卫星测高技术及应用课程复习 (半成品)分解

卫星测高技术及应用课程复习

主要学习章节

1、卫星测高技术发展及应用

2、卫星雷达高度计观测基本原理

3、卫星高度计观测误差

4、卫星测高波形理论与处理方法

5、卫星测高数据处理理论与方法

6、卫星测高反演海洋重力场理论与技术

7、卫星测高技术应用

第一章卫星测高技术发展及应用

1.1引言

1.2卫星测高技术发展概述

1.3卫星测高技术应用概述

1.4卫星测高基本概念

复习要点

1、卫星测高与传统海洋观测的手段优势对比或主要特点？

2、海洋遥感监测卫星主要分类。

答：海洋地形观测卫星、海洋综合环境卫星。

3、卫星测高任务概况

答1）SKYLAB：

最早搭载有高度计的卫星－－高度计S193

第一次得到因海底特征引起的海洋大地水准面观测值奠定了卫星测高学的技术基础

2）GEOS3：地球动力学实验海洋卫星第一颗专门用于测高的海洋地形卫星 3）SEASAT：海洋卫星持续时间99天

SEASAT首次提供了全球范围的海洋环流、波浪和风速 4）GEOSAT(大地测量卫星 )、GFO(GEOSAT后续卫星) 为美国海军测量海洋大地水准面

GEOSAT ：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 5） ERS1/2（欧洲遥感卫星）、ENVISAT（环境卫星） ERS1采用PRARE：用来精确确定卫星位置（失败） 6） T/P、JASON1/2

T/P卫星观测精度是同期测高卫星中最高的

4、测高卫星的主要仪器设备？

答：一般的测高卫星都有，高度计、辐射计、DORIS系统（精密轨道确定）、有些卫星有全球地位系统（GPSP）、激光反射阵列（LRA）等。

5、卫星测高任务重搭载辐射计的主要目的。

答：观测地球表面辐射来确定大气中的水汽含量，进而对高度计观测进行延迟改正，还可以观测风速、地表监测。

6、与同期测高卫星相比，T/P测高卫星精度为什么最高？

答：精密轨道确定系统。

7、大部分雷达测高卫星均使用双频观测，为什么？

答：双频可以进行电离层改正，还可以估计降雨。

8、卫星测高任务中使用的主要定轨方式？

答：DORIS、PRARE、GPS、LRA。

9、传统的指向星下点的雷达高度计的主要不足？可能存在哪些技术改进？

答：不足：1）确定深海中尺度现象受到制约；

2）覆盖有限

3）空间分辨率

改进：测高频率的改变，由Ku、C、S波段测高改为Ka波段测高。

测高方式的改变，由星下点测高改为偏离星下点测高。

接收其他信号，由发射并接受信号改为接收信号（GNSS）

10、GNSS测高的工作方式？优缺点？

答：工作方式：星载GNSS接收机接收GNSS星座卫星向下发射并经海面反射的信号，通过测量两个信号的时间延迟，就可以计算海面高度

优点：成本低、数据获取量大、覆盖范围广缺点：精度低

11、Ka波段测高的优缺点？干涉/雷达高度计工作方式？

答：

优点：1）电离层衰减延迟：基本上可以忽略，因此不需要使用双频高度计。

2）脉冲重复频率高：ka波段对海面回波地解相关时间要短，有可能增加每秒的独立回波量

3）带宽大：可以提供更高的垂直分辨率

4）更好描述海面粗糙度

5）穿透性较弱。冰雪面上雷达信号渗透低

6）Ka波段能更好的对冰、雨、近海地带、陆地物质（例如森林）和波高进行观测。缺点：对流层中的水或水蒸气的衰减大，尤其在热带地区。电磁波受对流层中的水汽延迟响较大。

宽刈幅海洋高度计（WSOA：Wide-Swath Ocean Altimeter）是一种将高度计与干涉计联合使用的测高方案。它是将几个高度计安放在天线竿上，然后同时获取观测值，因此，可以提供连续的、单一或者多高度计的广域覆盖。WSOA可以作为一个试验仪器安放在JASON 卫星上一起飞行WSOA 是一种广域雷达高度计，主要基于高度计和干涉计联合测量的技术，能够沿着卫星地面轨迹中心的刈幅进行海面高测量。

WSOA 的工作方式为：每个干涉计发射一个微波，同时可以接收其他干涉计返回来的微波信号。天线的视角宽度约4o，因此干涉计照明的地面刈幅宽约100km，卫星近距离时

相邻轨迹间有效地面像素大小约 670m ，而在远距离时约100m ，沿轨迹方向像素大小约 13.5km 。每个干涉计的影像进行拼接，将最后观测值平均成分辨率为 15km 的单元格。

12、 卫星测高技术应用概况

答：大地测量学、地球物理学、海洋学、气候、水文学、冰川学 传统应用：大地测量学和地球物理学 拓展应用：海洋学和气候学

原始测高观测数据

海洋、水文观测数据 相关模型数据

理论 方法

技术 平均海面高 海洋垂线偏差 海洋重力异常 海洋大地水准面 潮波模型 海面地形模型

海底地形模型

海洋环流 极地冰盖高程模型及变化 内陆湖水位时间变化序列 海平面变化

时变海面高分析 异常海面高分析

海洋动力现象

内陆水域气候环境分析

海洋岩石圈结构及地球物理解释

多学科交叉检验

全球平均海面高模型 海洋环境监测 1.海平面变化 2.海洋潮汐 3.海洋环流 4.海面风速

5.海浪监测（海啸） 海洋重力场

1.测高垂线偏差、大地水准面、重力异常

2.陆海大地水准面拼接统一

3.反演海底地形

13、基本概念

1）海面高度，平均海面，平均海面高

海面高度（SSH ：Sea surface height ） 是指海洋表面的高度（地形或起伏）。在一天之内，SSH 很明显主要受到月球和太阳作用在地球上的潮汐力影响，而在长时间范围内，SSH 受到地球重力场及海洋环流两者的影响。

平均海面（MSS ：Mean Sea Surface ）表示海洋表面在一适当的时间内对海面进行平均， 以剔除一年、半年、季节性及其他虚假性质的海面高信号后所得的海洋表面的位置。 海面高是指（瞬时或平均）海面相对于参考椭球面的高度，通过将卫星高度H alt 减去卫星到海面的距离 Rc 得到，即： SSH = H alt ? Rc 其中 Rc 表示经过大气折射改正、海况改正后的距离。 2）海面地形（SST ）、绝对动力地形（ADT ）、平均动力地形（MDT ）

海面地形（SST ：Sea Surface Topography ）也可以分为两部分，即稳态海面地形（或平 均海面地形）和海面异常。稳态海面地形为一参考时间段内平均海平面相对于大地水准面的 高度；

3）海面异常（SLA,SSHA ）：海面异常升降是指海面高度超常规的上升、下降的现象。由于

数据 技术 模型序列 应用分析 检验

潮汐作用、气候变化、海水热容量变化、地球自转速度变化等原因，海面始终处于复杂的升降变化之中

4）重复周期：卫星两次经过同一点的时间。

5）卫星指向点、卫星指向角误差：通常称雷达天线的视轴方向与卫星星下点方向间的夹角为卫星的指向角或姿态角；又因为一般情况下，卫星指向最好是星下点方向，而这个角度表示了方向的不一致性，经常也称其为指向角误差。

6）波形重跟踪

7）有效波高：将波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的1/3部分波高的平均值称为有效波高

8）海况误差（电磁偏差、倾斜偏差）

9）逆气压改正：大气压的变化会引起海面的变化，而且是逆压的，即气压增高、海面降低，反之亦然。它们之间的关系可以假设为：海面上的气压变化为1mPa 时，海面高的变化为1cm。逆气压效应是海水面对大气压的简单反映。逆气压改正（以mm为单位）可以由下式计算得到：IB = ?9.948( P?1013.25)

10）入射角：入射光线与垂线之间的夹角。

第二章卫星雷达高度计观测基本原理

2.1引言

2.2卫星测高观测方式

2.3雷达测量基本原理

2.4雷达高度计观测原理

复习要点

1、卫星测高基本原理

基本原理是根据海洋表面返回的信号来确定海面至卫星间的距离和有效波高及海面风速。

由于卫星测高技术能够提供最为丰富的全球海平面变化信息和平均海面精细结构，已发展到在地球物理学领域和大地测量学领域的广泛应用。目前用它来研究地球重力场、海洋环流、海底地形、全球海平面变化、海洋岩石圈等已成为大地测量工作者和海洋研究人员共同关注的十分活跃的前沿研究领域。

2、卫星测高两种基本方式的特点

答：脉冲宽度有限方式

波束宽度有限方式

其中在卫星测高中主要采用脉冲有限方式，与重力异常所要求的10公里的水平分辨率是密切相关。

窄波束雷达高度计的足迹是指天线波束角所照明的海面区域，其中的天线波束角由天线增益模式的半功率点确定。对于海面高度测量值而言，要求天线波束相对较宽，以至于足迹大到足以过滤海面波浪的作用，从而获取平均海面测量值。同时，足迹也应该足够小，小到可以得到有实际意义的海面测量值。

3、当前测高任务主要使用哪些频段，各频段有何优点和不足？

ERS1：单频，Ku波段，13.8GHz

T/P：NRA(双频Ku：13.575，C:5.3),SSALT（单频13.65）

JASON1：Poseidon2（双频Ku：13.575，C：5.3）

ENVISAT:（双频：Ku：13.575，S：3.2）

JASON2：Poseidon3（双频Ku：13.6，C：5.3）

原因：

1）受到国际有关机构的管理和协调，使用频段有限。卫星的任务目的不同，使用频率不同2）与天线、发射功率有关（技术上的原因）。即航空器天线尺寸设计的限制决定了对卫星测高有用的频率非常有限。

3）在海面，电磁辐射中的灰体辐射非常微弱，而在这些频率段内，海水的反射率却非常高，因此，很容易区别雷达的反射和海水的自然辐射。

4）当频率大于18GHz时，大气衰减急剧增加，使得到达海面并反射回到高度计的传播信号功率减小；

5）当频率小于2GHz时，受到地面通信、导航及雷达等民用、军用电磁辐射的干扰。

各频段的优点和不足

Ku波段（13.6GHz）：Ku波段是目前卫星测高使用最多的频段，T/P,JASON-1，ENVISAT,ERS 等卫星高度计均使用了Ku波段。首先，该波段在技术上可行，这与发射功率有关，其次，由于国际上对各波段的使用有相关规定和管理，此外，该波段对大气（包括电离层）扰动敏感。

C波段（5.3GHz）：通常认为C波段对电离层扰动的灵敏度高于Ku波段，但对大气液态水的灵敏性弱。使用C波段的主要作用是与Ku波段观测值联合使用，用来改正电离层延迟。S波段（3.2GHz）：与C波段类似，S波段也经常与Ku波段联合使用。

Ka波段使用的优点

1)Ka波段能更好对冰、雨、近海地带、陆地物质（例如森林）和波高进行观测。

2)电离层延迟小。除了某些异常的电离层状况外，电离层影响可以忽略，没有必要采用双频测高仪进行电离层改正。即使在有明显的电离层干扰时，只需利用DORIS系统提供的数据进行电离层改正。

3)脉冲重复频率高（4KHz）。Ka波段回波的抗相关时间比Ku波段要短，可以明显增加每秒钟独立回波的数量，因此可提高观测数据的平均分辨率。

4)带宽大。K啊波段能使用500MHz的带宽，使测高仪更高的垂直解析度提高到0.3cm。而Ku波段测高仪的带宽仅有320MHz，垂直分辨率为0.46cm。

5)穿透性较弱。对于散射特性不够了解的反射面而言，电磁波的穿透特性是影响测距精度的

重要因素，穿透深度越大距离观测值精度越差。散射系数与电磁波波长的4次方成反比，从Ku 波段到Ka 波段，散射系数大约增加了55倍，散射系数越大，电磁波衰减率越大，穿透性越弱。Ka 波段电磁波对雪面的穿透深度只有0.1—0.3m,而Ku 波段有2—10m 。 Ka 波段的主要缺点：

是电磁波受对流层中的水汽延迟影响较大，因此降雨会严重干扰观测。如果降雨量大于1.5mm/h ，测高仪接收到的回波将不能用。而对于Ku 波段，小于3mm/h 的降雨量几乎不影响回波。

4、高度计测风基本原理

答： 雷达目标有效截面（Radar Cross Section ：RCS ）：表示雷达信号回波强度的一个物理量。单位为面积单位，符号σ

规格化雷达有效截面（NormalizedRadarCrossSection ：NRCS ）：单位面积内的雷达散射，σ0

海面粗糙度：海面光滑及起伏程度，主要由锐利判据（Raylelgh Criterion ）及更严格的佛郎和费判据 进行判断。

规格化雷达目标有效截面、海面粗糙度、风浪与海面风速之间的关系：

当入射角很小时，海面对微波信号的反射主要属于镜面反射，如果海面光滑，那么返回到高度计的信号就越多，也就意味着规格化雷达目标有效截面也就越大；如果海面粗糙，微波信号就会向各个方向反射，许多信号都不可能返回到雷达高度计，从而NPCS 也就相对较小。因此，高度计的NPCS 可以由海面粗糙度来确定，海面越粗糙，那么NPCS 越小。所以，可以认为NPCS 是海面高和倾斜的函数，这个函数的主要参数就是海面均方斜率（mean square slope ；MSS ），而MSS 主要由短尺度风浪确定。一般情况下，风浪主要由海面风生，因此，尽管不是直接的，NRCS 还是通过风浪与海面风速存在联系。

5、有哪些主要遥感方式进行海面风速观测？

答：微波高度计：当高度计入射角 0 = θ 时，后向散射截面和海面风速之间存在一种反比关系。

微波散射计：散射计入射角一般大于20度，海面散射主要是Bragg 散射，也是测量归一化雷达目标有效截面。可以测量风向，获取大面积海面风速。

微波辐射计：统计回归分析方法：在ERS 、Envisat-1和T/P 及Jason 上搭载了辐射计，利用辐射计进行水汽测量，从而可以用辐射计进行水汽引起的路径延迟距离改正，还可以计算风速。

合成孔径雷达（SAR ）：例如Envisat 上搭载的ASAR ，入射角一般大于20度，可以同时测量海面风场。主要方法也是根据雷达后向散射截面反演海面风速。

6、卫星雷达高度计的观测信息包括哪些？精度如何？

高度计雷达目

标有效截面

海面风

海面粗糙度 海面风浪

答：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

7、什么叫有效波高？

答：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。

第三章卫星高度计观测误差

3.1仪器改正

3.2大气延迟改正

3.3海况影响

3.4外部地球物理校正

3.5微波辐射计水汽改正

3.6卫星轨道

3.7卫星指向角影响

复习要点

1、高度计观测误差概况

答：大气折射改正

1.对流层改正

2.电离层改正

海况偏差

1.电磁偏差

2.倾斜偏差

仪器改正

1.跟踪器偏差

2.波形采样增益

校正偏差

3.天线增益模式

4.AGC衰减

5.多普勒频移

6.距离加速度

7.振荡频率漂移

8.天线指向误差

外部地球物理校

正

h

1.大地水准面高

g

h

2.海面潮汐高

T

h

3.大气压负载

a

2、电磁偏差与倾斜偏差的区别？

3、逆气压效应（逆气压改正）是指什么？

答：大气压的变化会引起海面的变化，而且是逆压的，即气压增高、海面降低，反之亦然。它们之间的关系可以假设为：海面上的气压变化为1mPa 时，海面高的变化为1cm。

逆气压效应是海水面对大气压的简单反映。逆气压改正（以mm为单位）可以由下式计算得到：IB = ?9.948( P?1013.25)

4、卫星指向角？指向角或指向角误差

答：通常称雷达天线的视轴方向与卫星星下点方向间的夹角为卫星的指向角或姿态角；又因为一般情况下，卫星指向最好是星下点方向，而这个角度表示了方向的不一致性，经常也称其为指向角误差。

5、入射角

答：入射角：入射光线与垂线之间的夹角。

6、影响测高卫星轨道误差的主要因素？

第四章卫星测高波形理论与处理方法

4.1引言

4.2测高回波基本理论

4.3波形处理主要理论与方法

4.4测高波形应用

复习要点

1、测高回波形成原理与过程

答：

脉冲在时刻t=0时发射 脉冲前缘到达海面的时间c

h

t =

0 脉冲后缘到达海面的时间τ01+=t t 0

t=0t 在这一瞬间，当入射脉冲接触海面时，它照明海面呈现出一个亮点，同时，反射信号开始

0t

t=1t 脉冲后缘到达海面，照明圆盘即变成为一个圆环，圆环半径继续增大，同时圆环保持面积大小不变，这种状况一直持续到圆环的外沿增加到雷达波束的边缘 1）卫星接收机接收到的返回功率正比于照明的海面面积。

2）回波功率在从0t 到1t 期间增加很快，一直持续到脉冲后缘到达海面的时刻1t ，这之后，功率保持常数。

3）事实上，在1t 时刻，由于高度计天线模式的作用，非星下点散射的减弱，功率就开始衰减。

2、布朗模型的基本假设

答：1.散射面是由足够多的随机独立的散射单元组成

2.在整个平均回波构成的过程中，整个雷达照明面积内的面高度统计可以假设成是恒定的。

3.散射是一个纯量（无向量）过程，没有极化影响，并且与频率无关

4.散射过程随入射角（相对于垂直于海面）的变化取决于每单位散射面的后向散射界面和天线模式。

5.由于雷达与照明面积内任何散射元之间的径向速度引起的总的多普勒频率展开小于传播脉冲包络的频率展开。

3、测高波形模型公式的基本定义

)(*)(*)()(t S t q t P t W p s FS =

4、图形的几何物理意义

5、波形重跟踪技术？

第五章卫星测高数据处理

5.1数据产品分类

5.2测高数据内容与数据格式

5.3测高数据编辑

5.4测高数据基准统一

5.5共线平差

5.6交叉点平差

5.7数据格网化方法

复习要点

1、卫星测高数据有哪些基本等级？（PDF6/15）

答：等级

零级产品—Level 0，这是原始数据，直接从仪器上获取的数据

一级产品—Level 1，这是用一定的算法，将Level 0产品转换成工程单位的产品，其中的波形采样按18Hz（20Hz）的数据率平均；

二级产品—Level 2，这就是地球物理数据，用重新跟踪（Re-tracking）将数据转换成地球物理学单位。Level 2产品主要包括时间、地理位置、重新跟踪输出结果（距离、风速、有效波高等）、1Hz（包含一些18Hz）参数（如距离、轨道高度）。

2、地球物理产品有哪些分类和特点？(PDf/15)

答：FDGDR产品即快速发布的GDR（Fast Delivery GDR），一般在三小时之内发布，主要用来进行天气预报、实时海况和海洋环流的应用。

IGDR即中间临时的GDE产品（Interim GDR），在约三天后发布，主要用来对海洋环流的监测和预报应用，这比FDGDR精度要高，但时间稍长（3天）。

GDR和SGDR是最终产品。约30—50天内发布，包含了精密的仪器改正和轨道改正。而SGDR就是传感器数据，它包含有GDR数据在内，只是GDR数据的后面增加了波形数据。

3、测高数据编辑的目的？

答：根据一定数据删除准则，剔除精度低、质量差的观测信息，提高测高的观测精度。

4、为什么进行多测高数据处理是要进行基准统一?

答：为了联合处理数据。需要用转化公式将她们转换至统一的参考基准。

3、共线法的基本思想是什么？

答：根据具有重复周期卫星测高任务的特点而设计的一种消弱（消除）卫星轨道误差并确定平均海面及其变化的方法。通过沿共线轨迹比较海平面高的测量值，可以发现海平面的长波变化，这些变化的产生主要是径向轨道误差和海面的时变部分造成的。根据径向轨道的长波特性，在共线轨迹测量中消除径向轨道误差的常亮偏差和线性变化部分。其思想就是通过固定一条轨迹作为参考轨迹，来确定其他周期相应弧段上相同纬度点的经度及其相对于固定弧段的海面高。

4、交叉点平差的主要目的？

答：消弱卫星径向轨道误差，海面时变残差所引起的误差以及系统误差等对测高数据的影像。

5、交叉点计算的主要步骤？

答：本文介绍采用的二次多项式求解交叉点位置的方法，其基本原理是，将卫星运动一转的弧度分为上升弧段和下降弧段，并假设卫星运动轨迹的纬度和经度满足下式：

C B A ++=λλ?2

式中?，λ分别为轨迹点的纬度和经度，A 、B 、C 为待求的二次多项式系数。在求得多项式系数后，利用在交叉点位置上上升弧段的维度及精度和下降弧段的维度及精度是相等的这一基本原则，同时求解两个弧段的二次方程，可得交叉点位置。该交叉点计算方法不但适合于单个测高卫星，而且也可适用于不同种测高卫星联合交叉点计算。 第六章 卫星测高反演海洋重力场理论 6.1概述：大地水准面研究进展

6.2测高数据剖面计算垂线偏差的方法

6.3由垂线偏差计算似大地水准面的数学模型 6.4逆Vening Meinesz 公式恢复重力异常的原理 6.5逆Stokes 公式恢复重力异常 复习要点

1、斯托克斯公式：由已知的重力异常△g 计算大地水准面高N

答：σd )Ψ(Δg πγ

4??=

S R

N 2、逆斯托克斯公式：由已知的大地水准面N 计算重力异常△g

答：??

---=-

-

σ)

λ,φ()λ,φ(π

2γ)λ,φ(γλ,φΔg 3

p p 2

p p p p d l

N N R R

）

（

3、测高剖面计算垂线偏差

)(λ21λN ..

.d a N N +=?? )(φ

21φN ...d a N N -=?? φR 1-ξ??=N λ

Rcos φ1-η??=N

4、Molodensky 公式计算高程异常：垂线偏差计算大地水准面

答：(1) σψ

2ψctg 4π1-

ζσd N

N ??==?? (2) ηsinαξcosαψ

1+=??N

R 5、垂线偏差恢复重力异常逆Vening Meinez 公式

答：(1) σ N

)2 tg -2 csc csc -(3csc R 4□γΔg σ

σd ????=

ψψψψψ (2) ηsinαξcosα1+=??ψ

N

R 6、卫星测高数据计算海洋大地水准面的主要步骤？（PDF ——C06/67）

答：1.测高观测数据预处理

2.交叉点位置计算

3.交叉点垂涎偏差计算

4.利用Molodensky 反演大地水准面差距公式计算大地水准面

7、卫星测高数据计算海洋重力异常的主要步骤？(PDF6/75)

答：1、卫星测高数据预处理。

2、交叉点垂线偏差计算。

3、格网垂线偏差计算。

4、重力异常计算。 1、利用逆veining Meinesz 公式由垂线偏差计算重力异常。 2、用Molodensky 由格网垂线偏差反演大地水准面。 3、用逆Stokes 公式由大地水准面计算重力异常。

5、精度分析与统计。

第七章 卫星测高技术的其它应用 7.1海面高及其变化监测

7.2利用卫星测高观测海洋环流

7.3利用卫星测高观测海洋潮汐

7.4利用卫星测高数据反演海底地形7.5内陆湖泊水位及其变化监测

7.6极低冰盖高程观测及其变化监测7.7赤道物理过程监测