多源卫星测高数据基准的统一研究

第28卷第3期2008年6月

大地测量与地球动力学

JOURNAL OF GEODESY AND GEODY NAM I CS

Vol.28No.3

　June,2008

文章编号:167125942(2008)0320092205多源卫星测高数据基准的统一研究3

金涛勇1)　李建成1)　邢乐林1,2)　褚永海1)

1)武汉大学测绘学院,武汉　430079

2)中国地震局地震研究所,武汉　430071

摘　要　研究并给出了多源卫星测高数据基准统一的方法。利用经过精密预处理的测高卫星观测数据,计算得到了各测高系统之间的框架转换参数。同时,利用该转换参数结合交叉点平差技术建立了中国海域的平均海面高模型,并与K MS04、C LS01和WHU2000平均海面高模型进行比较,验证了多源卫星测高数据基准统一方法及其确定的框架转换关系的可靠性。

关键词　卫星测高;参考椭球;参考框架;基准统一;交叉点

中图分类号:P207 文献标识码:A

RESEARCH O N DATU M UN I F I CAT IO N O F

M UL T I2SATELL I TE AL T I M ETR I C DATA

J in Taoyong1),L i J iancheng1),Xing Lelin1,2)and Chu Yonghai1

)

1)School of Geodesy and Geo m atics,W uhan U niversity,W uhan　430079

2)Institute of Seis m ology,CEA,W uhan　430071

Abstract　The methods f or datum unificati on of multi2satellite alti m etric data were studied and given,and the transfer para meters bet w een several alti m etric syste m were calculated fr om edited and corrected alti m etric data.Fi2 nally,a mean sea surface model of China Sea are established after data unificati on and cr oss over adjust m https://www.360docs.net/doc/eb16696972.html,2 pared with CLS01,K MS04and WHU2000mean sea surface models,the validity and credibility of mean sea sur2 face model of China sea and the transf or m method and para meters are verified.

Key words:satellite alti m etry;reference elli p s oid;reference fra me;datum unificati on;cr oss overs

1　引言

卫星测高能在全球范围内全天候、多次重复、准确地提供海洋表面高度的观测值,为研究海洋学及相关学科提供丰富的信息源[1]。近30多年来实施的海洋卫星测高计划已在海洋信息提取方面取得了许多突破性的成果。随着计划的不断实施,测高数据以海量形式增加。多种测高卫星项目的出现,为地学和大地测量学的研究提供了更加丰富的数据。对所有这些测高系统的综合和交叉运用,可以充分发挥各测高系统的优势。然而多种多代测高卫星数据的精度水平差距较大,有些还存在参考椭球和参考框架的差别,联合处理多种多代卫星测高数据必须考虑对各测高系统使用参考椭球和参考框架进行统一,即参考基准的统一。针对这一问题,本文讨论了多种多代测高数据的基准统一方法,并以该方法

3收稿日期:2008203219

基金项目:国家自然科学基金(40637034,40704004),中国地震局地震研究所所长基金(I O S200736026)作者简介:金涛勇,男,1982年生,博士生,主要从事卫星大地测量研究.E-mail:whutyjin@https://www.360docs.net/doc/eb16696972.html,

　第3期金涛勇等:多源卫星测高数据基准的统一研究

统一了基准,联合多种数据建立了中国海域海面高

模型[2]。

2　基准转换方法

2.1　参考椭球的转换

不同的测高卫星,椭球参数、椭球定位和定向的

差别可以导致测高数据观测值的差距达到70c m左

右,因此,在联合数据处理时,必须将各卫星所使用

参考椭球转换到同一参考椭球,表1为相关测高卫

星的参考椭球参数[3]。

表1　各测高卫星所用参考椭球参数

Tab.1　Param eters of reference elli pso i d used by s a tellite

a lti m eters

卫星长半轴(m)扁率(1/f)

Geosat6378136.3298.257

ERS21/26378137298.257223563

T/P6378136.3298.257

Jas on216378136.3298.257

Envisat216378137298.257222101

对于选定的测高卫星,由于参考椭球参数不一

致引起的海面高差异为[4-7]:

dh=-W da+

a

W

(1-f)sin2φdf(1)

式中,a是参考椭球的长半轴,f是参考椭球的扁率,φ是大地纬度,W=1-e2sin2φ,e为椭球的第一偏心率,da=a

-a、df=f0-f分别为椭球的长半轴改正和扁率改正,dh为参考椭球转换引起的海平面变化。

2.2　参考框架的转换

由于海平面的时变效应、卫星残余轨道误差、测高仪的偏差、参考框架的不一致性以及各种地球物理改正误差的存在,不同任务测高卫星所得到的平均海平面之间存在一定的系统性误差或长波部分的差异[1]。当对两种或两种以上测高卫星的海面高数据联合处理时,应消除其影响。这种系统误差可以用原点的3个偏移量和一个整体的偏移量来表示[5-6]:

H1=H2+Δx cosφcosλ+Δy cosφsinλ+Δz sinφ+B(2)

其中,H

1为目标框架的海平面高,H

2

为转换框架相

应点的海平面高,λ、φ为对应点的经纬度,△x、△y、△z为原点的3个偏移量,B为整体的偏移量。

两测高卫星之间的海平面高差组成参考框架转换方程的观测值,但卫星的时空分辨率不尽相同,即使是相同机构发射的后续卫星,重复周期轨道也存在1～2km的漂移,大地测量任务的卫星轨道更不可能有相同点的观测值。因此,可采用下述两种方法寻找公共点观测值进行参考框架的转换:一是通过某一高精度的全球平均海平面模型,内插出单一测高卫星观测点的模型值,将模型值与观测值之差作为观测值,计算此卫星与参考平均海平面模型之间的框架转换参数,同理,得到其他卫星与该模型框架的转换关系,从而可以获得各测高系统之间的参考框架转换关系;二是通过两测高卫星求解交叉点,以交叉点不符值作为观测值,直接得到这两颗卫星之间的参考框架转换关系。

3　数值计算分析

以T/P测高卫星数据为目标框架,计算Geosat/ ER M、ERS21/35、ERS22/35、Jas on21和Envisat21到T/P框架的转换关系。

3.1　采用的数据与预处理

选取的测高数据为:1)43个周期的Geosat/ ER M数据;2)11个周期时间跨度为1年的ERS21/ 35数据;3)73个周期时间跨度为7年的ERS22/35数据;4)324个周期时间跨度为9年的T/P数据;5) 110个周期时间跨度为3年的Jas on21数据;6)20个周期时间跨度为2年的Envisat21数据。

数据预处理编辑标准以各测高卫星数据用户手册为基础[8-12],综合国内外同行的先进经验,得出比较全面的数据编辑准则,剔出原始数据中无效观测记录并作地球物理和环境改正。同时针对个别卫星观测数据中某些改正值进行特殊处理[3]。

3.2　共线平差

重复轨道测高卫星相邻的周期轨迹间偏离为1～2k m,因此,可以把相邻的周期轨迹间视为平行的轨迹。共线法利用重复平行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,例如海潮潮汐的影响,以及部分轨道误差影响,当然,其中还包括具有随机特性的时变量。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。

在对上述原始数据进行精密预处理后,分别对43个周期的Geosat/ERM、11个周期的ERS21/35、73个周期的ERS22/35、324个周期的T/P、110个周期的Jas on21,以及20个周期的Envisat21数据进行共线平差。共线中从各卫星采用数据选取每个弧段数据量最大的作为参考弧段(仅参考其经纬度位置信息,忽略对应海面高),并剔除与平均值差距大于1m的海面高观测值(表2)。

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大地测量与地球动力学28卷

表2　共线平差前后各卫星交叉点不符值精度统计(单位:

c m)

Tab.2　St a tisti cs of cross2over d i fferences of s a tellite a lti m2

eters before and after colli n ear adjust m en t(un it:

c m)

卫星

共线前共线后

平均均方根

标准

偏差

平均均方根

标准

偏差

Geosat/ER M-0.1922.7822.780.3512.3412.34

ERS21/351.2416.9216.881.3510.6210.53

ERS22/352.4318.8118.652.6711.1010.76 T/P-0.2414.1214.12-0.623.543.48 JAS ON21-0.6514.1414.130.795.805.74

E NV I S AT21-0.0915.0615.060.326.266.26

3.3　基于过渡框架的转换关系计算

由于ERS21/2、Geosat/ER M、T/P具有相同参考平均海平面模型(OS U MSS95),以参考平均海平面模型为过渡框架计算其相互转换关系。

测高卫星具有重复周期的特点,这主要是卫星运动与地球自转联合作用的结果,由于地球自转的角速度在不同的纬度是不同的,高纬度的自转角速度慢,导致卫星测高观测数据的空间分布不均匀,在高纬度区密集,低纬度区稀疏。因此,必须对不同纬度的测高数据给予不同的权来降低密集的高纬度数据的影响。本文采用基于卫星倾角的纬度定权[13]。

表3为计算的Geosat/ER M、ERS21/2和T/P数据与其对应参考海平面模型OS U MSS95框架的转换参数。表4为利用表3数据得到的Geosat/ER M、ERS21/2到T/P参考框架的转换参数。

3.4　基于交叉点的转换关系计算

对具有相同参考平均海平面模型的测高数据可以利用前节所述方法得到其相互参考框架的转换关系,然而所有测高系统采用的参考平均海平面高模型并非一致,那么,仍需探求一种寻找公共点观测值的方法。本文设计了两测高系统间互交叉点作为公共点观测值来求解其参考框架转换关系的方法(表5)。

表3　Geos a t/ER M、ERS21/2和T/P卫星与O SU M SS95框架转换参数(单位:c m)

Tab.3　Tran sfer param eters fro m Geos a t/ER M,ERS21/2 and T/P to O SU M SS95(un it:cm)

卫星△x△y△z偏差Geosat/ER M6.54-5.67-1.83-23.06

ERS21/35-2.730.48-2.8131.01

ERS22/35-3.521.10-1.71-9.69 T/P-2.13-1.01-2.003.93表4　利用O SU M SS95计算Geos a t/ER M、ERS21/2到T/ P框架转换参数(单位:c m)

Tab.4　Tran sfer param eters fro m Geos a t/ER M,ERS21/2 to T/P co m puted by O SU M SS95(un it:c m)

卫星△x△y△z偏差Geosat/ER M→T/P-8.674.66-0.1726.99

ERS21/35→T/P0.60-1.490.81-27.08

ERS22/35→T/P1.39-2.11-0.2913.62

表5　互交叉点数据所得各卫星到T/P框架转换参数(单位:c m)

Tab.5　Tran sfer param eters fro m each a lti m eter to T/P co m puted by co2crossovers(un it:cm)

卫星△x△y△z偏差Geosat→T/P-9.295.290.1611.78

ERS21→T/P0.31-2.20-0.36-42.38

ERS22→T/P1.04-2.76-1.38-1.86

Jas on21→T/P0.200.88-1.83-0.81

Envisat21→T/P-0.430.360.75-40.13

比较基于过渡框架和交叉点计算的Geosat/ ER M、ERS21/2到T/P参考框架转换参数,可以看出,两者所得的3个平移参数基本相同,差距在1～2c m,而偏差参数表现了较大的差距,后者在量级上明显高出前者很多。原因可能是,前者计算中公共点为原始观测值,区域内点数分布较合理,能够反应数据的整体趋势;交叉点为原始数据内插所得点,一方面由于点数少,分布稀疏,以点代面,不能反映整体变化,另一方面可能存在一定的内插误差。

两测高卫星的交叉点不符值中既含有径向轨道误差,又存在基准不统一的误差,前者通过交叉点平差削弱,后者通过参考框架转换消除,两者均采用交叉点的不符值作为观测值,各自影响很难分离,但是两者的目标一致,即削弱交叉点不符值。因此,可以考虑将两者联合求解,以平衡两种误差之间的相互影响。

4　中国海域平均海面高模型的建立一般来说,框架之间的转换关系可以采用两框架中已知的公共点坐标作为检验。但本文中两测高卫星参考框架间没有已知公共点,因此对转换关系做验证,截取共线平差后中国海域及邻海部分数据,建立中国海域的平均海面高模型,并与K MS04、CLS01和WHU2000[1,2]平均海面高模型进行比较。

利用上述数据,首先进行各卫星数据的自交叉点平差,然后采用自平差后的数据分别与T/P数据进行互交叉点平差以削弱径向轨道误差。平差过程

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　第3期金涛勇等:多源卫星测高数据基准的统一研究

中,对参与平差的弧段数据进行改正,舍弃未参与平差的弧段数据,最终得到经参考椭球、参考框架转换,以及自交叉点和与T/P数据互交叉点平差后的总数据量为127684个。在交叉点平差的基础上,将改正后的各测高卫星数据与对应参考模型点上的海面高进行对比,剔除差值大于0.5m的观测值,采用Shepard格网化方法[1-3]得到了30′×30′中国海域的平均海面高模型(图1)。

作为检核,将计算结果与K MS04、CLS01和WHU2000平均海平面模型进行数值比较。由于建立的海面高模型只是对转换关系的一种检验,未利用波形重跟踪算法对近海沿岸和海岛礁附近观测数据进行改善,这部分数据对模型比较有较大影响。故首先剔除了差值绝对值大于0.5m的数据,然后进行数值统计,如表6,其中除点数外统计结果均以区间上界为参考

。图1　30′×30′中国海域平均海面高模型

Fig.1　Mean sea surface model in China sea by30′×30′表6　与K M S04、CL S01和W HU2000差值绝对值小于0.5m点位区间统计(单位:m)

Tab.6　St a tisti cs of po i n t zones of d i fference less than0.5m between Ch i n a sea SSH

and K M S04,CL S01,W HU2000(un it:m)

统计区间0～0.10.1～0.20.2～0.30.3～0.40.4～0.5

点数

K M S041559761339209138 CLS011620736307218119 WHU20001340693396255136

平均

K M S040.0160.0260.0290.0310.032 CLS010.0140.0220.0230.0220.021 WHU20000.0090.0140.0150.0170.020

均方根

K M S040.0540.0940.1240.1520.176 CLS010.0540.0930.1200.1500.172 WHU20000.0550.0970.1340.1660.190

标准偏差

K M S040.0520.0900.1200.1480.174 CLS010.0520.0900.1190.1480.170 WHU20000.0540.0960.1330.1660.189

从表6可以看出,中国海域平均海面高模型与上述3个模型的精度相当。由于只是对转换结果的一种验证,未采纳大地测量任务数据,故分辨率低于上述3个模型,但仍可以证明上述所得测高数据间框架转换关系计算结果是正确的。

5　结论

在总结比对参考框架转换方法的基础上,进行大量的数据处理和分析后得到了不同测高卫星观测数据参考框架之间的转换关系。基于该转换关系,联合交叉点平差技术建立了中国海域平均海面高模型,并与K MS04、CLS01和WHU2000平均海面高模型进行比较,统计结果验证了所建立海面高模型的正确性,也表明所得转换关系是可靠的。

本文所得转换参数能够较好地反应框架间的不一致误差,但转换后的结果仍受径向轨道误差和残余改正误差的影响,在联合多种测高数据应用时,仍需要进行星间交叉点平差来削弱残余误差影响,即联合运用多种测高数据必须同时进行参考框架转换和星间交叉点平差。

致谢　衷心感谢丹麦空间研究中心提供的K MS04, CNES提供的CLS01以及武汉大学G NSS中心姜卫平教授提供的WHU2000平均海平面模型。

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(下转第99页)

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