6-卫星测高(1,2,3)

8/38
GEOSAT-大地测量卫星
发射时间：1985年3月12 发射机构：美国海军 发射目的
• 为美国海军测量海洋大地水准面
； • 为美国海军提供海况和风速观测 数据； • 增加人类对于海洋大地水准面的 认识。
轨道参数
高度约800km； 轨道倾角108° 重复周期：17天
9/38
ERS-欧洲遥感卫星
主要目标是以不低于T/P的精度水 平来测定全球的海面地形，从T/P 和JASON-1高精度、长时间连续 观测数据得到全球的海面地形； 研究海洋环流，全球气候变化。
轨道参数
高度：1336km，轨道倾角：66⁰， 重复周期：10天
海面观测精度
4.2cm（GDR）；5.2cm（IGDR）
13/38
ENVISAT- ERS1/2的后续卫星
17/38
二、卫星测高基本原理
3、卫星测高原理（续）
卫星上的雷达测距仪沿垂线方向 向地面发射微波脉冲，并接受从 地面（海面）反射回来的信号 卫星上的计时系统同时记录雷达 信号往返传播时间 Δt 已知光速值c，则雷达天线相位 中心到瞬时海面的垂直距离ha为 ： 卫星发射雷达波束到达海面的波 迹半径约为3～5公里。因此，测 高仪测得的距离ha相当于卫星天 线相位中心到这个半径为3～5公 里圆形面积内海面的平均距离。
h0 h ha
20/38
三、卫星测高误差分析
由于测高仪发射的脉冲信号在经过海洋表面反射 返回接收机之前，受到多种因素的影响，包括：

卫星轨道误差 仪器误差 大气对微波信号的散射与折射等
因此，必须对卫星测高仪的测量值施以各项改 正，才能得到卫星质心到海洋表面的瞬时距离。 根据误差来源不同，将误差改正项分为三类：
14/38
4、卫星测高发展现状
测高精度由最初的米级提高到目 前的厘米级，分辨率由原来的上 百公里提高到现在的几公里。 观测对象也由最初的海洋扩展到 冰面、陆地沙漠等全球区域的覆 盖。 在全球范围内全天候地多次重复 、准确地提供海洋、冰面等表面 高度的观测值，改变了人类对地 球特别是海洋的认识和观测方式 ，使我们有能力并且系统的进行 与之相关的各种研究。 平均海面高模型 海洋重力场
第六章、卫星测高
目录：
一、引言 二、卫星测高基本原理 三、卫星测高误差分析 四、测高卫星与数据预处理 五、卫星测高数据的基准统一与平差 六、卫星测高技术的应用 七、卫星测高技术的最新发展
2/38
一、引言
1、提出
卫星测高最早在1969年 Williamstown召开的固 体地球和海洋物理大会 上由美国大地测量学者 考拉（W. M. Kaula）首 次提出。 它以卫星为载体，借助 于
发射时间：1992年8月10日 发射机构：美国宇航局和法国空 间局 目的：观测和认识海洋环流 卫星轨道
高度：1336km 倾角：66° 重复周期：10天
高轨道可以减小大气阻力和重力 对卫星的影响，同时有助于更加 容易和精确确定卫星轨道 2002年9月15日，T/P轨道调整 到新位臵，处于原始原始两轨道 的中间位臵。原轨道被JASON1 使用
6/38
GEOS3－地球动力学实验海洋卫星
发射时间：1975年4月9日 发射机构：美国宇航局 发射目的：海洋地形观测，是第一颗专门 用于测高的海洋地形卫星 轨道高度：840km 轨道倾角：115° 轨道径向精度可达2m 受到存储能力的限制，GEOS3只进行了 三年约1680个小时的数据采集和观测， 直到1978年12月任务结束。 卫星轨道高，造成返回信号强度减弱和星 下点足迹变大，使用脉冲压缩技术解决, 该技术的应用使得分辨率的提高成为可能 。
7/38
SEASAT－海洋卫星
发射时间：1978年6月28日 发射机构：美国宇航局 发射目的：观测海洋 卫星轨道高度800km，轨道倾角108º 搭载仪器： 合成孔径雷达（SAR），用来提供 高质量详细的海洋和陆地雷达图像 ； 雷达散射计，用来测量近地面风速 及其方向； 多频段微波辐射计，用来测量地面 温度、风速及海冰覆盖； 雷达高度计，用来测量海面和浪高 。
23/38
1、卫星轨道误差
2）大气阻力 轨道高度处的大气影响是用空气密度的经验公 式与已知的卫星形状和定向来计算的，这与实 际的大气影响有差异。 由于

对大气的物理属性，了解不甚深入 对中性气体、电离气体和多成分的混合气体与不同 卫星表面相互作用也了解甚少
使得空气动力学数学模型化变得极为困难。
利用DORIS跟踪系统与SLR一起，将大大减少 跟踪站坐标误差。
26/38
1、卫星轨道误差
4）பைடு நூலகம்踪站坐标误差（续）
日月，行星引力：潮汐形变

地球固体潮 海潮 大气潮
地球自转不均匀：自转形变 这些潮汐和地球的形变将引起地球引力位展开式中系 数的变化，从而地球的真实位将产生一个形变附加位 ，这个附加位将直接影响卫星的运动轨迹。
影响飞行器温度的辐射可以分为两类：内部和外部。 它们将影响飞行器的形状、定向和反射率。
25/38
1、卫星轨道误差
4）跟踪站坐标误差
不能准确确定跟踪站相对于地球中心的位臵 是这种误差最主要来源。SLR可以准确确定 跟踪站坐标相对于地球中心的位臵。 问题：

气候恶劣导致数据中断 大多数SLR站集中在北半球 大陆上而不是全球均匀分布
高度 r为卫星的地心距 rp为卫星星下点 P的地心距 hi为瞬时海面和似静海面 之间的差距 hs为似静海面至大地水准 面间的差距 为地理纬度 N为大地水准面高
19/38
式中各量相对关系如右图
二、卫星测高基本原理
3卫星测高原理（续）
卫星测高观测值应加入的改正项： 改正包括仪器校正 海面状况改正 对流层折射改正 电离层效应改正 周期性海面影响改正 卫星至选定的平均地球椭球面之间 的距离（即大地高）h可以根据卫 星的精密轨道数据得出，当精确求 得ha值后，可确定海面高h0：
发射时间：1991年7月17日 发射机构：ESA 主要任务： 进行地球观测，特别是对大气和 海洋的观测 轨道高度约785km，轨道倾角 98.52° 搭载仪器：

主动式微波仪器 雷达高度计 沿轨扫描辐射计 微波辐射计 精密距离及距离变 率设备 激光反射阵列
10/38
地形实验-T/P:TOPEX (TOPographic Experiment)

空间技术 电子和微波 激光等高新技术
3/38
来量测全球海面高。
一、引言
2、发展
卫星测高最初目的：采用遥测 的方法确定海面高。 经过近40年发展，卫星测高在 地球物理学、大地测量学和海 洋学等领域得到广泛应用。

全球海平面及其变化 地球重力场 海底地形 海洋岩石圈 海洋环流等
24/38
1、卫星轨道误差
3）光压
太阳辐射压和地球反照压是作用在航空飞行器上的两 个外部辐射量。 太阳辐射压：
当卫星受到太阳照射，则卫星表面吸收或者反射光子从而产 生一个微小作用力，与其他的非保守力摄动不同，这个力 称为太阳辐射压力，是由卫星的质量和其表面积决定的。
地球反照压：
由于地球受到太阳辐射，除了自身吸收一部分热量外，地面 或海洋面将反射一部分太阳能量返回太空，同时由于地球 自身的热辐射，卫星将受到地球光辐射压力（来自太阳的 反射）和红外辐射压力。
15/38
4、卫星测高发展现状
卫星测高任务已成为国际海洋和气象计划的组成部分 世界海洋环流实验WOCE 气候变化及预测WCRP 全球海洋观测系统GOOS 观测厄尔尼诺（El Niño）现象的热带海洋-全球大气
TOGA 全球海洋数据同化实验GODAE
在上述计划中，卫星测高数据与这些计划观测数据的融 合处理，可以获取更多的相关信息，大大拓展了原有计 划的研究领域。 目前，卫星测高已成为全球气候观测系统GCOS和全球 大地测量观测系统GGOS的一个重要组成部分。
11/38
ERS2
发射时间：1995年4月 发射机构：ESA 主要任务：进行地球观 测，特别是对大气和海 洋的观测。 轨道高度：785km、轨 道倾角98.5° 搭载仪器：与ERS1基本 相同。
12/38
JASON1-T/P的后续卫星
发射时间：2001年12月 发射机构：美国宇航局和法国空 间局 发射目的
22/38
1、卫星轨道误差
1）重力场模型 开普勒轨道：
卫星只受地球作为均质球体的引力作用，不考虑地 球的非球形引力和其它外力的影响。 对于真实的地球外空间的测高卫星，由于所有的 星体都并非均匀密度分布的球体，通常为扁球体 加上各种形变，由此产生的引力位将不同于球形 引力位。 为了精确地确定重力对卫星轨道的影响，需要用 一个很高阶次的球谐展开函数来描述摄动的周期 性特征。
i 、 i 分别为振幅和相位
弹性海洋潮汐Δheot 负荷潮汐Δhlt
hlt fi [ci cos( i t i ui ) di sin( i t i ui )]
i 1
8
在开阔海洋，潮汐 的平均振幅可达 50cm。 目前潮汐模型的精 度可达几个厘米。
• 卫星测高提取地球物理信息 • 由ERS1 地形观测导出的南极洲冰
流速度
4/38
3、测高卫星
5/38
Skylab－太空实验室
最早搭载有高度计的卫星 － －高度计S193 发射时间：1973年5月14日 轨道高度：435km 轨道倾角：50° 脉冲宽度0.1ms 分辨率：15m 第一次得到因海底特征引起 的海洋大地水准面观测值， 奠定了卫星测高学的技术基 础
发射时间：2002年3月1日 发射机构：ESA 主要任务：对地球大气及地球 表面进行观测，用于环境研究 ，特别是气候变化研究。 卫星轨道：与ERS2相似，是 一个高度倾斜、太阳同步的近 圆形轨道 轨道高度：764~825公里，轨 道倾角：98.5°，重复周期： 35天 实际地面轨迹与标称偏差保持 在1km以下。