衛(wèi)星測高技術(shù)及其應(yīng)用.doc

衛(wèi)星測高技術(shù)及應(yīng)用課程回顧l衛(wèi)星測高技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用概述21衛(wèi)星測高任務(wù)概況22、衛(wèi)星測高任務(wù)中搭載輻射計的主要目的23、雙頻雷達(dá)高度計24、衛(wèi)星測高任務(wù)中使用的主要25、一般衛(wèi)星測高任務(wù)中需要搭載哪些基本儀器設(shè)備，各主要目的是什么？26、傳統(tǒng)的指向星下點(diǎn)的雷達(dá)高度計的主要不足？可能存在哪些技術(shù)改進(jìn)？37、GNSS測高的工作方式？優(yōu)缺點(diǎn)？38、Ka波段測高優(yōu)缺點(diǎn)？39、衛(wèi)星測高技術(shù)應(yīng)用概況310、基本概念3l衛(wèi)星雷達(dá)高度計觀測基本原理31、衛(wèi)星測高的基本原理32、衛(wèi)星測高兩種基本方式的特點(diǎn)33、當(dāng)前測高任務(wù)主要使用哪些頻段，各頻段有何有點(diǎn)和不足？44、高度計測風(fēng)基本原理45、有哪些主要遙感方式進(jìn)行海面風(fēng)速觀測46、衛(wèi)星雷達(dá)高度計的觀測信息包括哪些？精度如何？4l衛(wèi)星高度計觀測誤差52、基本概念：53、影響測高衛(wèi)星軌道誤差的主要因素？5l衛(wèi)星測高波形理論與處理方法51、測高回波形成原理與過程52、布朗模型的基本假設(shè)53、測高波形模型公式的基本意義？64、圖形的幾何物理意義6l衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理61、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)有哪些基本等級？62、地球物理產(chǎn)品有哪些分類和特點(diǎn)？63、測高數(shù)據(jù)編輯的目的？64、為什么進(jìn)行多測高數(shù)據(jù)處理時要進(jìn)行基準(zhǔn)統(tǒng)一？65、共線法的基本思想是什么？66、交叉點(diǎn)平差的主要目的？77、交叉點(diǎn)計算的主要步驟？7l衛(wèi)星測高反演海洋重力場理論71、斯托克斯公式：由已知的重力異常g計算大地水準(zhǔn)面高N72、逆斯托克斯公式： 由已知的大地水準(zhǔn)面N計算重力異常g73、測高剖面計算垂線偏差74、Molodensky公式計算高程異常：垂線偏差計算大地水準(zhǔn)面76、 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)計算海洋大地水準(zhǔn)面的主要步驟？7l衛(wèi)星測高技術(shù)的其它應(yīng)用7l 衛(wèi)星測高技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用概述1衛(wèi)星測高任務(wù)概況1）SKYLAB：最早搭載有高度計的衛(wèi)星 高度計S193第一次得到因海底特征引起的海洋大地水準(zhǔn)面觀測值奠定了衛(wèi)星測高學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)2）GEOS3：地球動力學(xué)實(shí)驗海洋衛(wèi)星第一顆專門用于測高的海洋地形衛(wèi)星3）SEASAT：海洋衛(wèi)星持續(xù)時間99天SEASAT首次提供了全球范圍的海洋環(huán)流、波浪和風(fēng)速4）GEOSAT(大地測量衛(wèi)星 )、GFO(GEOSAT后續(xù)衛(wèi)星)為美國海軍測量海洋大地水準(zhǔn)面GEOSAT ：首次提供了具有重復(fù)性、高分辨率、長期性高質(zhì)量的全球海面高數(shù)據(jù)集，標(biāo)志衛(wèi)星測高技術(shù)進(jìn)入了成熟階段5） ERS1/2（歐洲遙感衛(wèi)星）、ENVISAT（環(huán)境衛(wèi)星）ERS1采用PRARE：用來精確確定衛(wèi)星位置（失敗）6） T/P、JASON1/2T/P衛(wèi)星觀測精度是同期測高衛(wèi)星中最高的兩類衛(wèi)星系列各自的主要特征？海洋綜合環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星、海洋地形觀測衛(wèi)星2、衛(wèi)星測高任務(wù)中搭載輻射計的主要目的ERS1/2、ENVISAT：MWS（23.8GHz和36.5GHz）T/P：TMR(18, 21 、37 GHz)JASON1：JMR（18.7GHz、23.8GHz和34.0GHz）JASON2：AMR（ 18, 21 和 37GHz）作用：對流層水汽改正、風(fēng)速反演、地表監(jiān)測3、雙頻雷達(dá)高度計ERS1:單頻，Ku波段，13.8GHzT/P：NRA(雙頻Ku：13.575，C：5.3)，SSALT(單頻13.65)JASON1：Poseidon2（雙頻Ku：13.575，C：5.3）ENVISAT：（雙頻：Ku：13.575，S：3.2）JASON2：Poseidon3（ 13.6GHz和5.3GHz）使用雙頻有何目的意義？雙頻電離層改正、 估計降雨4、衛(wèi)星測高任務(wù)中使用的主要定軌方式LRR、DORIS、PRARE、GPSDoppler Orbit and Radio Positioning Integrated by SatellitePrecise Range and Range-Rate Equipment5、一般衛(wèi)星測高任務(wù)中需要搭載哪些基本儀器設(shè)備，各主要目的是什么？微波輻射計、雷達(dá)高度計、定位系統(tǒng)6、傳統(tǒng)的指向星下點(diǎn)的雷達(dá)高度計的主要不足？可能存在哪些技術(shù)改進(jìn)？不足：1）確定深海中尺度現(xiàn)象受到制約；2）覆蓋有限；3）空間分辨率改進(jìn)：1）改變測高頻率（Ka波段測高）2）改變測高方式（ 干涉/雷達(dá)測高）3）利用其他信號（GPS）7、GNSS測高的工作方式？優(yōu)缺點(diǎn)？工作方式： 星載GNSS接收機(jī)接收GNSS星座衛(wèi)星向下發(fā)射并經(jīng)海面反射的信號，通過測量兩個信號的時間延遲，就可以計算海面高度優(yōu)點(diǎn)：成本低、數(shù)據(jù)獲取量大、覆蓋范圍廣缺點(diǎn)：精度低8、Ka波段測高優(yōu)缺點(diǎn)？1）電離層衰減延遲：基本上可以忽略，因此不需要使用雙頻高度計。2）脈沖重復(fù)頻率高：ka波段對海面回波地解相關(guān)時間要短，有可能增加每秒的獨(dú)立回波量3）帶寬大：可以提供更高的垂直分辨率4）更好描述海面粗糙度5）穿透性較弱。冰雪面上雷達(dá)信號滲透低6）Ka波段能更好的對冰、雨、近海地帶、陸地物質(zhì)（例如森林）和波高進(jìn)行觀測。缺點(diǎn)：對流層中的水或水蒸氣的衰減大，尤其在熱帶地區(qū)。電磁波受對流層中的水汽延遲響較大干涉/雷達(dá)高度計工作方式？波束有限和脈沖有限方式，主要采用脈沖有限方式9、衛(wèi)星測高技術(shù)應(yīng)用概況大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、海洋學(xué)、氣候、水文學(xué)、冰川學(xué)10、基本概念1）海面高度 2）平均海面、平均海面高3）海面地形（SST）、絕對動力地形（ADT）、平均動力地形（MDT）4）海面異常（SLA、SSHA） 5）衛(wèi)星指向角、衛(wèi)星指向角誤差6）波形重跟蹤（未講） 7）有效波高 8）海況偏差（電磁偏差、傾斜偏差）9）逆氣壓改正 10）入射角l 衛(wèi)星雷達(dá)高度計觀測基本原理1、衛(wèi)星測高的基本原理見空間大地測量學(xué)P1882、衛(wèi)星測高兩種基本方式的特點(diǎn)脈沖寬度有限方式、波束寬度有限方式。與重力異常所要求的10公里的水平分辨率是密切相關(guān)對于海面高度測量值而言，要求天線波束相對較寬，以至于足跡大到足以過濾海面波浪的作用，從而獲取平均海面測量值。同時，足跡也應(yīng)該足夠小，小到可以得到有實(shí)際意義的海面測量值3、當(dāng)前測高任務(wù)主要使用哪些頻段，各頻段有何有點(diǎn)和不足？ERS1:單頻，Ku波段，13.8GHzT/P：NRA(雙頻Ku：13.575，C：5.3)，SSALT(單頻13.65)JASON1：Poseidon2（雙頻Ku：13.575，C：5.3）ENVISAT：（雙頻：Ku：13.575，S：3.2）JASON2：Poseidon3（ 13.6GHz和5.3GHz）1）受到國際有關(guān)機(jī)構(gòu)的管理和協(xié)調(diào)， 使用頻段有限。衛(wèi)星的任務(wù)目的不同，使用頻率不同2）與天線、發(fā)射功率有關(guān)（技術(shù)上的原因）。即航空器天線尺寸設(shè)計的限制決定了對衛(wèi)星測高有用的頻率非常有限。3）在海面，電磁輻射中的灰體輻射非常微弱，而在這些頻率段內(nèi)，海水的反射率卻非常高，因此，很容易區(qū)別雷達(dá)的反射和海水的自然輻射。4）當(dāng)頻率大于18GHz時，大氣衰減急劇增加，使得到達(dá)海面并反射回到高度計的傳播信號功率減小；5）當(dāng)頻率小于2GHz時，受到地面通信、導(dǎo)航及雷達(dá)等民用、軍用電磁輻射的干擾各頻段的優(yōu)點(diǎn)和不足Ku波段(13.6GHz)：Ku波段是目前衛(wèi)星測高使用最多的頻段，T/P, JASON-1,ENVISAT, ERS等衛(wèi)星高度計均使用了Ku波段。首先，該波段在技術(shù)上可行，這與發(fā)射功率有關(guān)，其次，由于國際上對各波段的使用有相關(guān)規(guī)定和管理，此外，該波段對大氣（包括電離層）擾動敏感。C波段(5.3 GHz)：通常認(rèn)為C波段對電離層擾動的靈敏度高于Ku波段，但對大氣液態(tài)水的靈敏性弱。使用C波段的主要作用是與Ku波段觀測值聯(lián)合使用，用來改正電離層的延遲。S波段(3.2 GHz)：與C波段類似，S波段也經(jīng)常與Ku波段聯(lián)合使用。4、高度計測風(fēng)基本原理當(dāng)入射角很小時，海面對微波信號的反射主要屬于鏡面反射，如果海面光滑，那么返回到高度計的信號就越多，也就意味著規(guī)格化雷達(dá)目標(biāo)有效截面也就越大；如果海面粗糙，微波信號就會向各個方向反射，許多信號都不可能返回到雷達(dá)高度計，從而NRCS也就相對較小。因此，高度計的NRCS可以由海面粗糙度來確定，海面越粗糙，那么NRCS越小。所以，可以認(rèn)為NRCS是海面高和傾斜的函數(shù)，這個函數(shù)的主要參數(shù)就是海面均方斜率（mean square slope：MSS），而MSS主要由短尺度風(fēng)浪確定。一般情況下，風(fēng)浪主要由海面風(fēng)生，因此，盡管不是直接的，NRCS還是通過風(fēng)浪與海面風(fēng)速存在聯(lián)系。5、有哪些主要遙感方式進(jìn)行海面風(fēng)速觀測微波高度計、微波散射計、微波輻射計、合成孔徑雷達(dá)(SAR)6、衛(wèi)星雷達(dá)高度計的觀測信息包括哪些？精度如何？衛(wèi)星高度計觀測誤差1、高度計觀測誤差概況星載儀器誤差：跟蹤器偏差、波形采樣增益校正偏差、天線增益模式AGC衰減多普勒頻移、距離加速度、震蕩頻率漂移、天線指向誤差大氣折射改正：對流層改正、電離層改正海況偏差：電磁偏差、傾斜偏差外部地球物理改正：大地水準(zhǔn)面高、海洋潮汐高、大氣壓負(fù)載l 衛(wèi)星高度計觀測誤差2、基本概念：指向角或指向角誤差、入射角、海況偏差（電磁偏差、傾斜偏差）、逆氣壓改正3、影響測高衛(wèi)星軌道誤差的主要因素？地球重力場、大氣、光壓以及跟蹤站坐標(biāo)誤差，且其主要影響都具有長波性質(zhì)，其中影響最大的是重力場模型誤差l 衛(wèi)星測高波形理論與處理方法1、測高回波形成原理與過程0tt0時：雷達(dá)高度計按球形脈沖向海面?zhèn)鞑=t0時：在這一瞬間，當(dāng)入射脈沖接觸海面時，它照明海面呈現(xiàn)出一個亮點(diǎn)，同時，反射信號開始反射回衛(wèi)星t0tt1時：亮點(diǎn)變成圓盤的中心，其面積也增加t=t1時：脈沖后緣到達(dá)海面，照明圓盤即變成為一個圓環(huán)，圓環(huán)半徑繼續(xù)增大，同時圓環(huán)保持面積大小不變，這種狀況一直持續(xù)到圓環(huán)的外沿增加到雷達(dá)波束的邊緣 衛(wèi)星接收機(jī)接收到的返回功率正比于照明的海面面積。 回波功率在從t0到t1期間增加很快，一直持續(xù)到脈沖后緣到達(dá)海面的時刻t1，這之后，功率保持為常數(shù)。 事實(shí)上，在t1時刻，由于高度計天線模式的作用，非星下點(diǎn)散射的減弱，功率就開始衰減。2、布朗模型的基本假設(shè)1:散射面是由足夠多的隨機(jī)獨(dú)立的散射單元組成2:在整個平均回波構(gòu)成的過程中，整個雷達(dá)照明面積內(nèi)的面高度統(tǒng)計可以假設(shè)成是恒定的3:散射是一個純量（無向量）過程，沒有極化影響，并且與頻率無關(guān)4:散射過程隨入射角（相對于垂直于海面）的變化取決于每單位散射面的后向散射界面和天線模式5:由于雷達(dá)與照明面積內(nèi)任何散射元之間的徑向速度引起的總的多普勒頻率展開小于傳播脈沖包絡(luò)的頻率展開3、測高波形模型公式的基本意義？P表示平坦表面點(diǎn)目標(biāo)相應(yīng)；q表示海面反射點(diǎn)高度的概率密度函數(shù)；S為雷達(dá)系統(tǒng)點(diǎn)目標(biāo)相應(yīng)。4、圖形的幾何物理意義從Off-nadir angle（指向角）分析，衛(wèi)星指向角越小，海面反射的功率越大。從海面有效波高（SWH）高度計雷達(dá)回波前緣斜率受到星下點(diǎn)處海面狀況的影像比較嚴(yán)重，也就是說，與海面有效波高及海面風(fēng)速關(guān)系很大。l 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理1、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)有哪些基本等級？等級：零級產(chǎn)品Level 0，這是原始數(shù)據(jù)，直接從儀器上獲取的數(shù)據(jù)；一級產(chǎn)品Level 1，這是用一定的算法，將Level 0產(chǎn)品轉(zhuǎn)換成工程單位的產(chǎn)品，其中的波形采樣按18Hz（20Hz）的數(shù)據(jù)率平均；二級產(chǎn)品Level 2，這就是地球物理數(shù)據(jù)，用重新跟蹤(Retracking)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地球物理學(xué)單位。Level 2產(chǎn)品主要包括時間、地理位置、重新跟蹤輸出結(jié)果（距離、風(fēng)速、有效波高等）、1Hz（包含一些18Hz）參數(shù)(如距離、軌道高度)。2、地球物理產(chǎn)品有哪些分類和特點(diǎn)？FDGDR產(chǎn)品即快速發(fā)布的GDR(Fast Delivery GDR)，一般在三小時之內(nèi)發(fā)布，主要用來進(jìn)行天氣預(yù)報、實(shí)時海況和海洋環(huán)流的應(yīng)用。IGDR即中間臨時的GDR產(chǎn)品(Interim GDR)，在約三天后發(fā)布，主要用來對海洋環(huán)流的監(jiān)測和預(yù)報應(yīng)用，這比FDGDR精度要高，但時間稍長（3天）。GDR和SGDR是最終產(chǎn)品，約3050天內(nèi)發(fā)布，包含了精密的儀器改正和軌道改正。而SGDR就是傳感器數(shù)據(jù)，它包含有GDR數(shù)據(jù)在內(nèi)，只是在GDR數(shù)據(jù)的后面增加了波形數(shù)據(jù)。3、測高數(shù)據(jù)編輯的目的？為了提高觀測精度，需要剔除精度低、質(zhì)量差地觀測信息，其中重要一環(huán)就是根據(jù)一定數(shù)據(jù)刪除準(zhǔn)則刪除數(shù)據(jù)，提取高精度信息。4、為什么進(jìn)行多測高數(shù)據(jù)處理時要進(jìn)行基準(zhǔn)統(tǒng)一？采用橢球參數(shù)不同，重力位模型不同，必須通過轉(zhuǎn)換到同一的參考框架下才能進(jìn)行聯(lián)合處理。5、共線法的基本思想是什么？根據(jù)具有重復(fù)周期衛(wèi)星測高任務(wù)特點(diǎn)而設(shè)計的一種消除衛(wèi)星軌道誤差并確定平均海面及其變化的方法。參見衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)p20 空間大地測量p2076、交叉點(diǎn)平差的主要目的？交叉點(diǎn)不符值（海面高的差值SSH）是衛(wèi)星徑向軌道誤差觀測值中的典型反應(yīng)，通過求取交叉點(diǎn)并進(jìn)行交叉點(diǎn)平差的方法，可以削弱衛(wèi)星徑向軌道誤差、海面時變殘差所引起的誤差以及系統(tǒng)誤差等對測高數(shù)據(jù)的影響。7、交叉點(diǎn)計算的主要步驟？見衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)或空間大地測量l 衛(wèi)星測高反演海洋重力場理論1、斯托克斯公式：由已知的重力異常g計算大地水準(zhǔn)面高N2、逆斯托克斯公式： 由已知的大地水準(zhǔn)面N計算重力異常g3、測高剖面計算垂線偏差4、Molodensky公式計算高程異常：垂線偏差計算大地水準(zhǔn)面以上