卫星测高
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10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
❖ Topex/Poseiden
❖ 是由NASA和法国空间局共同研制成功的，于 1992年8月10日发 射的，其轨道倾角为66 °， 轨道高度为1300km，
❖ 卫星上载有六种仪器：
❖ 法国两种：1、单频固体雷达测高仪
❖ 2、DORIS跟踪系统
❖ 美国四种：1、双频雷达测高仪
10年11月30日星期二
卫星测高的轨道
❖ 测高卫星的轨道高度：800-1300公里
❖ 轨道改进，主要有以下七种因素：
❖ 1、重力场模型的改进 ❖ 2、非保守力模型的改进 ❖ 3、激光跟踪精度的改进 ❖ 4、多普勒跟踪精度和覆盖的改进 ❖ 5、接近于连续的精密GPS跟踪（T/P） ❖ 6、T/P的轨道的提高 ❖ 7、密集的跟踪使得经验力平差成为可能
10年11月30日星期二
Altitude
Range
Height Reference Ellipsoid
Orbit
Bottom Topography
卫星测高技术的发展
❖ SKYLAB
❖ 是美国于1973年5月14日发射的，轨道高度为 425km，轨道倾角为50°，测高精度为 85cm~100cm，其目的是原理实验和确定大地水 准面。
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10年11月30日星期二
交叉点的计算方法
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卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
ρ = XS − XT
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
❖ 地球重力场摄动 ❖ 潮汐摄动
❖ 潮汐摄动包括地球固体潮、海洋潮汐摄动、极潮 和永久潮
❖ 大气阻力和漂移摄动 ❖ 地球反照辐射压力 ❖ 轨道调整推力模型 ❖ 太阳、月亮及行星质点（三体）引力摄动 ❖ 太阳光压摄动 ❖ 相对论摄动 ❖ 经验摄动
❖ Integrated Orbit Determination and Radiolocating by Satellite
❖ GPS ❖ Prare
❖ Precise Range And Range Rate Equipment
❖ SST
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
❖ GFO
❖ NAVY/NASA/NOAA, 347Kg, H:800km ❖ 仪器: 13.5GHz 固态测高仪， ❖ 双频（22、37GHz)水汽辐射仪 ❖ 两台GPS 接收机（10通道） ❖ Doppler信标
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
Y 地球质心 X
星载激光测量的科学目的
❖ 测定极地冰盖质量的变化
❖ 冰盖质量的改变主要是由冰块的产生（降 雪、浓缩和偶然的降雨）和转换（蒸发、融 化流失、冰山解体流失、雪流失）之间的不 均衡引起的。冰盖质量均衡是影响地球气候 的重要因素，并且具有动态性和复杂性。目 前，冰盖质量均衡变化正使得平均海平面升 高，这将威胁到人类赖以生存的陆地。 ICESat可以年际和长期测定极地冰盖质量的 变化，了解极地冰盖总量平衡和对海平面变 化的贡献，获取预测冰盖总量和海平面变化 所需的关键数据。
❖ 总之，我国空间技术和卫星应用的发展，就迫使 我们必须发展星载定轨系统技术。基于星载定轨 系统的低轨卫星定轨理论与技术势在必行。
10年11月30日星期二
10年11月30日星期二
交叉点的计算方法
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卫星测高技术的原理
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SRTM
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卫星激光测高
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激光测量原理
10年11月30日星期二
ICESat测量示意图
激光测量原理
10年11月30日星期二
GLAS参考点
GLAS姿态矢量 GLAS参考点位置矢量
激光脚点 Z
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
国际卫星定轨软件
❖ GEODYN II ❖ UTOPY ❖ GIN/DYNAMO ❖ EPOS ❖ GIPSY ❖ PANDA
NASA/GSFC CSR/UT GRGS/CNES GFZ/Germany NASA/JPL GPS/WHU
❖
2、微波辐射仪
❖
3、激光反射镜阵列
❖
4、GPS接收机
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
❖ ERS-1/2:
❖ 是由ESA（欧洲空间局）研制的。ERS1于1991 年6月发射的，ERS2于1995年发射的。其轨道高 度为785 km, 轨道倾角为98.5°
❖ ERM（准确重复任务） ❖ ERS1：有两种，35天和168天（1994年4月10日
≡
∂N a ∂t
=
∂N ∂ϕ
ϕ˙a
+
∂N ∂λ
λ˙a
N˙ d
≡
∂N d ∂t
=
∂N ∂ϕ
ϕ˙d
+
∂N ∂λ
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λ˙d
ϕ˙a = −ϕ˙d
λ˙a = λ˙d
∂N ∂λ
=
1 2λ˙
(
N˙
a
+
N˙ d )
∂N ∂ϕ
=
1 2 ϕ˙
( N˙ a −
N˙ d )
ξ
=
−
1 R
∂N ∂ϕ
η
=
−
R
1 cosϕ
∂N ∂λ
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10年11月30日星期二
星载激光测量的科学目的
❖ 绘制陆地拓扑，测量陆面粗糙度和反射率、 植被高度以及雪盖面和冰面的表面特征
❖ 极地冰盖的监测目前主要用星载雷达高度计，如海 洋地形卫星Topex/Poseidon和贾森－1（Jason－ 1）、海洋动力环境卫星ERS和Envisat等均装有雷 达高度计。雷达高度计是主动式微波仪器，地面垂 直分辨率可达5～10cm，水平分辨率通常为10km量 级，只能制作小比例尺的冰盖拓扑图。GLAS是新 型的星载激光高度计，地面垂直分辨率可达10cm， 水平分辨率为170m，能精确测量冰面特征、冰层厚 度，可制作较大比例尺的冰盖拓扑图。
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重力异常和大地水准面的反演
❖ 球面坐标形式的Laplace方程计算重力异常 的方法
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卫星定轨原理及方法
传统的建立全球地面监测站的方法，从卫星定轨的精 度和监控卫星的数量上都难以满足要求。而星载卫星 定位系统的实现对低轨卫星定轨具有划时代意义，该 系统的优越性表现为： ❖ 全天候、实时的定位、定轨和跟踪； ❖ 利用这种技术，美国NASA成功的使TOPEX/
POSEIDON卫星的定轨精度达到了4cm的水平， 而同期类似卫星的定轨精度的最好水平还处于 10cm左右。于是很多低轨卫星计划都不约而同的 将星载卫星定位系统作为定轨的首选系统。 ❖ 高（定位卫星）－低（地面测控站）模式进行低 卫星定位，具有良好的图形结构。 ❖ 无需设立全球性的地面跟踪站，大幅度的降低了 地球低轨卫星的维护费用；
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垂线偏差的确定方法
N˙ a
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星载GPS卫星定轨意义
❖ 发展低轨卫星星载定轨，对我国空间和地 学研究领域尤其具有重要意义。
❖ 首先我国设立地面、海上卫星测控站和测控中心 的区域和数量极为有限，不可能象美、欧那样在 全球建立卫星测控站，所以我国卫星定轨的精度 和有效区域非常有限；
❖ 其次随着我国今后几十年卫星技术的不断成熟， 发射的各类用途的低轨卫星数量将大量增加，对 于定轨的精度、实时性和全球性都提出了越来越 高的要求。
❖ GEOSAT
❖ 是美国于1985年3月12日发射的, 其轨道倾角为 108°,轨道高度为800km。
❖ GM（大地测量任务）：1985年3月30至1986年9 月30。330周/23.07天；
❖ ERM（准确重复任务）：1986年11月8至1989年 10月，其重复周期为17天，244周/17.05天。
10年11月30日星期二
星载激光测量的科学目的
❖ 测量云层高度和云/气溶胶垂直结构
❖ 云高和云/气溶胶垂直结构测量对于气象预报 和全球能量平衡计算都是重要的，尤其是极地 冬季，它对极地冰盖消长起着重要作用。但是 由于温度极低、黑夜漫长，常规的被动仪器的 作用受到限制。云测量通常利用微波辐射计， NOAA极轨气象卫星系列、GOES静止气象卫 星系列和DMSP国防气象卫星系列均装有微波 辐射计。其垂直分辨率通常为8～10km量级或 更大。GLAS的垂直分辨率大为提高，达70～ 200m。不仅如此，激光高度计还可监测到高空 （11～15km）卷云，以及薄云，但用微波辐射 计则难以监测。
❖ GEOS-3
❖ 是美国于1975年4月9日发射的，轨道高度为 840km，轨道倾角为115°，测高精度为 20cm~50cm，其目的是进行大地水准面、风速、 波浪、冰层和洋流等方面的研究。
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
❖ SEASAT
❖ 是美国于1978年6月28日发射的，轨道高度为 800km，轨道倾角为108°，测高精度为 20cm~30cm，其目的是进行大地水准面、风速、 波浪、和洋流等方面的研究。
至1995年35日 ❖ ERS2：35天
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
❖ 卫星上载有7种仪器：
❖ 1、RA（雷达测高仪） ❖ 2、ATSR（沿轨扫描辐射仪） ❖ 3、AMI（主动微波仪） ❖ 4、PRARE跟踪系统 ❖ 5、激光反射镜 ❖ 6、GOME（全球臭氧监测仪） ❖ 7、 IDHT(数据处理和传输仪)
10年11月30日星期二
卫星测高技术的应用
❖ 全球海平面高 ❖ 大洋环流 ❖ 动力海面地形 ❖ 实时监测环太平洋赤道的海平面异常 ❖ 海洋潮汐 ❖ 海底地形 ❖ 海洋大地水准面 ❖ 反演海洋重力异常 ❖ 垂线偏差 ❖ 海平面变化
10年11月30日星期二
卫星跟踪的主要方法
❖ 光学 ❖ 激光 ❖ Doppler ❖ Doris
❖ Envisat-1
❖ 海况预报 ❖ 海-冰预报 ❖ 雪冰探测及制图和水文的应用 ❖ 近海环境和资源管理 ❖ 船运监测 ❖ 渔业支持 ❖ 农业和森林管理 ❖ ISAR的应用（DTM、灾害监测） ❖ 自然灾害（森林火灾、洪水、地震） ❖ 污染监测 ❖ 地矿资源
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
卫星测高技术及其应用
10年11月30日星期二
武汉大学 测绘学院 李建成 2008.11
卫星测高技术
❖ 卫星测高构想的提出 ❖ 卫星测高的发展 ❖ 卫星测高的原理 ❖ 卫星测高技术的应用
10年11月30日星期二
卫星测高构想的提出
❖ 1969年Kaula提出卫星测高的构想
Sea Surface Geoid
卫星测高技术的发展
❖ Topex/Poseiden
❖ 是由NASA和法国空间局共同研制成功的，于 1992年8月10日发 射的，其轨道倾角为66 °， 轨道高度为1300km，
❖ 卫星上载有六种仪器：
❖ 法国两种：1、单频固体雷达测高仪
❖ 2、DORIS跟踪系统
❖ 美国四种：1、双频雷达测高仪
10年11月30日星期二
卫星测高的轨道
❖ 测高卫星的轨道高度：800-1300公里
❖ 轨道改进，主要有以下七种因素：
❖ 1、重力场模型的改进 ❖ 2、非保守力模型的改进 ❖ 3、激光跟踪精度的改进 ❖ 4、多普勒跟踪精度和覆盖的改进 ❖ 5、接近于连续的精密GPS跟踪（T/P） ❖ 6、T/P的轨道的提高 ❖ 7、密集的跟踪使得经验力平差成为可能
10年11月30日星期二
Altitude
Range
Height Reference Ellipsoid
Orbit
Bottom Topography
卫星测高技术的发展
❖ SKYLAB
❖ 是美国于1973年5月14日发射的，轨道高度为 425km，轨道倾角为50°，测高精度为 85cm~100cm，其目的是原理实验和确定大地水 准面。
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交叉点的计算方法
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卫星定轨原理及方法
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卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
ρ = XS − XT
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
❖ 地球重力场摄动 ❖ 潮汐摄动
❖ 潮汐摄动包括地球固体潮、海洋潮汐摄动、极潮 和永久潮
❖ 大气阻力和漂移摄动 ❖ 地球反照辐射压力 ❖ 轨道调整推力模型 ❖ 太阳、月亮及行星质点（三体）引力摄动 ❖ 太阳光压摄动 ❖ 相对论摄动 ❖ 经验摄动
❖ Integrated Orbit Determination and Radiolocating by Satellite
❖ GPS ❖ Prare
❖ Precise Range And Range Rate Equipment
❖ SST
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
❖ GFO
❖ NAVY/NASA/NOAA, 347Kg, H:800km ❖ 仪器: 13.5GHz 固态测高仪， ❖ 双频（22、37GHz)水汽辐射仪 ❖ 两台GPS 接收机（10通道） ❖ Doppler信标
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
Y 地球质心 X
星载激光测量的科学目的
❖ 测定极地冰盖质量的变化
❖ 冰盖质量的改变主要是由冰块的产生（降 雪、浓缩和偶然的降雨）和转换（蒸发、融 化流失、冰山解体流失、雪流失）之间的不 均衡引起的。冰盖质量均衡是影响地球气候 的重要因素，并且具有动态性和复杂性。目 前，冰盖质量均衡变化正使得平均海平面升 高，这将威胁到人类赖以生存的陆地。 ICESat可以年际和长期测定极地冰盖质量的 变化，了解极地冰盖总量平衡和对海平面变 化的贡献，获取预测冰盖总量和海平面变化 所需的关键数据。
❖ 总之，我国空间技术和卫星应用的发展，就迫使 我们必须发展星载定轨系统技术。基于星载定轨 系统的低轨卫星定轨理论与技术势在必行。
10年11月30日星期二
10年11月30日星期二
交叉点的计算方法
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10年11月30日星期二
卫星测高技术的原理
10年11月30日星期二
SRTM
10年11月30日星期二
卫星激光测高
10年11月30日星期二
激光测量原理
10年11月30日星期二
ICESat测量示意图
激光测量原理
10年11月30日星期二
GLAS参考点
GLAS姿态矢量 GLAS参考点位置矢量
激光脚点 Z
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
卫星定轨原理及方法
10年11月30日星期二
国际卫星定轨软件
❖ GEODYN II ❖ UTOPY ❖ GIN/DYNAMO ❖ EPOS ❖ GIPSY ❖ PANDA
NASA/GSFC CSR/UT GRGS/CNES GFZ/Germany NASA/JPL GPS/WHU
❖
2、微波辐射仪
❖
3、激光反射镜阵列
❖
4、GPS接收机
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
❖ ERS-1/2:
❖ 是由ESA（欧洲空间局）研制的。ERS1于1991 年6月发射的，ERS2于1995年发射的。其轨道高 度为785 km, 轨道倾角为98.5°
❖ ERM（准确重复任务） ❖ ERS1：有两种，35天和168天（1994年4月10日
≡
∂N a ∂t
=
∂N ∂ϕ
ϕ˙a
+
∂N ∂λ
λ˙a
N˙ d
≡
∂N d ∂t
=
∂N ∂ϕ
ϕ˙d
+
∂N ∂λ
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λ˙d
ϕ˙a = −ϕ˙d
λ˙a = λ˙d
∂N ∂λ
=
1 2λ˙
(
N˙
a
+
N˙ d )
∂N ∂ϕ
=
1 2 ϕ˙
( N˙ a −
N˙ d )
ξ
=
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1 R
∂N ∂ϕ
η
=
−
R
1 cosϕ
∂N ∂λ
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10年11月30日星期二
星载激光测量的科学目的
❖ 绘制陆地拓扑，测量陆面粗糙度和反射率、 植被高度以及雪盖面和冰面的表面特征
❖ 极地冰盖的监测目前主要用星载雷达高度计，如海 洋地形卫星Topex/Poseidon和贾森－1（Jason－ 1）、海洋动力环境卫星ERS和Envisat等均装有雷 达高度计。雷达高度计是主动式微波仪器，地面垂 直分辨率可达5～10cm，水平分辨率通常为10km量 级，只能制作小比例尺的冰盖拓扑图。GLAS是新 型的星载激光高度计，地面垂直分辨率可达10cm， 水平分辨率为170m，能精确测量冰面特征、冰层厚 度，可制作较大比例尺的冰盖拓扑图。
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重力异常和大地水准面的反演
❖ 球面坐标形式的Laplace方程计算重力异常 的方法
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卫星定轨原理及方法
传统的建立全球地面监测站的方法，从卫星定轨的精 度和监控卫星的数量上都难以满足要求。而星载卫星 定位系统的实现对低轨卫星定轨具有划时代意义，该 系统的优越性表现为： ❖ 全天候、实时的定位、定轨和跟踪； ❖ 利用这种技术，美国NASA成功的使TOPEX/
POSEIDON卫星的定轨精度达到了4cm的水平， 而同期类似卫星的定轨精度的最好水平还处于 10cm左右。于是很多低轨卫星计划都不约而同的 将星载卫星定位系统作为定轨的首选系统。 ❖ 高（定位卫星）－低（地面测控站）模式进行低 卫星定位，具有良好的图形结构。 ❖ 无需设立全球性的地面跟踪站，大幅度的降低了 地球低轨卫星的维护费用；
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垂线偏差的确定方法
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星载GPS卫星定轨意义
❖ 发展低轨卫星星载定轨，对我国空间和地 学研究领域尤其具有重要意义。
❖ 首先我国设立地面、海上卫星测控站和测控中心 的区域和数量极为有限，不可能象美、欧那样在 全球建立卫星测控站，所以我国卫星定轨的精度 和有效区域非常有限；
❖ 其次随着我国今后几十年卫星技术的不断成熟， 发射的各类用途的低轨卫星数量将大量增加，对 于定轨的精度、实时性和全球性都提出了越来越 高的要求。
❖ GEOSAT
❖ 是美国于1985年3月12日发射的, 其轨道倾角为 108°,轨道高度为800km。
❖ GM（大地测量任务）：1985年3月30至1986年9 月30。330周/23.07天；
❖ ERM（准确重复任务）：1986年11月8至1989年 10月，其重复周期为17天，244周/17.05天。
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星载激光测量的科学目的
❖ 测量云层高度和云/气溶胶垂直结构
❖ 云高和云/气溶胶垂直结构测量对于气象预报 和全球能量平衡计算都是重要的，尤其是极地 冬季，它对极地冰盖消长起着重要作用。但是 由于温度极低、黑夜漫长，常规的被动仪器的 作用受到限制。云测量通常利用微波辐射计， NOAA极轨气象卫星系列、GOES静止气象卫 星系列和DMSP国防气象卫星系列均装有微波 辐射计。其垂直分辨率通常为8～10km量级或 更大。GLAS的垂直分辨率大为提高，达70～ 200m。不仅如此，激光高度计还可监测到高空 （11～15km）卷云，以及薄云，但用微波辐射 计则难以监测。
❖ GEOS-3
❖ 是美国于1975年4月9日发射的，轨道高度为 840km，轨道倾角为115°，测高精度为 20cm~50cm，其目的是进行大地水准面、风速、 波浪、冰层和洋流等方面的研究。
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
❖ SEASAT
❖ 是美国于1978年6月28日发射的，轨道高度为 800km，轨道倾角为108°，测高精度为 20cm~30cm，其目的是进行大地水准面、风速、 波浪、和洋流等方面的研究。
至1995年35日 ❖ ERS2：35天
10年11月30日星期二
卫星测高技术的发展
❖ 卫星上载有7种仪器：
❖ 1、RA（雷达测高仪） ❖ 2、ATSR（沿轨扫描辐射仪） ❖ 3、AMI（主动微波仪） ❖ 4、PRARE跟踪系统 ❖ 5、激光反射镜 ❖ 6、GOME（全球臭氧监测仪） ❖ 7、 IDHT(数据处理和传输仪)
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卫星测高技术的应用
❖ 全球海平面高 ❖ 大洋环流 ❖ 动力海面地形 ❖ 实时监测环太平洋赤道的海平面异常 ❖ 海洋潮汐 ❖ 海底地形 ❖ 海洋大地水准面 ❖ 反演海洋重力异常 ❖ 垂线偏差 ❖ 海平面变化
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卫星跟踪的主要方法
❖ 光学 ❖ 激光 ❖ Doppler ❖ Doris
❖ Envisat-1
❖ 海况预报 ❖ 海-冰预报 ❖ 雪冰探测及制图和水文的应用 ❖ 近海环境和资源管理 ❖ 船运监测 ❖ 渔业支持 ❖ 农业和森林管理 ❖ ISAR的应用（DTM、灾害监测） ❖ 自然灾害（森林火灾、洪水、地震） ❖ 污染监测 ❖ 地矿资源
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卫星测高技术的发展
卫星测高技术及其应用
10年11月30日星期二
武汉大学 测绘学院 李建成 2008.11
卫星测高技术
❖ 卫星测高构想的提出 ❖ 卫星测高的发展 ❖ 卫星测高的原理 ❖ 卫星测高技术的应用
10年11月30日星期二
卫星测高构想的提出
❖ 1969年Kaula提出卫星测高的构想
Sea Surface Geoid