卫星测高原理及其应用_翟国君

经过大量的预处理之后得到的 。 其基本观测量就是发射
的电磁脉冲在空间距离中往返传播所经历的时间 Δt 。在
把时间转换成距离时 ,首先必须进行与传感器有关的一些
改正 ,之后还要进行诸如质心改正 、相对论效应改正和大
气传播延迟改正 , 后者又可分为对流层改正和电离层改
正 。 尽管它们的量级分别可达到 2.5m 和 0.3m , 但通过模
第 22 卷第 1 期 2002 年 1 月
海 洋 测 绘 HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTING
Vol .22, No.1 JAN., 2002
卫星测高原理及其应用
翟国君 黄谟涛 欧阳永忠 陆秀平
(海军 海洋测绘研究所 , 天津 300061)
【摘要】 主要介绍了卫星测高原理 , 测高卫星及应用的发展概 况 , 以及卫星测高数据在大地测量学 、海洋学和
|
W W
|
=
Uh
(2)
(1)式在地球外部空间满足 Laplace 方程 , 即
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翟国君 , 等 卫星测高原理及其应用
第 22 卷
2 U =0
W(x , y ,z )是星下点处所有单位质量的位的总和 。 如 果整个位的函数形式是知道的 , 则利用(1)、(2)两式就可
迭代求得星下点的位置 。
由于 Skylab 卫星的径向轨道误差较大 ,测高仪本身存在 着漂移和测高系统存在着偏差 ,所以 ,Skylab 只是一个原理性 试验卫星 ,其数据结果意义甚微 。但它却为以后的地球与海 洋物理应用计划所提出的 Geos -3 和 Seasat 卫星计划奠定了 基础。
之后 ,NASA 于 1975 年 4 月 9 日发射的 Geos -3(NASA Geodynamics Experimental Ocean Satellite)卫星 , 可 以说是利 用空间技术来研究世界范围海洋物理过程的先驱 。 该卫 星是在继 Skylab 之后发射的最重要的测高卫星之一 。 其 在 NASA 总部 Jerome Rosenberg 的指导下 , 于 1970 年开始构 思 。由于 Geos -3 计划是美国国家大地测量卫星计划与 NASA 地球和海洋物理应用计划之间的一种过渡 , 因此 , Geos -3 计划包含了这两个计划所要达到的预期目标 。 该 卫星重 345.9kg ,1975 年 4 月 9 日在美国的 Vandenberg 空军 基地发射 , 轨道平均高度为 840km , 轨道倾角 115°, 工作寿 命 3.5 年 , 重复周期 23 天 ,测高精度为 25 ～ 50cm 。该卫星 为确定海洋学和地球动力学参数提供了三年的有用数据 。 大量高质量的数据已使得人们注意力的重点从试验阶段 转向了应用阶段 , 其中包括一些在原技术设计中未曾预料 到的应用 。 当初 , NASA 发射 Geos -3 的目的就是为了增 进人类对下列内容的了解 , 即地球重力场 、大地水准面的 形状和大小 、深海潮汐 、海况 、洋流结构 、地壳结构 、刚体地 球动力学及遥测遥感技术等 。在以上这些领域 , 人们往往 因缺少观测数据而难以对其获得更多的了解 , 而 Geos -3 的发射证明了人类的确可以从空间通过对测高仪回波信 号的波形和结构的分析 ,利用经过各项误差改正后的测高 数据 , 直接测量或推求大地测量学 、海洋学及地球物理等 参数 。
rE 为星下点S′的地心向径 , ρ为测高仪所测的卫星到海洋面的距离SP , h 为 P 点的平均海面在椭球面上的高 , δ, δ1 , δ2 为小角度 ,
φS 为卫星位置 S 的大地纬度 , ΧS 为卫星位置S 的地心纬度 , ΧS′为星下点位置S′的地心纬度 。 由椭球大地测量学知
δ= φS
- ΧS′
2 卫星测高原理
卫星测高仪是一种星载的微波雷达 。 测高仪的发射 装置通过天线以一定的脉冲重复频率向地球表面发射调 制后的压缩脉冲 , 经海面反射后 , 由接收机接收返回的脉 冲 , 并测量发射脉冲的时刻与接收脉冲的时刻的时间差 。 根据此时间差及返回的波形 , 便可以测量出卫星到海面的 距离 。实际上 , 测高仪所测的距离是卫星到星 下点足迹 (footprint)某一范围内的平均距离 。根据海况的不同 , 该星 下点足迹的直径从 2.4km 到 12km 不等 。星下点足迹内海 面的粗糙度(roughness)可根据接收雷达脉冲的时间分布
型计算 , 这些影响分别可减小到 3 ～ 6cm 和 2 ～ 3cm 。 美法
联合发射的 Topex/Poseidon 测高仪是双频测高仪 , 可更有
效地消除这些影响 。
卫星的地心距离 r 可通过高精度定轨所得到的精密 星历求得 。而精密星历的取得则包含了卫星初始位置和 其它参数的平差 。平差的结果使得跟踪数据与相应的计 算值之间的差值在最小二乘意义上达到最小 。 平差结果 利用了跟踪站坐标以及下面这些力场模型 :如地球引力 场 、日月引力 、大气阻力 、日光压 、固体潮 、地球反照率 、相 对论效应及其它力场模型 。
影响精密星历的最大误差源是地球重力场模型误差 。 地球重力场模型误差会传播给卫星的初始状态矢量 , 进而 影响到整个卫星轨道的精度 。
这些误差虽各具不同的特性 ,但无论从空间角度考虑 还是从时间角度考虑 , 它们同属于系统误差 , 且主要呈长 波的特性 。至于大气阻力及日光压引起的轨道误差 , 与重 力场模型误差引起的卫星轨道误差相比很小 。 尽管它们 对测高卫星的影响也可能较大 , 但由于测高卫星本身的形 状比较复杂 , 要想对作用于其表面上的力进行准确的建模
收稿日期 :2001-10 -30
(波形结构)来推断 , 并由此来定义有效波高 SWH(Significant Wave Height)。另一项回波内容是反射脉冲的强度 ,用 自动增益控制 AGC(Automatic Gain Control)表示之 。 2.1 星下点位置的计算
Geos -3 的成功发射和正常运行 , 为后续卫星的发射 奠定了坚实的基础 。1978 年 6 月 28 日发射的 海洋卫星 Seasat(Sea Satellite)测高卫星可以说是遥测遥感技术用于 海洋学研 究的一个里程 碑 。 该卫 星的轨道 高度平 均为 800km , 轨道倾角为 108°, 工作寿命为 106 天 。 该卫星前期 的重复周期为 3 天 , 后期的重复周期为 17 天 , 测高精度为 20 ～ 30cm 。NASA 发射 Seasat 的目的就是要证明遥测遥感 技术可以在全球范围内以适当的精度测量洋面温度 、风 、 流 、潮汐等水文要素 。 尽管 Seasat 经过 3 个多月近乎完美 的飞行后因电源故障于 1978 年 10 月 10 日过早地夭折了 , 但其携带的测高仪 、合成孔径雷达 、多频道微波扫描探测 仪等仪器 , 却给人们提供了大量的有关海面风速 、风向 、有
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
地球质心 ,z 轴指向习用国际原点 CIO ,x 轴指向格林尼治 子午线 , y 轴的指向使得该坐标系为右手坐标系 。
令
rS 为星下点 S 位于大地水准面上的位置矢量 , ρ为测高仪的观测矢量 ,
ρ=r -rS , Uh 为沿差 ρ的单位矢量 。 则有
W(x , y ,z )=W0
(1)
W(x , y , z))= x2
+y2
+ 1
z2 -e2
=a2
式中 e 为椭球的偏心率 , a 为椭球的长半轴 。
(4)
2.2 海面高的计算
由于测高仪测量的是卫星与海面之间的最短距离 , 因
此 ,“视线” 是通过卫星并与瞬时海洋面垂直的 SP (见图
2)。
图 2 测高几何示意图 又由于测高距离是卫星到星下点足迹距离的平均值 , 这样便减弱了海浪 、波这些不规则因素的影响 , 同时也减 弱了由海流引起的瞬时海面相对于大地水准面倾斜的影 响 。因此 , 在开阔的海洋上 , 有理由假定瞬时海洋面与大 地水准面在星下点附近是平行的 , 即 SP 既垂直于大地水 准面又垂直于瞬时海面 , 而且 , 由于大地水准面与参考椭 球不平行 , 从而使得观测方向 SP 与椭球法线 QP 在星下 点P 处不再平行 。然而 , 在一级近似的情况下 , 可以认为 椭球法线就是观测方向 。这意味着 , 在星下点周围 , 椭球 面与大地水准面两者是平行的 。 令 r 为测高卫星的地心向径 ,
为了从力学模型来计算测高观测量以及把卫星测高 值直接用于测高卫星的定轨 , 必须知道观测时刻星下点足 迹 S 在海洋面上的位置(图 1)。
图 1 星下点几何 关系
在理想的情况下 , 假设海洋表面即是大地水准面 , 测
高仪天线指向与星下点处的局部法线一致 。 现考虑一参
考面 W , 其重力位为 W0 , 法线矢量为 W 。 同时 , 用地心 地固笛卡尔坐标系来表示卫星位置 。 坐标系的原点位于
该式说明 , 测高仪测得卫星到海面的距离后 , 如果当
时的卫星地心距离是已知的 , 则可以求得海平面相对于参
考椭球面的高度 h 。式中的最后一项是因为地心距离 r
与星下点距离 ρ不共线而加的改正 。如果考虑到椭球面
与大地水准面的不平行性 ,还要施加一项垂线偏差改正 。
式中的星下点距离 ρ是测高卫星所测得的原始数据
卫星测高技术的发展至今虽然只有二十多年的历史 , 但大量的研究结果表明 ,卫星测高在研究海洋大地水准面 和重力异常方面 , 在研究地球物理和海洋参数方面 , 都显 示出了巨大的潜力 。卫星测高作为一项高科技测量技术 , 它以人造卫星作为测量仪器的载体 , 借助着空间技术 、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 的大地测量学家莫里兹教授 1993 年所指出的那样 :“ 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”(Moritz , 1993)。
海洋测绘中的应用 , 旨在以简略的篇幅给读者勾 勒出卫星测高的一个概貌 。
【关键词】 卫星大地测量 海洋大地测量 卫星测高
1 引 言
20 世纪 80 年代以来 , 随着计算机技术和空间技术的 高速发展 , 地球科学在宏观和微观的研究上进入了一个迅 速发展和深入探索的时期 。在此期间 , 地球科学各分支学 科出现了大量新的学科生长点 , 提出了许多新学科 、新概 念 、新技术 。卫星测高学就是在这种形势下随着卫星遥感 遥测技术的应用而发展起来的新型边缘学科 ,它利用卫星 上装载的微波雷达测高仪 , 辐射计和合成孔径雷达等仪 器 , 实时测量卫星到海面的距离 、有效波高和后向散射系 数 , 并通过数据处理和分析 ,来研究大地测量学 、地球物理 学和海洋学方面的问题 。
如果星下点是位于参考椭球面上而不是位于大地水
准面上 ,则(1)、(2)两式的解就非常简单了 。 因为此时的
面 W 仅仅是旋转椭球 , 而不是球谐系数表示的大地水准
面,即
∑ ∑ U
=
GM r
l
m
a r
l
Clm cosmλ+SlmsinmλP lm(sin)φ)
(3)
换言之 , 如果只要求测高仪在参考椭球面上的高度 he , 则 (1)式就可简单地取下列形式
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是极其困难的 。因此 , 只能用近似模型来描述 , 并通过含 有初始状态矢量 、大气阻力模型和日光压模型的平差来进 行部分补偿 。
3 卫星测高发展概况
自 1973 年 5 月 14 日 美国国 家航 空与 航天 管理 局 (NASA)发射 第一颗带 有测高仪 的卫星 — 天空实 验室 (Skylab)以来 ,至今世界上已相继发射了 8 颗这样的卫星 。
效波高 、波谱 、海面温度 、大气含水量 、海冰 、海面地形等信 息 , 为研究海洋环境提供了大量高质量的数据 , 人们利用 这些数据探测出许多以前未曾发现过的海山 、海沟 ;推估 了广大洋区范围的重力异常 ;研究了大洋潮汐 ;反演了地 球深部构造等 , 并取得了大量的研究成果 。 这些成果表 明 , 卫星测高在研究海洋大地水准面 、海面地形和海洋重 力异常方面 , 在研究海底地形 、地球内部构造 , 在研究地球 物理和海洋学方面 , 具有巨大的潜力 。
=
1 2
e2sin2 φS +O(e4)
式中 e 为椭球的第一偏心率 。
进一步有
(5)
sin
δ1
=
rE r
sin
δ
(6)
及
δ2 = δ-δ1
(7)
由于 δ, δ1 和 δ2 都很小 ,可视为它们与其相应的正弦 相等 。
经推导有
h
=r
-ρ-rE
+
rE 8
1
-
rE r
e4 sin22 φS
(8)