6-卫星测高(4,5,6,7)

第六章、卫星测高2/54目录：一、引言二、卫星测高基本原理三、卫星测高误差分析四、测高卫星与数据预处理五、卫星测高数据的基准统一与平差六、卫星测高技术的应用七、卫星测高技术的最新发展3/541、测高数据的基准统一参考框架偏差定义：由于不同的测高卫星由于椭球参数、椭球定位和定向存在的差别，所以不同的测高卫星数据采用的坐标系不同。海平面的时变效应、卫星轨道误差、测高仪偏差、参考框架的不一致以及各种地球物理改正误差的存在，使不同的测高数据所得到的平均海平面之间存在系统偏差。造成的测高海平面高的系统偏差称为参考框架偏差。当对两种或两种以上测高卫星的海面高数据联合处理时，首先应统一测高数据的基准，消除参考框架偏差。五、卫星测高数据的基准统一与平差4/541）不同参考椭球基准的统一由于现有的测高卫星中，因为T/P卫星的精度迄今为止是公认最好的所以在数据处理中，一般都把其他测高卫星的海面高转换到T/P卫星海面高所位于的参考椭球和框架中来。每颗测高卫星的参考椭球都是已知的，对于选定的测高卫星来说，由于参考椭球的不一致引起的海面高变化都能在比较各卫星海面高之前得到。1、测高数据的基准统一5/541）不同参考椭球基准的统一（续）参考椭球不一致引起的海面高变化为dh：α是参考椭球的长半轴f是参考椭球的扁率ψ是大地纬度dα、df分别为长半轴和扁率的改正1、测高数据的基准统一2(1)sinadhWdafdfW221sinWe0daaa0dfff6/542）参考框架的转换不同任务测高卫星的SSH（SeaSurfaceHeight）在进行时间平均后，获得的时间平均SSH之间可能存在系统性的误差或SSH长波部分的差异。原因残余的轨道误差海洋时变测高仪的偏差这种系统误差可以用一个四参数模型来表示：Δx、Δy、Δz和B。它们分别为原点的三个平移参数和一个偏差因子（Rappet.Al，1994）。1、测高数据的基准统一参考框架的不一致性各种物理改正误差7/542）参考框架的转换(续)例：将ERS-1D的海面高统一到Topex/Poseidon的框架的数学模型：HTIP为T/P卫星框架下的海面高HERS为相应点上的ERS框架下的平均海面高λ，ψ为对应点的经纬度Δx、Δy、Δz为三个评议参数，B为偏差因子观测方程：1、测高数据的基准统一/coscoscossinsinTPERSHHxyzB/coscoscossinsinTPERSHvHxyzB＋Y.Yi(1995)ERS-135ERS-1168GeosatT/PERS135SSH(Topexframe)=ERS-135SSH(ERS-1frame)+(-2.38cm)coscos(3.40)cossin(3.31)sin(5.41)cmcmcmER利用最小二乘法分别计算、、的海面高与的海面高之间的四个参数，它们之间的关系：1168SSH(Topexframe)=ERS-1168SSH(ERS-1frame)+(-2.38cm)coscos(1.97)cossin(5.37)sin(6.15)GeosatSSH(Topexframe)=GeosatSSH(Geosatframe)+(-0.31cm)coscosScmcmcm(8.96)cossin(7.74)sin(28.24)cmcmcm8/54背景：目的：进一步削弱于残余的轨道误差、海洋时变、各种物理改正误差对SSH的影响进一步将其它测高数据的基准与T/P基准统一。在不同任务的测高卫星数据经过参考椭球统一和四个参数转换统一到T/P数据的基准后，还应进行多种测高数据联合交叉点平差和共线平差。2、测高数据平差方法9/541）交叉点平差：交叉点：卫星从南半球向北半球运行在地面的投影轨迹称为升弧，从北半球向南半球运行的轨迹称为降弧。2、测高数据平差方法(12-02)卫星绕地球运行经过一定的周期将在地面形成一个由升弧和降弧织成的菱形轨迹网络，并覆盖由卫星倾角确定的对称于赤道的球带区域。通常将升弧与降弧相交的点称交叉点，即轨迹网络的结点。10/541）交叉点平差（续）：若无误差影响，在交叉点上用升弧和降弧的测高数据出两个海面高值理论上应严格相等。实际上测高过程和采用的计算模型存在多种误差源，这两个海面高必然出现不符值。2、测高数据平差方法如果已对测高数据作了除径向轨道误差外的其它物理环境的改正，包括潮汐改正，那么交叉点上海面高的不符值主要反映径向轨道误差。11/541）交叉点平差（续）交叉点平差可分为区域平差全球平差（1）对于区域平差，实用中通常采用适合于中长弧的模型，包括偏差项xo和倾斜项x1μ，可建立观测方程。2、测高数据平差方法012010012sincosaeMMrxxxrxxrxxxx，长弧，中长弧，短弧、、为与轨道长半径，偏心率和平近点角的摄动有关的参数，在区域范围内假定是常数，是交叉点平差的待估参数，为相对一个参考时间关于的时间变量。12/541）交叉点平差（续）（1）区域交叉点平差观测方程：2、测高数据平差方法010100011ˆˆˆx1x()()()()()()(aaaaobsddddobsobsijaidjkobskobskdjaidjdjHHxxtHHxxttttHHadlHHxxxtx将交叉点的海面高的不符值作为观测量，采用前式的线性模型，升弧：降弧：为海面高的平差值，为海面高的观测值，表示升弧，表示降弧，、2是待估径向轨道误差参数，以上两式相减，得观测方程：)()ijkaiait式中为升弧编号，为降弧编号，下表为交叉点编号。1ˆˆˆ()TTVAXLALXXAPAAPl矩阵形式的误差方程：式中，为系数矩阵，为观测值向量，为未知参数向量，最小二乘解为：13/541）交叉点平差（续）（2）联合交叉点平差在联合交叉点平差中，由于T/P数据的观测精度要高于其它卫星测高数据，因而将其全部固定。并且认为交叉点的不符值是残余的轨道误差、海洋时变、各种物理改正误差引起的。采用高阶多项式拟合轨道误差并在较小的区域内进行交叉点平差会获得更好的效果。但为了避免造成过度拟合可能性，采用以截距—斜率式直线方程拟合轨道即轨道误差参数个数为2比较好。2、测高数据平差方法14/541）交叉点平差（续）（2）联合交叉点平差（续）如要联合三种甚至更多种的测高数据进行处理，双星交叉点平差只能将一种数据分别与T/P进行，这样可能会造成其他两种（或多种）测高数据之间的不协调性，同时分别进行平差，效率也较低。为此，实际处理办法是采用多星交叉点平差一步同时进行，在平差中，一并引入模型大地水准面和海面地形等先验数据。这样，不仅提高了多星各自的径向轨道精度，而且提高了效率，确保了多种数据联合处理的统一性及协调性。2、测高数据平差方法15/542）共线平差：背景：为了检核观测数据的可靠性和分析各种误差影响（主要是径向轨道误差），以及研究海面变化和提高平均海面的精度要求测高卫星轨道满足：一定分辨率的地面轨迹交叉点网络一定重复周期的重复轨迹沿海面重复轨迹可获得大量的海面高重复观测，提供了海面变化的丰富信息，由此确定的平均海面将达到很高的精度。2、测高数据平差方法16/542）共线平差（续）：在理想的状态下，测高卫星每一周期相对应的弧的地面轨迹应该吻合。由于引力、电离层、仪器等种种原因，卫星的地面轨迹并不能精确共线，轨迹之间的最大距离可达1公里。由此，通过固定一条轨迹为参考轨迹，来确定其它周期相对应弧的相同纬度点的经度及其海面高，即得到海平面高的异常变化。2、测高数据平差方法17/542）共线平差（续）：数学模型2、测高数据平差方法对于上升弧，如图右上所示，O为参考轨道的观测点，O’为不同周期对应轨迹相同纬度点，显然，这个点不可能有直接卫星观测纪录。因此，这个点的海面高可以通过O’点相邻两观测点P、Q的记录，通过线性内插求得。18/542）共线平差（续）：数学模型2、测高数据平差方法内插同纬度对应共线点海面高的统一表达式：()/[()cos]PQPQQD()/(cos)PPOOD与O点对应的O’点的海面高为：()()()OQQPQPQHHHH19/542）共线平差（续）：对2′×2′的格网分辨率，取同纬圈上各重复轨迹测高值的平均，即时间平均海面高。共线法平差利用重复轨迹上同纬度点海面高的时间平均，可有效地消除周期短于所用共线轨迹时间跨度的时变海面高影响。所求得的平均海面可以认为至少在观测时间跨度（如几个月，几年或更长）内的稳态平均海面。2、测高数据平差方法20/542）共线平差（续）：获得整个海域各类测高卫星轨迹上的离散点精密海面高的步骤：对各类卫星测高观测数据进行预处理精化，包括数据的编辑，统一参考椭球和参考框架，部分消除残余系统偏差。用共线法确定所有重复共线轨迹的时间平均海面高，以初步削弱轨道误差和海洋时变等残余系统误差，并可显著减小交叉点不符值。最后对所有各类测高轨迹进行近于全组合式扩大的多星组合交叉点平差，进一步削弱径向轨道误差。2、测高数据平差方法21/54背景：卫星测高是利用激光或雷达测量卫星和星下点之间的距离和相应时刻的卫星空间坐标及各种海面高物理改正模型来测算海面的大地高。经过几十年的发展，测高精度：由米级提高到目前的厘米级分辨率：由上百公里提高到现在的几公里测高的对象：由海洋扩展到冰面甚至陆地地区在时间尺度上：从几天到几十天的时间采样重复率和持续几年、十几年甚至几十年的观测六、卫星测高技术的应用22/54背景：卫星测高提供了迄今为止最为丰富的海平面时间序列信息和全球平均海面精细结构，填补对全球海岸以外广大开阔海洋潮汐观测的空白。大大拓展了相关学科领域的研究，随着仪器性能的改善、观测精度、各种遥感仪器的联合使用，卫星测高技术逐渐发展到固体地球、近海、陆地等许多领域，为这些领域的研究提供基础的观测数据支持。六、卫星测高技术的应用23/541、卫星测高技术在大地测量学中的应用背景确定地球形状及其外部重力场是大地测量学的基本任务之一。海洋占地球表面积的71%，全球重力场的确定在很大程度上取决了海洋重力场的确定。卫星测高是确定海洋重力场精细结构的最经济有效的手段。利用卫星测高数据可确定高分辨率的大地水准面，继而精密确定地球形状，使其实现全球高程基准统一成为可能。利用卫星测高数据可间接或直接确定海洋重力场的其他参考量，如重力异常、垂线偏差等，这些成果使得大地测量在实现其基本任务和科学目标的进程中有了突破性进展。六、卫星测高技术的应用24/541）测高数据剖面计算垂线偏差的方法Sandwell（1984，1992）最先提出了根据卫星测高观测量计算卫星测高交叉点处的垂线偏差的方法。1、卫星测高技术在大地测量学中的应用aaaaddddaaddNNNNtNNNNt大地水准面沿升弧和降弧对时间的导数：、、、分别表示卫星地面升弧轨道在经度、纬度方向上的速度adad当卫星轨道近似圆轨道时，有1()21()2adadNNNNNN11cosNRNR由此可计算垂线偏差代入25/542）测高数据反演海洋重力异常的方法早期忽略海面地形的影响，将测高平均海面高看作大地水准面高，利用逆Stokes公式反演重力异常。现在计算过程趋于精细，利用波数相关滤波方法、方向敏感滤波方法等，力求排除测高数据中的各种非静态信号和海面地形影响，以求得到比较纯净的测高大地水准面“观测值”。再用逆Stokes公式求解重力异常随后，最小二乘配置法也被用来计算海洋重力异常，通常用于局部海域的计算。1、卫星测高技术在大地测量学中的应用26/542）测高