卫星测高技术的原理及应用

卫星测高技术的原理及应用

摘要：卫星测高技术是空间大地测量中的一个关键的新技术，自其产生以来，得到了迅速的发展，并在大地测量学、地球物理学、海洋学中得到了广泛应用。本

文主要介绍了卫星测高技术的产生、原理和应用，并在最后对自己的学习收获进行

了简单的总结。

1引言

卫星测高的概念是在1969年Williamstown召开的固体地球和海洋物理大会上由美国著名大地测量学者考拉首次提出的。它以卫星为载体，借助空间、电子和微波、激光等高新技术来量测全球海面高。20世纪80年代以来，计算机技术和空间技术高速发展，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。卫星测高学在这种形势下随着卫星遥感遥测技术的应用发展起来，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。

自1969年考拉提出卫星测高构想，1970年美国宇航局（NASA）发射天空实验室卫星（Skylab）进行首次卫星雷达海洋测高实验以来，30多年间国际上先后陆续发射了多代测高卫星，主要有:美国NASA等部门发射的地球卫星GeosO3（1975年），海洋卫星Seasat（1978年），大地测量卫星Geosat（1985年）;欧洲空间局（ESA）发射的遥感卫星ERSO1（1991年）和ERSO2（1995年）; NASA和法国空间局（CNES）合作发射的海面地形实验/海神卫星Topex/Poseidon （T/P，1992年）。卫星遥感技术经历了改进和完善的过程，技术和性能已趋成熟，测高精度已提高了三个数量级。

卫星测高技术经过几十年的发展，其技术和性能日趋成熟，测高精度、分辨率有了很大的提升，应用范围也扩展到全球区域的覆盖。它可以在全球范围内全天候地多次重复、准确地提供海洋、冰面等表面高度的观测值，改变了人类对地球特别是海洋的认识和观测方式，使我们有能力并且系统地进行与之有关的各种研究。目前，卫星测高已成为全球气候观测系统GCOS和全球大地测量观测系统GGOS的一个重要组成部分。

2卫星测高的基本原理

卫星测高仪是一种星载的微波雷达，它通常由发射机、接收机、时间系统和数据采集系统组成。卫星测高技术就是利用这种测高仪来实现其功能。它的基本原理是：利用星载微波雷达测高仪，通过测定微波从卫星到地球海洋表面再反射回来所经过的时间来确定卫星至海面星下点的高度，根据已知的卫星轨道和各种改正来确定某种稳态意义上或一定时间尺度平均意义上的海面相对于一个参考椭球的大地高或海洋大地水准面高。

卫星作为一个运动平台，其上的雷达测距仪沿垂线方向向地面发射微波脉冲，并接受从地面（海面）反射回来的信号卫星上的计时系统同时记录雷达信号往返传播时间 Δt 已知光速值c ，则雷达天线相位中心到瞬时海面的垂直距离h a 为：

2

a t h c ∆=⨯ 卫星发射雷达波束到达海面的波迹半径约为3～5公里。因此，测高仪测得的距离h a 相当于卫星天线相位中心到这个半径为3～5公里圆形面积内海面的平均距离。

卫星测高的基本观测方程为：

42(1)sin 2()8p a p i s r r h r r e N h h r

ϕδδ=-+--++ 式中，e 为椭球第一偏心率；a h 为卫星相对瞬时海面的高度；r 为卫星的地心距（由卫星的位置取得）；p r 为卫星星下点（卫星在平均地球椭球面的投影点）P 的地心距；i h δ为瞬时海面和似静海面之间的差距；s h δ为似静海面至大地水准面间的差距；ϕ为地理纬度；N 为大地水准面高；其相对关系如图1所示。

图1 卫星测高几何原理图

由于测高卫星在运行和工作过程中时刻受着各种客观因素的影响，其观测值不可避免的存在误差，因此要使用观测值，必须先对其进行相应的各种地球物理

改正以消除误差源的影响。这些改正包括仪器校正、海面状况改正、电离层效应改正以及周期性海面影响改正等。只有经过改正之后的h a才有意义。卫星至所选定的平均椭球面之间的距离（即大地高）h可以根据卫星的精密轨道数据得出，

当精确求得h a后可确定海面高h0：

ℎa=ℎ−ℎ0

3卫星测高的误差来源及改正

由于测高仪发射的脉冲信号在经过海洋表面反射返回接收机之前，受到多种因素的影响，根据误差来源不同，将误差分为三类，即卫星轨道误差、环境误差、仪器误差。

3.1卫星轨道误差

引起轨道误差的主要误差源可以分为四类：地球重力场模型、大气传播延迟、光压、跟踪站坐标误差。

1.重力场模型

对于真实的地球外空间的测高卫星，由于所有的星体都并非均匀密度分布的球体，通常为扁球体加上各种形变，由此产生的引力位将不同于球形引力位。为了精确地确定重力对卫星轨道的影响，需要用一个很高阶次的球谐展开函数来描述摄动的周期性特征。

2.大气传播延迟

轨道高度处的大气影响是用空气密度的经验公式与已知的卫星形状和定向来计算的，这与实际的大气影响有差异。

3.光压

当卫星受到太阳照射，则卫星表面吸收或者反射光子从而产生一个微小作用力，与其他的非保守力摄动不同，这个力称为太阳辐射压力，是由卫星的质量和其表面积决定的。

由于地球受到太阳辐射，除了自身吸收一部分热量外，地面或海洋面将反射一部分太阳能量返回太空，同时由于地球自身的热辐射，卫星将受到地球光辐射压力（来自太阳的反射）和红外辐射压力。

4.跟踪站坐标误差

不能准确确定跟踪站相对于地球中心的位置是这种误差最主要来源。SLR可以准确确定跟踪站坐标相对于地球中心的位置。

此外，卫星轨道误差还受固体潮汐、海洋潮汐等因素的影响。

3.2环境误差

1.电磁偏差

雷达测高仪量测的是卫星至海面的距离，这个值是相对于反射海面的平均值。由于海面波谷反射脉冲的能力优于波峰，造成回波功率的重心偏离于平均海面而趋向于波谷，此偏移称之为电磁偏差或海况偏差。这种改正是由于平均海面与平均散射面之间存在高度差产生的。

2.电离层折射误差

当测高卫星信号穿过电离层时，会产生折射效应，其结果对传播信号产生时