第七章 海洋表面動力地形的衛(wèi)星測量 - 海洋遙感

2024/6/11海洋遙感TheOceanicRemoteSensing2024/6/11第七章海洋表面動力地形的衛(wèi)星測量

概述衛(wèi)星高度計的測高原理高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用2024/6/117.1概述1.衛(wèi)星高度計的特點

衛(wèi)星高度計是一種主動式微波測量儀，具有獨特的全天候、長時間歷程、觀測面積大、觀測精度高、信息量大的能力和特點。由于高度計是非成像傳感器，星上存儲器可以滿足全球觀測的要求，因而可以獲得全球尺度及準(zhǔn)實時的觀測數(shù)據(jù)，這對于海洋及海洋氣象預(yù)報具有重要意義。2024/6/117.1概述2.衛(wèi)星高度計的發(fā)展歷史

衛(wèi)星測高技術(shù)的提出始于1964年在美國WoodsHole舉行的“空間海洋學(xué)”研討會，確定的測距技術(shù)指標(biāo)為10cm。首次原理性實驗于1973年NASA發(fā)射的Skylab上進(jìn)行，其運行為后續(xù)的GEOS-3（1975）和Seasat-A（1978）高度計的設(shè)計積累了寶貴經(jīng)驗。

Seasat-A首次實現(xiàn)了重復(fù)地面軌跡運行模式。2024/6/117.1概述2.衛(wèi)星高度計的發(fā)展歷史衛(wèi)星研制單位發(fā)射精度cm頻率HzGEOS-3NASA1975.4.925-5013.9GSeasat-ANASA1978.6.2820-3013.5GGeosat美，海軍1985.3.1510-2013.5GERS-1ESA1991.7.171013.8GTopex/PoseidonNASA/CNES1992.8.1065.3/13.6GERS-2ESA1995.4.212.513.8GGFO美，海軍1998.2.102.513.5GJason-1NASA/CNES2001.94.25.3/13.6GEnvisatESA2002.32.53.2/13.6G開始業(yè)務(wù)運行2024/6/117.1概述3.衛(wèi)星高度計的發(fā)展趨勢測距精度的提高、數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)、觀測數(shù)據(jù)的逐步積累；衛(wèi)星測高技術(shù)的創(chuàng)新。

未來的高度計計劃在近期的目標(biāo)是提高空間和時間分辨率，爭取能夠在幾天內(nèi)以幾十公里的分辨率覆蓋同一地區(qū)。另外也會發(fā)射一些目標(biāo)明確的、耗費較小的小衛(wèi)星。2024/6/114.衛(wèi)星高度計的研究與應(yīng)用2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理

衛(wèi)星測高原理：以衛(wèi)星為載體，以海面作為遙測靶，由衛(wèi)星上裝載的雷達(dá)高度計向海面發(fā)射微波信號，該雷達(dá)脈沖到達(dá)海面后，經(jīng)過海面發(fā)射再返回到雷達(dá)測高儀。其原理與應(yīng)用都是基于三個基本觀測量：時間延遲：高度計發(fā)射脈沖到接收海面回波信號的時間間隔；海面回波波形的前沿斜率；海面回波波形強度。2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理1.與海平面高度有關(guān)的曲面2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理a.參考橢球面b.大地水準(zhǔn)面

把描述地球的理想化的數(shù)學(xué)曲面定義為參考橢球面，是對地球表面的一級近似。

地球上重力位勢相等的各點構(gòu)成等勢面，與平均海平面最為接近的等勢面稱為大地水準(zhǔn)面。1.與海平面高度有關(guān)的曲面2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理c.瞬時海面d.平均海平面

即某一時刻的實際海面。

衛(wèi)星高度計測得的瞬時海面經(jīng)海洋潮高、固體潮高和有效波高修正之后，得到所謂平均海平面。1.與海平面高度有關(guān)的曲面2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理e.海面動力高度f.大地水準(zhǔn)面起伏

將平均海平面相對于大地水準(zhǔn)面的偏離，稱為海面動力高度，即海洋學(xué)中的海面重力位勢差，其范圍一般在±1.5m以內(nèi)。

大地水準(zhǔn)面相對于參考橢球面的偏離，稱為大地水準(zhǔn)面起伏，其范圍一般在±100m以內(nèi)。1.與海平面高度有關(guān)的曲面2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理g.海平面起伏

瞬時海平面相對于大地水準(zhǔn)面的偏離，稱為海平面起伏。其范圍一般在±10m以內(nèi)。

海平面起伏和大地水準(zhǔn)面起伏比它們各自的絕對高度更具有重要意義。因為在這些起伏中，包含了地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和海洋動力過程的各種信息。1.與海平面高度有關(guān)的曲面2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理2.衛(wèi)星高度計的測高原理為測量噪聲；為大氣壓引起的海面誤差；通過衛(wèi)星的精密定軌方法得出2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理※.衛(wèi)星相對于海面高度的計算t：雷達(dá)脈沖往返于衛(wèi)星和海面之間的時間；c：電磁波傳播速度即衛(wèi)星高度計的測量結(jié)果

厘米量級的測距精度要求是高度計的技術(shù)難度。對于5cm的測高精度，相應(yīng)的時間測量要準(zhǔn)確到0.2ns左右，要求計時鐘具有年誤差不超過1s的精度。同時對發(fā)射和接收技術(shù)也提出了較高要求。2.衛(wèi)星高度計的測高原理2024/6/113.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除單位厘米2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理a.軌道誤差

由上頁圖，測高數(shù)據(jù)的誤差主要分三類：軌道誤差、儀器誤差和地球物理環(huán)境校正誤差。

誤差主要來源于衛(wèi)星速度和高度的變化，衛(wèi)星高度處的重力場及衛(wèi)星跟蹤精度。軌道誤差的消除方法主要有：單星交疊平差、雙星或多星聯(lián)合平差、共線平差。3.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理b.電磁偏差

由于海面波浪分布并非高斯型，波谷反射脈沖的能力強于波峰，因此高度計測得的海面高度偏離平均海平面，趨向于波谷，這種偏差可通過利用帶有風(fēng)速參量的經(jīng)驗關(guān)系式進(jìn)行修正。3.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除c.干/濕對流層誤差

干濕空氣都會引起雷達(dá)信號的延遲?？衫闷渑c海表大氣壓和緯度之間的關(guān)系來修正。2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理

電離層中自由電子對脈沖的阻礙作用，使得電磁波傳播速度發(fā)生變化，產(chǎn)生了電離層誤差。通過精確測量電磁波路徑上的總電子數(shù)來消除電離層誤差。自由電子量隨時間、太陽活動、海域位置、衛(wèi)星高度的不同而不同。d.電離層誤差3.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除2024/6/117.2衛(wèi)星高度計的測高原理e.大氣壓引起的誤差

一般，大氣壓增加1mbar，海面下降1cm。3.衛(wèi)星高度計測高的誤差與消除f.潮汐引起的誤差

主要包括固體地球潮汐、極性潮、彈性海洋潮汐，其中彈性海洋潮汐為主要影響。2024/6/117.3高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用（1）基本原理當(dāng)海面的有效波高不同時，接收機的接收功率及回波的前沿斜率也不同。當(dāng)有效波高較小時，接收機的工作時段上有效接收時間較短，回波波形開始低平，繼而急驟上升，波形的前沿斜率較大。近似地，回波信號的前沿上升斜率與海面有效波高成反比，由此，可建立兩者之間的關(guān)系，并以查找表的形式固定，實現(xiàn)有效波高的星上計算。1.測量有效波高2024/6/117.3高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用（1）基本原理

1.測量有效波高2024/6/117.3高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用（2）推導(dǎo)過程

1.測量有效波高Barrick在總結(jié)前人關(guān)于雷達(dá)海面回波模型的基礎(chǔ)上，基于10個前提條件下，推導(dǎo)出海面回波功率的關(guān)系式：可簡化為：在此基礎(chǔ)上，可得出：h為均方根波高2024/6/117.3高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用（3）有效波高的主要應(yīng)用

1.測量有效波高將其同化到海浪數(shù)值預(yù)報模式中，提供合理的初始場，并改進(jìn)和檢驗預(yù)報模式；進(jìn)行全球或區(qū)域的波浪場特征分析，如波侯、極端波要素和浪場時空結(jié)構(gòu)等。2024/6/117.3高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用（1）海面某點處地形高度的計算（見圖）2.觀測海面地形（2）大面積海面地形的表示球諧函數(shù)2024/6/117.3高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用（3）海面地形異常的觀測

2.觀測海面地形

海面地形異常被定義為海表面與平均海表面的高度差，有時也稱為海平面高度距平。為多年平均的海面地形高度中國海平均海平面高度距平的地理分布(1992.10-2004.1)※距平值是相對于1993.1-1999.12共7年的海平面平均值的差值。2024/6/117.3高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用3.觀測大洋環(huán)流-利用海面動力高度

利用衛(wèi)星高度計資料推算大洋環(huán)流最簡單的方法是將平均海平面與大地水準(zhǔn)面相減，得出動力高度，再利用地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系，算出大洋環(huán)流。由于現(xiàn)有大地水準(zhǔn)面模型的誤差與大洋環(huán)流引起的動力高度處于同一量級，因而這種方法只能用于大尺度海洋動力現(xiàn)象觀測。另一種方法被稱為同步分離法，其主要思路是將大地水準(zhǔn)面與海面動力高度同時從高度計資料分離出來，數(shù)學(xué)依據(jù)是改進(jìn)的加權(quán)約束最小二乘法。2024/6/117.3高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用4.測量大地水準(zhǔn)面與重力異常

大地測量的基本任務(wù)是確定大地水準(zhǔn)面與重力異常（大地水準(zhǔn)面與參考橢球面上對應(yīng)點的重力大小之差）。（1）大地水準(zhǔn)面的測量

模型的空間分辨率達(dá)到100km，精度小于0.5m。具代表性的四個全球大地水準(zhǔn)面模型是：美國的GEM系列、PGS系列、OSU系列和JGM系列。2024/6/117.3高度計在海洋動力地形測量中的應(yīng)用4.測量大地水準(zhǔn)面與重力異常（2）重力異常

由衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演海洋重力異常的方法主要有：最小二乘法、Stokes公式