卫星测高技术及应用 期末复习要点整理汇总

卫星测高技术及应用 期末复习要点整理汇总

>· 第1章 卫星测高技术发展及应用概述

· 第2章 卫星雷达高度计观测基本原理

· 第3章 卫星高度计观测误差

· 第4章 卫星测高波形理论与处理方法

· 第5章 卫星测高数据处理理论与方法

· 第6章 卫星测高反演海洋重力场理论与技术

· 第7章 卫星测高技术应用

第1章 卫星测高技术发展及应用概述

卫星测高已成为全球气候观测系统（GCOS：Global Climate Observing System）和全球大地测量观测系统（GGOS：Global Geodetic Observing System）的一个重要组成部分。

海面高度：精度最高。根据发射脉冲和接收脉冲间的时间间隔，确定卫星质心到星下点的距离，进而计算星下点的海平面高度

有效波高（SWH）：精度较高。分析返回脉冲波形形状的特征，确定海洋的有效波高。有效波高等于4倍海面的均方根波高 。

海面风速：精度较低。通过接受到的能量及其强度，可以获取雷达的地面后向散射系数，进而求定海面风速。

测高卫星简介：

已结束测高任务：Skylab、GEOS3、SEASAT、GEOSAT、ERS1、T/P

正在运行的测高任务：雷达测高：ERS2、 GFO、 JASON1、 ENVISAT、 JASON2(OSTM)

激光测高：ICESat

计划实施的测高任务： Cryosat、Saral(AltiKa)、HY-2、NPOESS 、 Sentinel3

概念性卫星测高：Wittex、GPS测高、WSOA

卫星搭载的仪器：

合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar），用来提供高质量详细的海洋和陆地雷达图像；

雷达散射计，用来测量近地面风速及其方向；

多频段微波辐射计，用来测量地面温度、风速及海冰覆盖；

雷达高度计，用来测量海面和浪高。

GEOSAT前后工作了近五年，首次提供了具有重复性、高分辨率、长期性高质量的全球海面高数据集，标志卫星测高技术进入了成熟阶段。

两种卫星序列时代的开始

进入上个世纪90年代后，为了进一步改善仪器性能，高度计采用了两种不同的方法，卫星高度计从而进入了两个不同系列的时代。

第一个系列主要由美国宇航局和法国空间局（CNES：Centrale Nationale d’ Etudes Speciales）研制，主要用于海洋研究，代表卫星即为T/P、JASON-1及JASON2卫星。

而另一个系列主要由欧洲空间局研制和发射，可以用于所有类型地面观测，代表卫星为ERS1/2和ENVISAT-1。

ERS1-微波辐射计MWS：

MWS是一种被动式微波仪器，工作频率为23.8GHz和36.5GHz

MWS主要用来观测大气中的水汽柱和云层的液态水含量，进而用来改正高度计观测信号；此外，MWS的观测数据还可用来确定表面发射系数（ surface emissivity）及陆地上的土壤湿度（ soil moisture） ，这对于大气研究与冰特征研究中地表

能量预算估计非常有用。

ERS1-定位系统－PRARE

PRARE用来精确确定卫星位置及轨道特征。

PRARE是一种卫星跟踪系统，通过观测卫星到地面的异频雷达接收机间的双程距离及距离变率来实现

由德国的斯图加特大学INS研究所、慕尼黑Kayser-Threde GmbH及慕尼黑Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, Munich研制。

系统功能：1）提供全天候的精密卫－地及卫－卫距离及距离变率信息；2）通过交叉检验和验证程序获取可靠观测值；3）通过卫星本身的数据采集与分发确保地面部分的高效运行，并通过一个地面中心站控制全球其他站网；4）在一个归档、处理和分发中心可以快速生成相关产品。

原理：星载传感器发射两个频率信号，其中一个频率卫S波段（2.2GHz），另一个为X波段（8.5GHz），两个信号均用一个PN（伪随机噪声码）码调制 ，地面站同时观测两个同时发射的信号的时间延迟（观测时间延迟精度低于1ns）并将其发射到卫星用于电离层数据改正。地面站收集的气象数据也用于对流层改正。

椭圆轨道为太阳同步、近极地轨道。轨道高度785km，倾角98.5° 。降交点时间为当地10:30 a.m.

太阳同步轨道（Sun-synchronous orbit 或 Heliosynchronous orbit）指的就是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道的倾角（轨道平面与赤道平面的夹角）接近90度，卫星要在两极附近通过，因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向，因此轨道平面每天平均向地球公转方向（自西向东）转动0.9856度（即360度／年）。

T/P测高卫星

TOPEX ：TOPographic Experiment：地形实验

发射时间：1992年8月10日

发射机构：美国宇航局和法国空间局

目的：“观测和认识海洋环流“

1.研究大尺度海洋环流及其与气候的相互作用，改善人类对全球气候中海洋所处的地位的有关知识2.增进海洋中热传播的认识3.研究潮汐及其模型4.通过卫星测高观测值改善海洋大地水准面5.计算全球范围的平均海面变化趋势 。

卫星轨道：高度：1336km倾角：66°重复周期：10天。

高轨道可以减小大气阻力和重力对卫星的影响，同时有助于更加容易和精确确定卫星轨道。

2002年9月15日，T/P轨道调整到新位置，处于原始原始两轨道的中间位置。原轨道被JASON1使用。

搭载仪器设备：

Topex高度计，即NASA雷达高度计（NRA：NASA Radar Altimeter）

Poseidon-1高度计，这是固态雷达高度计（SSALT：Solid State ALTimeter）

TMR(Topex Microwave Radiometer)－(18, 21 and 37 GHz)

全球定位系统（GPS：Global Positioning System）

多普勒轨道学和无线电定位的卫星集成（DORIS: Doppler Orbit and Radi

o Positioning Integrated by Satellite）定轨系统。

LRA

相比早期的测高系统（SEASAT和GEOSAT）而言，已经对T/P实施了许多改进，包括特别设计的卫星、一整套传感器、卫星跟踪系统、轨道配置、以及精密轨道确定使用的优化重力场模型、专门的任务运转地面系统。

T/P奠定了从空中对海洋进行长期性监测的基础，可以以前所未有的精度每10天一个重复周期提供全球动力海洋地形（DOT：Dynamic Ocean Topography）或者海面高度（SSH：Sea Surface Height）。

2002年9月15日，T/P调整到新的轨道高度，新轨道调整到原轨道与原地面轨迹之间的中间位置上，而T/P的初期轨道由JASON-1取代。这种一前一后的任务同时验证了测高卫星星座的科学能力。由于齿轮俯仰反作用力矩的失灵，T/P获取的数据维持到2005年10月结束，而整个任务最后结束于2006年1月18日。

ERS2测高卫星：

ERS2属于ERS1的后续卫星，发射时间：1995年4月，发射机构：ESA

主要任务：进行地球观测，特别是对大气和海洋的观测。

轨道高度：785km、轨道倾角98.5°

搭载仪器：与ERS1基本相同

从1995年8月到1996年6月期间，ERS2与ERS1构成了一前一后的并具有相同轨道（35天）的卫星观测系统。从2003年6月22日开始，ERS2卫星上用于记录高度计数据的磁带机因许多故障影响了数据的记录存储，只有当卫星飞越欧洲、北大西洋、北极和北美西部地区时，地面站才可以获取数据，而在其他地区，无法获取测高数据。

GFO测高卫星：

GFO（Geosat Follow-On）属于GEOSAT的后续卫星，

发射时间：1998年2月10日，发射机构：美国海军

主要任务：为美国海军提供近实时的海洋地形数据

搭载仪器：高度计，属于专门的测高卫星

轨道：按GEOSAT的17天重复轨道运行，轨道高度880km，轨道倾角108°

军用卫星，数据一般不向用户开放，只有向美国国家海洋大气局（NOAA:National Oceanic and Atmospheric Administration）申请的科学和商业用户才有权使用该产品。

JASON1测高卫星：

T/P的后续卫星，发射时间：2001年12月，发射机构：美国宇航局和法国空间局

发射目的：主要目标是以不低于T/P的精度水平来测定全球的海面地形，从T/P和JASON-1的高精度、长时间连续的观测数据得到全球的海面地形，进而确定海洋环流，研究全球气候变化。

其主要特征（轨道、仪器、观测精度等）与T/P基本一致。

轨道高度：1336km 轨道倾角：66⁰（全球90%以上海洋）

重复周期：10天 海面观测精度：4.2cm（GDR）；5.2cm（IGDR）

卫星重量：总共约500kg，由多任务卫星平台和一个JASON-1特殊有效载荷舱组成。

卫星平台负责卫星的日常事务管理，包括推进

器、电功率、指令及数据处理、无线电通讯和姿态控制，而载荷舱为JASON-1仪器提供机械、电力、热及动力支持。

JASON-1采用新的地面控制系统，由三部分组成，一个是普罗特斯地面部分（PGGS：Proteus Generic Ground Segment），位于法国的图卢兹；另一个是方案操作控制中心（POCC：Project Operation Control Center），位于美国加利福尼亚帕萨迪纳；第三个是多任务地面部分（SSALTO：Segment Sol multimissions d'ALTimétrie, d'Orbitographie et de localisation précise），位于法国的图卢兹，这三个部分分别完成各自的任务和工作。

搭载仪器（5个）Poseidon2高度计：主要仪器，用来观测海面高度、微波辐射计（JMR：Jason-1 Microwave Radiometer）：用来测量大气中水汽的扰动、DORIS系统、TRSR（Turbo Rogue Space Receiver）定位系统、LRA（Laser Retroreflector Array）激光跟踪系统。

Poseidon2高度计为双频固态雷达高度计，由CNES研制制造，工作频率为13.575GHz（Ku波段）和5.3GHz（C波段），两个频率同时观测得到距离、风速和有效波高，同时可用于电离层改正。

JASON1-辐射计：JMR为三频微波辐射计，三个频率（18.7GHz、23.8GHz和34.0GHz）同时观测海面亮温，以提供对流层中沿高度计雷达波束上的整个水汽含量。23.8GHz通道为水汽观测的主要频道，同时也是JMR上的多余频道；18.7GHz频道用来提供海面背景辐射中因风力引起的改正；34.0GHz频道则提供云层液态水的改正。

TRSR为一个高级无码六通道的GPS接收机，由JPL研制。GPS数据用来提供精密轨道确定和改善地球重力场模型。

LRA为激光反射阵列，由NASA研制制造。LRA安装在卫星星下点这面，用来反射约10～15个卫星激光跟踪站的信号，从而对JASON-1进行校正和精密轨道确定。