起着关键作用。

但是,更往北的一些较小冰架的动态也很重要,因为它们对于气候变化的反响更为迅速。

Seasat 和Geosat/ERM 数据282极地研究 第12卷
已用来得出了直到南纬72°的冰原图。

ERS -l 数据可以用来作出直到南纬81.5°
的南极地形图,在它进入176天的轨道重复周期时,可提供更密的地面覆盖。

6　展望
由于冰原体积变化与全球海面长期上升趋势有关,关于卫星测高用于监测冰原体积变化的潜力,已引起了广泛讨论。

由于过去测高数据的质量和所采用的分析方法都不完善,使得噪声量级与预期的信号的量级是相同的。

因此,利用卫星测高监测冰原体积变化是否成功,人们尚有争论。

如上所述,Geosat/ERM 之后的海洋监测将继续保持,ERS-1之后还有ERS-2;今后数据质量将有改善,时间跨度将要延伸。

这标志着卫星雷达测高进入了新的发展阶段。

有理由期望,利用卫星测高监测冰原体积变化将成为现实。

为了提高卫星陆地测高的精度,美国NASA 正在设计新的测高仪地球科学激光测高仪系统(Geoscience Laser Altimeter System,简称GLAS),搭载这套测高系统的冰、云和陆地高程卫星(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite,简称ICESat)将于2001年7月发射升空。

设计思想是使它能够直接测量冰原面的倾斜,从而系统地消去倾斜引起的误差。

此外,此设计还可操纵测高仪的波束,即使当平均表面倾斜等于甚至大于天线波束宽度时,仍可得到由脉冲限制的波形。

这样的测高仪应当可以使测量结果显示出冰原和冰架几年中的体积变化。

因为GLAS 设计的足迹直径仅为70m (目前的雷达测高仪的足迹直径为10km),所以GLAS 系统在冰面上具有较高的精度。

可以预见,随着ICESat 卫星的发射成功,将以更高的精度(在冰面上可达厘米级),在更大的空间范围内(GLAS 可覆盖到南北纬86°)及更长的时间尺度上测量南北两极冰盖的地形,监测冰雪物质平衡,监测由此引起的全球海平面变化。

卫星测高技术将在全球变化方面,发挥出更大的潜力。

参考文献
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SATELLITE ALTIMETR Y TECH N OLOGY AN D ITS APPLICATION
IN POLAR REG ION
Wang Qinghua and Ning Jinsheng
(Wuhan T echn i cal University of Surveying and M apping,Wuhan430079,China)
Abstract
As a new technology,satellite altimetry has been applied in m any fields.This paper briefly represents its development and its elem entary principle.On the basis of it,the application in the ice sheets of Arctic and Antarctic is described in detail.Especially, compared w ith sea surface,considerations for the ice sheets are referred.
Key words　satellite altimetry,Arctic,Antarctic,Seasat,Geosat,ERS-1/2,slope correction, retracking.。