完整word版,衛(wèi)星測高技術(shù)的原理及應(yīng)用

1、衛(wèi)星測高技術(shù)的原理及應(yīng)用摘要： 衛(wèi)星測高技術(shù)是空間大地測量中的一個(gè)關(guān)鍵的新技術(shù)，自其產(chǎn)生以來，得到了迅速的發(fā)展，并在大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、海洋學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。本文主要介紹了衛(wèi)星測高技術(shù)的產(chǎn)生、原理和應(yīng)用， 并在最后對(duì)自己的學(xué)習(xí)收獲進(jìn)行了簡單的總結(jié)。1 引言衛(wèi)星測高的概念是在 1969 年 Williamstown 召開的固體地球和海洋物理大會(huì)上由美國著名大地測量學(xué)者考拉首次提出的。 它以衛(wèi)星為載體， 借助空間、電子和微波、激光等高新技術(shù)來量測全球海面高。 20 世紀(jì) 80 年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和空間技術(shù)高速發(fā)展， 地球科學(xué)在宏觀和微觀的研究上進(jìn)入了一個(gè)迅速發(fā)展和深入探索的時(shí)期。 在此期間

2、， 地球科學(xué)各分支學(xué)科出現(xiàn)了大量新的學(xué)科生長點(diǎn)，提出了許多新學(xué)科、 新概念、新技術(shù)。衛(wèi)星測高學(xué)在這種形勢下隨著衛(wèi)星遙感遙測技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展起來， 它利用衛(wèi)星上裝載的微波雷達(dá)測高儀， 輻射計(jì)和合成孔徑雷達(dá)等儀器， 實(shí)時(shí)測量衛(wèi)星到海面的距離、 有效波高和后向散射系數(shù)， 并通過數(shù)據(jù)處理和分析，來研究大地測量學(xué)、地球物理學(xué)和海洋學(xué)方面的問題。自 1969 年考拉提出衛(wèi)星測高構(gòu)想， 1970 年美國宇航局（ NASA ）發(fā)射天空實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)星（ Skylab）進(jìn)行首次衛(wèi)星雷達(dá)海洋測高實(shí)驗(yàn)以來， 30 多年間國際上先后陸續(xù)發(fā)射了多代測高衛(wèi)星，主要有 :美國 NASA 等部門發(fā)射的地球衛(wèi)星GeosO3（ 1975

3、 年），海洋衛(wèi)星 Seasat（1978 年），大地測量衛(wèi)星 Geosat（1985 年）;歐洲空間局（ ESA）發(fā)射的遙感衛(wèi)星 ERSO1（1991 年）和 ERSO2（ 1995 年） ; NASA 和法國空間局（ CNES）合作發(fā)射的海面地形實(shí)驗(yàn) /海神衛(wèi)星 Topex/Poseidon（ T/P， 1992 年）。衛(wèi)星遙感技術(shù)經(jīng)歷了改進(jìn)和完善的過程，技術(shù)和性能已趨成熟，測高精度已提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。衛(wèi)星測高技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其技術(shù)和性能日趨成熟，測高精度、分辨率有了很大的提升， 應(yīng)用范圍也擴(kuò)展到全球區(qū)域的覆蓋。 它可以在全球范圍內(nèi)全天候地多次重復(fù)、 準(zhǔn)確地提供海洋、 冰面等表面高度的

4、觀測值， 改變了人類對(duì)地球特別是海洋的認(rèn)識(shí)和觀測方式， 使我們有能力并且系統(tǒng)地進(jìn)行與之有關(guān)的各種研究。目前，衛(wèi)星測高已成為全球氣候觀測系統(tǒng) GCOS 和全球大地測量觀測系統(tǒng)GGOS 的一個(gè)重要組成部分。2 衛(wèi)星測高的基本原理衛(wèi)星測高儀是一種星載的微波雷達(dá)，它通常由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、時(shí)間系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。 衛(wèi)星測高技術(shù)就是利用這種測高儀來實(shí)現(xiàn)其功能。它的基本原理是：利用星載微波雷達(dá)測高儀， 通過測定微波從衛(wèi)星到地球海洋表面再反射回來所經(jīng)過的時(shí)間來確定衛(wèi)星至海面星下點(diǎn)的高度，根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道和各種改正來確定某種穩(wěn)態(tài)意義上或一定時(shí)間尺度平均意義上的海面相對(duì)于一個(gè)參考橢球的大地高或海洋大地水準(zhǔn)面

5、高。衛(wèi)星作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其上的雷達(dá)測距儀沿垂線方向向地面發(fā)射微波脈沖，并接受從地面 （海面）反射回來的信號(hào)衛(wèi)星上的計(jì)時(shí)系統(tǒng)同時(shí)記錄雷達(dá)信號(hào)往返傳播時(shí)間 t已知光速值 c，則雷達(dá)天線相位中心到瞬時(shí)海面的垂直距離ha 為：hact2衛(wèi)星發(fā)射雷達(dá)波束到達(dá)海面的波跡半徑約為35 公里。因此，測高儀測得的距離 ha 相當(dāng)于衛(wèi)星天線相位中心到這個(gè)半徑為35 公里圓形面積內(nèi)海面的平均距離。衛(wèi)星測高的基本觀測方程為：rrp422 (Nhihs )ha r rp(1)esin8r式中，e 為橢球第一偏心率； ha 為衛(wèi)星相對(duì)瞬時(shí)海面的高度；r為衛(wèi)星的地心距 （由衛(wèi)星的位置取得） ； r p 為衛(wèi)星星下點(diǎn) （衛(wèi)

6、星在平均地球橢球面的投影點(diǎn)）P 的地心距； hi 為瞬時(shí)海面和似靜海面之間的差距；hs 為似靜海面至大地水準(zhǔn)面間的差距；為地理緯度；N 為大地水準(zhǔn)面高；其相對(duì)關(guān)系如圖1 所示。圖 1 衛(wèi)星測高幾何原理圖由于測高衛(wèi)星在運(yùn)行和工作過程中時(shí)刻受著各種客觀因素的影響，其觀測值不可避免的存在誤差， 因此要使用觀測值， 必須先對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的各種地球物理改正以消除誤差源的影響。 這些改正包括儀器校正、 海面狀況改正、 電離層效應(yīng)改正以及周期性海面影響改正等。只有經(jīng)過改正之后的 ha 才有意義。衛(wèi)星至所選定的平均橢球面之間的距離 （即大地高）h 可以根據(jù)衛(wèi)星的精密軌道數(shù)據(jù)得出，當(dāng)精確求得 ha 后可確定海面高

7、 h0：?= ? - ?03 衛(wèi)星測高的誤差來源及改正由于測高儀發(fā)射的脈沖信號(hào)在經(jīng)過海洋表面反射返回接收機(jī)之前， 受到多種因素的影響，根據(jù)誤差來源不同， 將誤差分為三類，即衛(wèi)星軌道誤差、環(huán)境誤差、儀器誤差。3.1 衛(wèi)星軌道誤差引起軌道誤差的主要誤差源可以分為四類：地球重力場模型、 大氣傳播延遲、光壓、跟蹤站坐標(biāo)誤差。1.重力場模型對(duì)于真實(shí)的地球外空間的測高衛(wèi)星， 由于所有的星體都并非均勻密度分布的球體，通常為扁球體加上各種形變， 由此產(chǎn)生的引力位將不同于球形引力位。 為了精確地確定重力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響， 需要用一個(gè)很高階次的球諧展開函數(shù)來描述攝動(dòng)的周期性特征。2.大氣傳播延遲軌道高度處的大氣影

8、響是用空氣密度的經(jīng)驗(yàn)公式與已知的衛(wèi)星形狀和定向來計(jì)算的，這與實(shí)際的大氣影響有差異。3.光壓當(dāng)衛(wèi)星受到太陽照射， 則衛(wèi)星表面吸收或者反射光子從而產(chǎn)生一個(gè)微小作用力，與其他的非保守力攝動(dòng)不同，這個(gè)力稱為太陽輻射壓力， 是由衛(wèi)星的質(zhì)量和其表面積決定的。由于地球受到太陽輻射，除了自身吸收一部分熱量外，地面或海洋面將反射一部分太陽能量返回太空， 同時(shí)由于地球自身的熱輻射， 衛(wèi)星將受到地球光輻射壓力（來自太陽的反射）和紅外輻射壓力。4.跟蹤站坐標(biāo)誤差不能準(zhǔn)確確定跟蹤站相對(duì)于地球中心的位置是這種誤差最主要來源。SLR 可以準(zhǔn)確確定跟蹤站坐標(biāo)相對(duì)于地球中心的位置。此外，衛(wèi)星軌道誤差還受固體潮汐、海洋潮汐等因素

9、的影響。3.2 環(huán)境誤差1.電磁偏差雷達(dá)測高儀量測的是衛(wèi)星至海面的距離，這個(gè)值是相對(duì)于反射海面的平均值。由于海面波谷反射脈沖的能力優(yōu)于波峰，造成回波功率的重心偏離于平均海面而趨向于波谷，此偏移稱之為電磁偏差或海況偏差。這種改正是由于平均海面與平均散射面之間存在高度差產(chǎn)生的。2.電離層折射誤差當(dāng)測高衛(wèi)星信號(hào)穿過電離層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生折射效應(yīng)，其結(jié)果對(duì)傳播信號(hào)產(chǎn)生時(shí)延。電離層的折射率與大氣電子密度成正比，與通過的電磁波頻率平方成反比。電離層的電子密度隨太陽及其它天體的輻射強(qiáng)度、季節(jié)、時(shí)間以及地理位置等因素的變化而變化， 其中太陽黑子活動(dòng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱對(duì)其影響最大。電離層改正可用雙頻微波儀器直間量測得到。T/

10、P 衛(wèi)星采用雙頻微波進(jìn)行電離層改正。3.對(duì)流層影響電波信號(hào)通過大氣層時(shí)，由于大氣折射率的變化，傳播路徑會(huì)產(chǎn)生彎曲。由于對(duì)流層中的物質(zhì)分布在時(shí)間和空間上具有較大的隨機(jī)性，因而使得對(duì)流層折射延遲亦具有較大的隨機(jī)性。 通常將對(duì)流層折射影響分為由干燥汽體和水蒸汽產(chǎn)生的影響共同組成的。4.逆氣壓改正大氣壓的變化將引起海面變化，而且是逆壓的，即氣壓增高，海面降低，反之亦然。它們之間的關(guān)系假設(shè)為： 海面上的氣壓變化為1mPa時(shí)，海面高的變化為 1cm。3.3 儀器誤差1.跟蹤系統(tǒng)偏差這種誤差是由回波信號(hào)波形中離散采樣點(diǎn)的校準(zhǔn)偏差引起的。這種回波信號(hào)波形使用機(jī)載跟蹤算法，該算法假設(shè)測高儀的高度（勻速）成線形變

11、化。而實(shí)際情況并非如此， 當(dāng)測高儀的高度有一個(gè)加速度時(shí)，如測高儀經(jīng)過一個(gè)窄的海溝上空時(shí)，必須補(bǔ)償一個(gè)相應(yīng)的高度誤差。2.波形樣本放大校準(zhǔn)偏差由接收信號(hào)的放大程度是隨著監(jiān)視表面的剖面變化而變化引起的。 一種自動(dòng)放大控制器用于信號(hào)衰減校正， 但回波信號(hào)強(qiáng)度的快速變化將使得跟蹤脈沖的上升邊位置的回路產(chǎn)生錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致了這一校正誤差。3.平均脈沖形狀的不確定性與時(shí)間標(biāo)志偏差用于計(jì)算平均回波的脈沖是隨機(jī)變化的，且不確定的，返回脈沖形狀的偏差就是因此而產(chǎn)生的。 平均后所剩的殘差導(dǎo)致的量測產(chǎn)生噪聲微波儀部件的老化導(dǎo)致的測量誤差長期的鐘漂也將導(dǎo)致的測量誤差鐘漂可以將測高儀上的鐘同一些參考鐘比較得到。由于儀器老

12、化而導(dǎo)致的高度測量偏差可利用測高儀內(nèi)部校正模式采取補(bǔ)差。此外，儀器偏差還包括定點(diǎn)誤差天線采集模式偏差等。3.4 衛(wèi)星測高誤差改正公式由上所述，衛(wèi)星測高觀測值客觀上受著眾多因素的影響，必須對(duì)其進(jìn)行改正，才能實(shí)際中得到應(yīng)用。綜合上述各項(xiàng)誤差的影響，精確的海面高計(jì)算公式為：h0h(hahsghihahEMbiasht)其中，h 為衛(wèi)星質(zhì)心到參考橢球面的距離，ha 為衛(wèi)星相對(duì)瞬時(shí)海面的高度，h0 為計(jì)算的海面高， hsg為質(zhì)心改正， hi為儀器改正， ha為大氣傳播改正，包括電離層延遲改正和對(duì)流層延遲改正，hEMbias 為電磁偏差改正，ht為潮汐改正，包括固體潮和海洋潮汐， 為殘余的誤差。4 衛(wèi)星測

13、高技術(shù)的應(yīng)用4.1 大地測量學(xué)確定地球形狀及其外部重力場是大地測量學(xué)的基本任務(wù)之一。 海洋占地球表面積的 71%，全球重力場的確定在很大程度上取決了海洋重力場的確定。 衛(wèi)星測高是確定海洋重力場精細(xì)結(jié)構(gòu)的最經(jīng)濟(jì)有效的手段。 利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可確定高分辨率的大地水準(zhǔn)面， 繼而精密確定地球形狀， 使其實(shí)現(xiàn)全球高程基準(zhǔn)統(tǒng)一成為可能。利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可間接或直接確定海洋重力場的其他參考量， 如重力異常、垂線偏差等，這些成果使得大地測量在實(shí)現(xiàn)其基本任務(wù)和科學(xué)目標(biāo)的進(jìn)程中有了突破性進(jìn)展。1.測高數(shù)據(jù)剖面計(jì)算垂線偏差的方法根據(jù)衛(wèi)星測高觀測量計(jì)算衛(wèi)星測高交叉點(diǎn)處的垂線偏差，大地水準(zhǔn)面沿升弧和降弧對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)分別

14、為：&N aN &N &N ataa&NdN &N &N dtdd衛(wèi)星軌道近似正圓時(shí)，有：&&ad&&ad可得大地水準(zhǔn)面分別在經(jīng)度方向和緯度方向上的導(dǎo)數(shù)：N1&&2 &( NaNd )N1&&( NaNd )2 &由此，垂線偏差的子午圈分量和卯酉圈分量分別為：1NR1NR cos2. 測高數(shù)據(jù)反演海洋重力異常的方法早起時(shí)候，人們忽略海面地形的影響， 將測高平均海面高看作大地水準(zhǔn)面高，利用逆 Stokes公式反演重力異常。 目前的計(jì)算過程趨于精細(xì)， 利用波數(shù)相關(guān)濾波方法

15、、方向敏感濾波方法等， 力求排除測高數(shù)據(jù)中的各種非靜態(tài)信號(hào)和海面地形影響，以求得到比較純凈的測高大地水準(zhǔn)面“觀測值 ”。再用逆 Stokes 公式求解重力異常隨后，最小二乘配置法也被用來計(jì)算海洋重力異常，通常用于局部海域的計(jì)算。3. 測高數(shù)據(jù)計(jì)算海洋大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)模型由測高數(shù)據(jù)確定大地水準(zhǔn)面的方法有很多：如簡單求解法，即簡單地從平均海面中扣除海面地形模型的影響， 從而得到大地水準(zhǔn)面， 這種方法求得地大地水準(zhǔn)面精度較低；純幾何求解法，從衛(wèi)星測高的幾何觀測模型出發(fā)，利用海面高、大地水準(zhǔn)面高與衛(wèi)星高 （衛(wèi)星至參考橢球的距離） 的幾何關(guān)系來求解大地水準(zhǔn)面整體求解法，它是從衛(wèi)星軌道的力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程

16、出發(fā)， 同時(shí)求解大地水準(zhǔn)面、穩(wěn)態(tài)海面地形和衛(wèi)星的軌道誤差。 更為實(shí)用的方法是逆 Stokes 方法、垂線偏差法和最小二乘配置法。4.2 地球物理學(xué)利用測高數(shù)據(jù)可反演海底地形構(gòu)造與深部地球物理特征。 海洋大地水準(zhǔn)面短波起伏可提供有關(guān)海底礦藏信息。 海底地殼密度和海水密度的顯著反差僅反映在海洋大地水準(zhǔn)面的短波起伏中， 由濾去長波的海洋大地水準(zhǔn)面或由顧及了潮汐和大氣壓力影響的平均海面可以檢測出海底地形。 測高重力異?？梢苑从逞芯繀^(qū)域板塊相互作用的特點(diǎn)， 其高頻成分可以刻畫各海盆的構(gòu)造特征。 測高空間重力異常也可勾勒陸架構(gòu)造及盆地分布， 反演 Moho 面埋深，再從均衡重力異常 /大地水準(zhǔn)面起伏推算小

17、尺度地幔流應(yīng)力場。利用地球物理方法可反演海底地球深部結(jié)構(gòu)、研究地幔對(duì)流及板塊運(yùn)動(dòng)等。衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可應(yīng)用于研究海洋地殼構(gòu)造。 高精度高分辨率重力異常在深部地質(zhì)與地球物理研究方面，利用重力異常配合海洋地球物理數(shù)據(jù)資料，如地震體波、面波成像，及磁力異常的綜合解釋等， 通過調(diào)和系數(shù)法來研究地殼與巖石圈的厚度與撓曲。4.3 海洋學(xué)衛(wèi)星測高在海洋學(xué)中的應(yīng)用主要包括： 海洋自身的研究和氣候與海洋運(yùn)動(dòng)的相互影響。大洋環(huán)流由海水的水平壓力梯度所引起， 表現(xiàn)為海平面高相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的傾斜和起伏。 穩(wěn)態(tài)海面地形形成地轉(zhuǎn)流， 決定穩(wěn)態(tài)平均洋流。 由衛(wèi)星測高能確定海面地形， 這對(duì)于研究海洋環(huán)流特別有用。 利用測高數(shù)據(jù)

18、建立海潮模型是衛(wèi)星測高的另一重要應(yīng)用。4.4 全球環(huán)境變化與監(jiān)測利用衛(wèi)星測高可進(jìn)行海面波浪分析和預(yù)報(bào)，還可反演估計(jì)海面風(fēng)速場。衛(wèi)星測高已成為監(jiān)測全球海洋海況的重要技術(shù)。 衛(wèi)星測高技術(shù)可以用來監(jiān)測海平面變化，也可以用來測定冰面高改變和冰蓋質(zhì)量均衡。 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可以研究大氣效應(yīng)、海洋氣象學(xué)以及海洋的環(huán)境特征對(duì)氣候的影響及其相互作用。 衛(wèi)星測高是監(jiān)測海洋動(dòng)力現(xiàn)象的一種極為重要的工具，同時(shí)也是海 -氣模型預(yù)測中非常重要的數(shù)據(jù)源，可為全球性災(zāi)害的海洋現(xiàn)象，例如厄爾尼諾、拉尼娜、北大西洋濤動(dòng)或太平洋十年濤動(dòng)等預(yù)報(bào)提供分析依據(jù)。5 個(gè)人學(xué)習(xí)總結(jié)衛(wèi)星測高技術(shù)是空間大地測量學(xué)中正在快速發(fā)展的一種新技術(shù)，它以空間測繪、電子、激光等技術(shù)為基礎(chǔ)，多種高新科技結(jié)合的產(chǎn)物，在大地