高度计测高原理

卫星海洋遥感导论AnIntroductiontoSatelliteOceanicRemoteSensing第三部分海洋参数的遥感反演第九章海洋表面动力地形卫星测量武汉大学遥感信息工程学院卫星高度计测量：优点体现在与传统的测量方法的比较上第九章海洋表面动力地形卫星测量SatelliteOceanicRemoteSensing1为什么要进行海洋表面动力地形卫星测量？海洋地形海岸地形：海岸、海岸带、海岸线、海滩、海滨、潮间带海底地形：大陆边缘、大陆架、大陆坡、大陆裾、大洋盆地、海槽海盆、海脊、隆起地、海底山与平顶山、海底高原海表地形：重要属性，四大动力系统之一（海气界面、海表、内波、环流）波高、波谱漩涡、锋面海面地形地形异常、表面流大地水准面大地测量海底地形军事、海底作业讲述安排高度计测高史（1学时）高度计测高原理（1学时）高度计测浪原理（0.5学时）高度计的主要观测对象（0.5学时）有效波高海面地形及海洋表面流大地水准面海底地形第九章海洋表面动力地形卫星测量SatelliteOceanicRemoteSensing2第九章海洋表面动力地形卫星测量SatelliteOceanicRemoteSensing39.1高度计测高回顾1964年在美国WoodsHole举行的一次“空间海洋学”研讨会，当时为高度计确定了10cm的测距技术指标。1973年在美国宇航局（NASA）发射的天空实验室（Skylab）上进行卫星高度计的首次原理性实验。为后续的卫星高度计的设计积累了宝贵的经验。1975年由美国NASA发射的GEOS-3卫星所载高度计在其三年半飞行中获取超过五百万个海面测量数据，其中包括Schiwiderski海洋潮汐模式和Cartwright固体潮汐模式修正参数。1978年，美国NASA又发射了Seasat-A，所载高度计的测距精度为10cm，有效波高测量准确度为10%，海面风速测量准确度为2m/s，并在其最后25天运行期内首次实现重复地面轨迹运行模式。9.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing41985年，美国海军发射地球重力卫星(Geosat)，卫星高度计开始业务化运行。1991年欧空局(ESA)发射了第一颗欧洲遥感卫星(ERS-1)，其上所载高度计测距精度为10cm，重复轨迹偏离、范围缩小到1km以内。1992年，美国NASA和法国空间局(CNES)联合发射TOPEX/POSEIDON卫星，装载了TOPEX和POSEIDON两颗高度计。该卫星被认为是不再需要进行轨道误差修正的首颗卫星，其测距精度为2cm。9.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing51995年,第二颗欧洲卫星(ERS-2)发射,其上所载高度计的设计与ERS-1基本相同，重复周期为35天。1998年，美国海军发射了Geosat的后续卫星高度计（Geosat-Follow-On，GFO）。GFO重复周期17天，完全沿Geosat轨道运行。2001年底,NASA和CNES发射TOPEX/POSEIDON的后续卫星Jason-1,所搭载的高度计POSEIDON-2是由POSEIDON-1发展而来，但增加了一个C波段，因此也是双频高度计。9.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing62002年，ESA成功发射大型海洋观测卫星Envisat-1。它是ERS系列的后续卫星，其上也搭载了一台双频高度计（AdvancesRadarAltimeter，简称RA-2），可工作于3.2GHz（S波段）和13.6GHz（Ku波段）。从二十世纪七十年代至今，卫星高度计已经积累了时间跨度达三十多年的全球海洋卫星观测数据。9.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing71973年天空实验室Skylab9.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing81975年GEOS-39.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing91978年Seasat-A及1985年Geosat9.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing101991年ERS-1及1995年ERS-29.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing11TOPEX/POSEIDON(1992)及其后续卫星Jason-1(2001)9.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing121998年Geosat的后续卫星高度计GFO及2002年ERS系列的后续卫星Envisat-19.1高度计测高回顾SatelliteOceanicRemoteSensing13以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的微波雷达测高仪向海面发射微波信号，该雷达脉冲传播到达海面后，经过海面反射再返回到雷达测高仪。返回到卫星后可以得到三种观测量：回波时间海面高回波信号的波形海面倾斜、海流、波高等回波信号的幅度后向散射系数、风场等9.2高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing149.2高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing159.2.1高度计测高原理卫星高度计测量海平面高度的原理理想情况下，卫星高度计的测量结果为卫星到瞬时海面的距离，即有：2tchalt卫星高度计测量海平面高度的实际过程受许多因素的影响，例如大气、海况和海洋潮汐等的影响，必须在上式消除这些影响。9.2.1高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing16卫星相对于参考椭球面的高度大气压引起海面的变化潮汐修正项基于参考椭球面的瞬时海面高度测量噪声测距偏差大气电离层大气干对流层大气湿对流层海浪引起的电磁偏差9.2.1高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing17BiasEtropWettropDryionohhhhhTbarinvaltorbitsshhhhhhh)(9.2.1高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing18卫星测高的误差修正如果卫星在椭球面上的高horbit通过精密定轨方法已经知道,则海面高hssh可表示为：大地水准面海洋动力高度9.2.1高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing19tgeoidsshhh0又：altorbitsshhhh假设horbit-c为卫星高度计轨道高度的模式计算值，△horbit为其计算误差，halt-c为halt计算值，△halt为其计算误差，即：由高度计数据计算出的瞬时海平面高度hssh-c为：hssh-c=horbit-c－halt-c=(horbit－△horbit)－(halt－△halt)=horbit－halt－△horbit＋△halt=hssh－△horbit＋△halt9.2.1高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing20altcaltaltorbitcorbitorbithhhhhh其中△halt主要由△M和ε两部分组成：△M为各种误差源进行模式计算后的剩余误差，可表示为:9.2.1高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing21Mhaltaltorbittgeoidcsshhhhh0于是：TbarinvBiasEtropDrytropWetionohhhhhhM因此，有：因卫星高度计的运行轨道是精确重复的，重复周期为T，NT时间后即可得到对该点测量的N个hssh-c，求这N个值的平均值，即可得到平均海平面hmssh-c：9.2.1高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing22Mhhhhorbittgeoidcsshcmssh0Mhhhorbittgeoidcssh00'''''errortorbittorbittorbittcmsshcsshssahMhMhMhhhh将hmssh-c从每个测量的hssh-c中减去，即可得每次测量的海平面高度距平值hssa：这里将hssa称为海面高度异常，通过海面高度异常可以观测海洋动力高度的变化量。整体误差9.2.1高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing23测高数据的误差源主要有三类：径向轨道误差仪器误差地球物理环境校正误差9.2高度计测高原理SatelliteOceanicRemoteSensing249.2.2高度计测高误差的原因及消除方法轨道误差处理方法有：单星交叠平差：即主要针对单一卫星，采用最小二乘技术使得卫星轨迹交叠点处的高度计测量值之间的不符值最小；双星或多星联合平差：即在处理两颗以上卫星测高数据时，可用较高精度的卫星轨道作控制，将较低精度的卫星轨道通过多卫星交叠平差法符合到较高精度的卫星轨道上，使低精度的卫星轨道与高精度的卫星轨道具有大致相同的精度；共线平差：它与交叠平差类似，只不过平差对象是共线轨迹上正常点之间的不符值。9.2.2高度计测高误差的原因及消除方法SatelliteOceanicRemoteSensing251.轨道误差对于TOPEX/POSEIDON卫星，其修正公式为：23/13/1dUcUbHaHhBiasEH1/3为有效波高，U为海面风速，a、b、c、d为常系数。9.2.2高度计测高误差的原因及消除方法SatelliteOceanicRemoteSensing262.电磁偏差TOPEX/POSEIDON卫星上，NASA的双频高度计采用了C和Ku两个波段同时进行测量，可对电离层误差进行校正。在有效波高是2m时，1次/s的数据采集下，经过双频校正后的电离层误差小于1cm。经验的修正hiono的方法为：240250fTEChionoTEC表示每平方米电子含量，可通过模式计算得到，f为高度计工作频率。9.2.2高度计测高误差的原因及消除方法SatelliteOceanicRemoteSensing273.电离层误差对流层中的水汽会引起雷达脉冲信号传播的延迟，由此产生的高度计测量误差称为湿对流层误差(hWet-trop)，对流层中的干空气也对雷达信号产生延迟作用，称为干对流层误差(hDry_trop)。它们的表达式为：7280log280log2cos0026.01277.23623_UdTcTbahpheetropWetstropDry9.2.2高度计测高误差的原因及消除方法SatelliteOceanicRemoteSensing284.干/湿对流层误差当大气压增加或减小时，海面会产生相应的上升和下降，一般情况下，大气压增加1mbar，海面下降1cm。气压引起的海面起伏可以表示为大气压p的函数：hinv-bar=±9.948（p－1013.3）9.2.2高度计测高误差的原因及消除方法SatelliteOceanicRemoteSensing295.大气压引起的误差ERS-1卫星高度计针对以下13种分潮：M2、S2、N2、K2、O1、P1、Q1、L2、T2、2N2、v2和μ2，采用调和分析模式：iiiiiiiiiiotduxtbuxtafhsincos131TOPEX/POSEIDON采用美国Texas大学CSR3.0模式，表达式为:nmKKkmnmnmnmnnmnmtktbkvtktakutt9.2.2高度计测高误差的原因及消除方法SatelliteOceanicR