第七章海洋表面动力地形的卫星测量-海洋遥感

另一种方法被称为同步分离法，其主要思路是将 大地水准面与海面动力高度同时从高度计资料分离出 来，数学依据是改进的加权约束最小二乘法。
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7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
4.测量大地水准面与重力异常
大地测量的基本任务是确定大地水准面与重力异 常（大地水准面与参考椭球面上对应点的重力大小之 差）。
ESA
1995.4.21 2.5
GFO
美，海军
1998.2.10 2.5
Jason-1
NASA/ CNES 2001.9 4.2
Envisat
ESA
Βιβλιοθήκη Baidu
2002.3 2.5
13.5G 13.8G 5.3/13.6G 13.8G 13.5G 5.3/13.6G 3.2/13.6G
7.1 概述
3.卫星高度计的发展趋势
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7.2 卫星高度计的测高原理
2.卫星高度计的测高原理
hssh ? horbit ? halt ? ? h
? hinv? bar ? hT ? ?
? h ? hiono ? hDry ? trop ? hWet ? trop ? hE ? Bias
horbit 通过卫星的精密定 轨方法得出
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7.2 卫星高度计的测高原理
卫星测高原理：以卫星为载体，以海面作为遥测靶， 由卫星上装载的雷达高度计向海面发射微波信号，该雷达 脉冲到达海面后，经过海面发射再返回到雷达测高仪。
其原理与应用都是基于三个基本观测量：
? 时间延迟：高度计发射脉冲到接收海面回波信号的时间 间隔；
? 海面回波波形的前沿斜率； ? 海面回波波形强度。
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7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
1.测量有效波高
（1）基本原理
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7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
1.测量有效波高
（2）推导过程
a. Barrick在总结前人关于雷达海面回波模型的基础上， 基于10个前提条件下，推导出海面回波功率的关系式：
b. 可简化为：
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7.2 卫星高度计的测高原理
1.与海平面高度有关的曲面
c.瞬时海面
即某一时刻的实际海面。
d.平均海平面
卫星高度计测得的瞬时海 面经海洋潮高、固体潮高和有 效波高修正之后，得到所谓平 均海平面。
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7.2 卫星高度计的测高原理
1.与海平面高度有关的曲面
e.海面动力高度
将平均海平面相对于大地水准面的偏离，称为海面动 力高度，即海洋学中的海面重力位势差，其范围一般在 ±1.5m 以内。
目前国际上正在发展利用各种卫星测高数据联合 求解的方法，以期得到精度更高、时间和空间分辨率 更高的重力异常分布。
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7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
有关应用的具体算法除参考教材外， 可参考：
何宜军等，《高度计海洋遥感研究 与应用》，科学出版社，2002。
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未来的高度计计划在近期的目标是提高空间和时 间分辨率，争取能够在几天内以几十公里的分辨率 覆盖同一地区。另外也会发射一些目标明确的、耗 费较小的小卫星。
? 测距精度的提高、数据处理方法的改进、观测 数据的逐步积累；
? 卫星测高技术的创新。
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4. 卫 星 高 度 计 的 研 究 与 应 用
由上页图，测高数据的误差主要分三类：轨道误差、 仪器误差和地球物理环境校正误差。
a.轨道误差 误差主要来源于卫星速度和高度的变化，卫星
高度处的重力场及卫星跟踪精度。 轨道误差的消除方法主要有：单星交叠平差、
双星或多星联合平差、共线平差。
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7.2 卫星高度计的测高原理
3.卫星高度计测高的误差与消除
GEOS-3
NASA
1975.4.9 25-50 13.9G
Seasat-A
NASA
1978.6.28 20-30 13.5G
Geosat
美，海军
1985.3.15 10-20
ERS-1
ESA
1991.7.17 10
Topex/Poseidon NASA/ CNES 1992.8.10 6
ERS-2
f.大地水准面起伏
大地水准面相对于参考椭球面的偏离，称为大地水准 面起伏，其范围一般在±100m 以内。
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7.2 卫星高度计的测高原理
1.与海平面高度有关的曲面
g.海平面起伏
瞬时海平面相对于大地水准面的偏离，称为海平面起 伏。其范围一般在±10m 以内。
海平面起伏和大地水准面起伏比它们各自的绝对高度 更具有重要意义。因为在这些起伏中，包含了地球内部结 构和海洋动力过程的各种信息。
7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
2.观测海面地形
（1）海面某点处地形高度的计算 （见图）
? h? ? horbit ? halt ? hgeoid ? ?i
i
（2）大面积海面地形的表示
球谐函数
lmax l
?? ? (? ,? ) ?
(clm cos m? ?dlm sin m? ) plm (sin ? )
c. 在此基础上，可得出：
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h为均方根波高
7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
1.测量有效波高
（3）有效波高的主要应用
a. 将其同化到海浪数值预报模式中，提供合理的初始场， 并改进和检验预报模式；
b. 进行全球或区域的波浪场特征分析，如波侯、极端波 要素和浪场时空结构等。
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l ?0 m?0
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7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
2.观测海面地形
（3）海面地形异常的观测
海面地形异常被定义为海 表面与平均海表面的高度差， 有时也称为海平面高度距平。
hssa ? h? ? h? h? 为多年平均的海面地形高度
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中国海平均海平面高度距平的 地理分布(1992.10-2004.1)
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7.2 卫星高度计的测高原理
3.卫星高度计测高的误差与消除
d.电离层误差 hiono
电离层中自由电子对脉冲的阻碍作用，使得电 磁波传播速度发生变化，产生了电离层误差。通过 精确测量电磁波路径上的总电子数来消除电离层误 差。自由电子量随时间、太阳活动、海域位置、卫 星高度的不同而不同。
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7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
1.测量有效波高
（1）基本原理
当海面的有效波高不同时，接收机的接收功率及 回波的前沿斜率也不同。当有效波高较小时，接收机 的工作时段上有效接收时间较短，回波波形开始低平， 继而急骤上升，波形的前沿斜率较大。
近似地，回波信号的前沿上升斜率与海面有效波 高成反比，由此，可建立两者之间的关系，并以查找 表的形式固定，实现有效波高的星上计算。
厘米量级的测距精度要求是高度计的技术难度。对于 5cm的测高精度，相应的时间测量要准确到0.2ns 左右， 要求计时钟具有年误差不超过1s的精度。同时对发射和接 收技术也提出了较高要求。
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3.卫星高度计测高的误差与消除
单 位 厘 米
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7.2 卫星高度计的测高原理
3.卫星高度计测高的误差与消除
b.电磁偏差 hE ? Bias
由于海面波浪分布并非高斯型，波谷反射脉冲 的能力强于波峰，因此高度计测得的海面高度偏离 平均海平面，趋向于波谷，这种偏差可通过利用带 有风速参量的经验关系式进行修正。
c.干/湿对流层误差 h , h Wet? drop Dry ? drop
干湿空气都会引起雷达信号的延迟。可利用其 与海表大气压和纬度之间的关系来修正。
由于高度计是非成像传感器，星上存储器可以满足 全球观测的要求，因而可以获得全球尺度及准实时的观 测数据，这对于海洋及海洋气象预报具有重要意义。
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7.1 概述
2.卫星高度计的发展历史
卫星测高技术的提出始于1964年在美国Woods Hole举行的“空间海洋学”研讨会，确定的测距技术指 标为10cm。
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7.2 卫星高度计的测高原理
3.卫星高度计测高的误差与消除
e.大气压引起的误差 hinv?bar 一般，大气压增加1mbar，海面下降1cm。 hinv? bar ? ? 9.948( p ? 1013 .3)
f.潮汐引起的误差 hT 主要包括固体地球潮汐、极性潮、弹性海洋潮
汐，其中弹性海洋潮汐为主要影响。
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7.2 卫星高度计的测高原理
1.与海平面高度有关的曲面
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7.2 卫星高度计的测高原理
1.与海平面高度有关的曲面
a.参考椭球面 把描述地球的理想化的数学曲面定义为参考椭
球面，是对地球表面的一级近似。
b.大地水准面
地球上重力位势相等的各 点构成等势面，与平均海平面 最为接近的等势面称为大地水 准面。
? 为测量噪声； hinv?bar 为大气压引起的海
面误差；
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hssh ? hgeoid ? ? 0 ? ? t
7.2 卫星高度计的测高原理
2.卫星高度计的测高原理
※.卫星相对于海面高度的计算
即卫星高度计 的测量结果
halt
?
tc 2
t：雷达脉冲往返于卫星和海面之间 的时间；c：电磁波传播速度
（1）大地水准面的测量
模型的空间分辨率达到100km，精度小于0.5m。 具代表性的四个全球大地水准面模型是：美国的 GEM系列、PGS系列、OSU系列和JGM系列。
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7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
4.测量大地水准面与重力异常
（2）重力异常
由卫星测高数据反演海洋重力异常的方法主要有： 最小二乘法、Stokes公式逆运算法、Hotine积分法、 逆Venning-Meinesz交换法，以及垂线偏差联合法和 谱分析方法等。
※ 距平值是相对于 1993.1-1999.12 共7年的 海平面平均值的差值。
7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用
3.观测大洋环流-利用海面动力高度
利用卫星高度计资料推算大洋环流最简单的方法 是将平均海平面与大地水准面相减，得出动力高度， 再利用地转平衡关系，算出大洋环流。 由于现有大 地水准面模型的误差与大洋环流引起的动力高度处于 同一量级，因而这种方法只能用于大尺度海洋动力现 象观测。
海洋遥感
The Oceanic Remote Sensing
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第七章 海洋表面动力地形的卫星测量
? 概述 ? 卫星高度计的测高原理 ? 高度计在海洋动力地形测量中的应用
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7.1 概述
1.卫星高度计的特点
卫星高度计是一种主动式微波测量仪，具有独特的 全天候、长时间历程、观测面积大、观测精度高、信息 量大的能力和特点。
首次原理性实验于1973年NASA发射的Skylab上 进行，其运行为后续的GEOS-3（1975）和Seasat-A （1978）高度计的设计积累了宝贵经验。
Seasat-A首次实现了重复地面轨迹运行模式。
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7.1 概述
2.卫星高度计的发展历史
开始 业务 运行
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卫星
研制单位 发射 精度cm 频率Hz