卫星测高
卫星测高技术-卫星测高技术及应用要点
卫星测高技术及应用✦第1章卫星测高技术发展及应用概述✦第2章卫星雷达高度计观测基本原理✦第3章卫星高度计观测误差✦第4章卫星测高波形理论与处理方法✦第5章卫星测高数据处理理论与方法✦第6章卫星测高反演海洋重力场理论与技术✦第7章卫星测高技术应用第1章卫星测高技术发展及应用概述卫星测高已成为全球气候观测系统（GCOS：Global Climate Observing System）和全球大地测量观测系统（GGOS：Global Geodetic Observing System）的一个重要组成部分。
海面高度：精度最高。
根据发射脉冲和接收脉冲间的时间间隔，确定卫星质心到星下点的距离，进而计算星下点的海平面高度有效波高（SWH）：精度较高。
分析返回脉冲波形形状的特征，确定海洋的有效波高。
有效波高等于4倍海面的均方根波高。
海面风速：精度较低。
通过接受到的能量及其强度，可以获取雷达的地面后向散射系数，进而求定海面风速。
测高卫星简介：已结束测高任务：Skylab、GEOS3、SEASAT、GEOSAT、ERS1、T/P正在运行的测高任务：雷达测高：ERS2、 GFO、 JASON1、 ENVISAT、 JASON2(OSTM)激光测高：ICESat计划实施的测高任务： Cryosat、Saral(AltiKa)、HY-2、NPOESS 、 Sentinel3概念性卫星测高：Wittex、GPS测高、WSOA卫星搭载的仪器：合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar），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。
GEOSAT前后工作了近五年，首次提供了具有重复性、高分辨率、长期性高质量的全球海面高数据集，标志卫星测高技术进入了成熟阶段。
两种卫星序列时代的开始进入上个世纪90年代后，为了进一步改善仪器性能，高度计采用了两种不同的方法，卫星高度计从而进入了两个不同系列的时代。
测绘技术中的卫星测高和大地测量方法介绍
测绘技术中的卫星测高和大地测量方法介绍测绘技术是指利用各种测绘仪器和测绘方法，对地球表面的地理实体进行观测、记录和绘制的一种科学技术。
在现代测绘技术中，卫星测高和大地测量是两种重要的测绘方法。
本文将对这两种方法进行介绍。
一、卫星测高方法卫星测高是利用卫星上搭载的测高仪器对地球表面进行测量的方法。
目前常用的卫星测高仪器包括雷达高度计和激光高度计两种类型。
雷达高度计是利用雷达信号的回波时间差来计算地形高度的测高仪器。
雷达高度计的工作原理是发送一束雷达信号，当信号遇到地面或其他物体时，会发生反射并返回到卫星接收器。
通过测量雷达信号的发送和接收时间差，可以计算出信号的传播时间和传播距离，从而推算地表高度。
激光高度计则是使用激光束对地面进行扫描和测量的仪器。
激光高度计发射出一束激光束，当激光束与地面相交时，会产生反射，激光器会记录下发送和接收激光束的时间差，并通过计算速度和时间差来计算地表高度。
卫星测高方法的优点是可以快速、准确地获取大范围地表高程信息，以及获取淹没区域的积水深度等特殊信息。
这对于水资源管理、自然灾害防范等方面有着重要的应用价值。
二、大地测量方法大地测量是指利用测量仪器对地球上的各种地理现象进行观测和测量的方法。
大地测量的目标是确定地球上各个点之间的空间位置和形状关系。
大地测量主要包括三角测量、水准测量和重力测量三个方面。
三角测量是利用三角形的性质和测量角度和边长的方法来确定地表点的坐标位置。
三角测量的基本原理是通过测量两个已知点与未知点之间的夹角和边长，利用三角学知识计算出未知点的坐标。
水准测量是利用水平面的性质和高度差的测量方法来确定地表点的高程。
水准测量的基本原理是利用水平仪等仪器测量地面点与水平面之间的高度差，并计算出地面点的高程。
重力测量是利用重力场的性质和重力梯度的测量方法来确定地表点的重力场和重力异常。
重力测量的基本原理是利用重力仪器测量地面点的重力场强度差异，从而推算出地表点的重力异常。
卫星测高技术的原理与应用
卫星测高技术的原理与应用近年来，卫星测高技术在地球科学、环境监测、城市规划等领域得到了广泛应用。
卫星测高技术是利用卫星的天线接收地球表面的信号，通过精确的测距技术，计算出地球表面的高度差。
本文将介绍卫星测高技术的原理与应用，并探讨其在不同领域的潜力。
卫星测高技术的原理主要基于雷达测距原理。
卫星上搭载的雷达发射一束电磁波，当电磁波与地面接触后，一部分电磁波会被反射回卫星，卫星上的接收天线接收到这部分波，通过测量电磁波从发射到接收的时间差，可以计算出地面的高度差。
重力影响是测量高度差的关键因素之一，通过使用高精度的测距技术和地球重力场模型，可以获得更准确的测量结果。
卫星测高技术在地球科学领域具有重要的应用意义。
通过卫星测高技术可以准确测量地球表面的高程变化，进而研究地球的地壳运动、地震活动等地质现象。
例如，利用卫星测高技术可以监测到地壳运动引起的地壳形变，从而提前预警地震活动，减少地震灾害的风险。
此外，卫星测高技术还可以用于测量海平面的变化，对于研究全球变暖、海洋循环等气候问题具有重要意义。
卫星测高技术在环境监测中也发挥着重要作用。
通过卫星测高技术可以监测城市地表高程的变化，及时发现城市地面沉降、建筑物下沉等问题，从而对城市规划和土地利用进行调整和改善。
此外，卫星测高技术还可以用于监测冰川融化、湖泊水位变化等自然环境的变化，为环境保护和资源管理提供数据支持。
除了地球科学和环境监测领域，卫星测高技术在城市规划和基础设施建设中也有广泛的应用。
通过精确测量城市地表高程，可以进行地形分析、景观规划等工作。
在基础设施建设方面，卫星测高技术可以用于监测道路、桥梁、隧道等建筑物的变形，及时发现并解决结构问题，保障建筑物的安全。
尽管卫星测高技术在各个领域都有广泛的应用前景，但也存在一些挑战和限制。
首先，卫星测高技术的精度受到卫星轨道稳定性、大气湍流等因素的限制，需要不断改进技术手段提高测量精度。
其次，卫星测高技术还面临数据处理和分析的困难，需要开发出适应不同应用场景的算法和软件工具。
海上测绘中的卫星测高技术
海上测绘中的卫星测高技术引言：随着科技的飞速发展和人类对于海洋资源的需求增加，海上测绘成为了不可忽视的领域。
在海上测绘过程中，卫星测高技术扮演着重要的角色。
本文将探讨卫星测高技术在海上测绘中的应用及其挑战，以及未来发展的前景。
一、卫星测高技术的基本原理及类型卫星测高技术是利用卫星的遥感能力和测高原理，通过测量卫星与海面之间的距离来实现地球表面海拔高程的测量。
这种技术包括雷达测高、激光测高和全球定位系统（GPS）测高。
1. 雷达测高雷达测高利用雷达波束穿越大气层和反射回来的时间来计算卫星与海面之间的距离。
具体而言，雷达发射的微波信号在遇到海面时，一部分被反射回卫星，卫星接收到反射信号的时间与发射时间之差即是海面高度的测量结果。
2. 激光测高激光测高是利用激光束与海面的反射来计算海面高度。
激光测高精度更高，可以达到亚米级别。
然而，由于激光波长的原因，激光测高只能在夜晚或者低云密度的条件下进行。
3. GPS测高GPS测高是利用GPS系统对卫星与接收器之间的距离进行测量，并通过与卫星的定位信息计算出海面高度。
该方法的优势在于覆盖范围广，并且无需对地形进行精确的测量。
二、卫星测高技术在海上测绘中的应用卫星测高技术在海上测绘中具有广泛的应用，其中最重要的应用之一是海洋地质研究。
利用卫星测高技术，可以获得海底地形、地球的表层结构和地震断层等信息，有助于研究地球的地质演化和海底资源的分布情况。
此外，卫星测高技术还可以应用于海洋生态研究。
通过测量海面高度的变化，可以获得海洋表面的动力学信息，如洋流、海浪和海洋环流等。
这对于海洋生态系统的研究以及预测海洋灾害的发生具有重要意义。
卫星测高技术还可以用于海事活动的支持。
通过测量海面高度，可以获得航道航线、浅滩和暗礁等地理信息，有助于确保船只的安全导航和海事救援的准确性。
三、卫星测高技术的挑战尽管卫星测高技术在海上测绘中具有广泛的应用前景，但也面临着一些挑战。
其中最主要的挑战之一是大气延迟对测量结果的影响。
卫星测高与大地测量的原理与应用
卫星测高与大地测量的原理与应用引言：大地测量是一门学科，涉及地球表面各种特征和地球形状的测量与研究。
而卫星测高是地球表面高程的观测与测量手段之一，通过卫星的测量数据，我们能够获取到地球表面的高程信息，从而更好地理解地球的形状和变化。
一、卫星测高的原理卫星测高的原理主要基于雷达测距原理。
当卫星飞过地球表面时，其搭载的雷达设备会发射电磁波，并记录电磁波从发射到接收的时间。
由于电磁波在空气中的传播速度是已知的，通过测量电磁波传播的时间，我们可以计算出信号从卫星到地球表面的距离。
为了提高测量精度，卫星测高通常采用多普勒效应进行校正。
多普勒效应是指当波源与接收器相对运动时，接收到的波长会发生变化。
通过分析接收到的多普勒频移，我们可以准确测量出卫星与地面之间的相对速度，从而消除测量误差。
二、卫星测高的应用1. 海洋学研究卫星测高可以帮助科学家更好地理解地球的海洋形态和海底地貌。
通过卫星测高，可以获取海水表面的高程信息，从而推断出海洋的流动情况和洋流的分布情况。
这对于海洋学的研究和海洋资源的开发具有重要意义。
2. 地壳变形监测地壳的变形是地球构造活动的重要表现之一。
通过卫星测高，可以对地壳的变形进行监测和测量。
例如，在地震前后，卫星测高可以提供地震引起的地壳变形信息，从而帮助科学家预测地震的发生和评估地震的危害程度。
3. 冰川变化研究卫星测高可以帮助科学家研究地球的极地地区和高山地区的冰川变化情况。
通过卫星测高，可以监测冰川的运动速度和融化速度，从而了解气候变化对冰川的影响以及冰川对地球水资源的贡献。
4. 地下水资源管理卫星测高还可以应用于地下水资源管理。
地下水位的变动可以通过卫星测高来监测，从而帮助管理者科学合理地利用地下水资源。
通过卫星测高数据的分析，可以预测地下水位的变化趋势，及时采取相应的水资源管理措施。
结论：卫星测高作为一种高精度、高效率的测量手段，在地球科学研究和资源管理中扮演着重要角色。
通过卫星测高，我们能够更好地了解地球的形状和变化，为科学研究和资源管理提供可靠的数据支持。
举例说明卫星测高的原理
举例说明卫星测高的原理
卫星测高是利用卫星遥感技术进行高程测量的方法。
其原理是通过卫星搭载的高精度雷达测量地球表面的高度，并根据测量数据进行高程信息的提取和分析。
举例来说，以国际上广泛应用的雷达高程测量卫星Radarsat为例。
Radarsat 搭载合成孔径雷达(SAR)，利用SAR技术采集多个不同角度的雷达回波数据。
SAR通过发射特定波束的雷达信号，然后接收地面反射的信号。
当雷达信号触碰地面时，一部分信号会返回到卫星的接收器。
通过测量雷达发射到接收返回时间的差异，可以计算地面的距离。
然后，将这些距离数据转化为表面高度数据，从而实现对地表的测高。
卫星测高的原理可以进一步解释为：
1. 测距阶段：卫星发射雷达信号，并接收地面反射的信号。
根据信号的往返时间差，可以计算出地面位置和卫星之间的距离。
2. 雷达波束特征：由于存在雷达波束的宽度和形状，测量会有一定的误差。
波束的特征会影响到测量的精度和分辨率。
3. 多普勒效应：在卫星和地面之间存在相对运动时，会引起多普勒频移效应。
通过分析多普勒频移，可以测量出地面的垂直速度。
4. 大地测量纠正：卫星测高数据还需要进行纠正，使其与地球基准面一致。
这需要考虑地球的椭球形状、引力场等因素，以获得准确的高程测量结果。
总的来说，卫星测高利用雷达技术测量地球表面的高度，通过计算雷达信号的往返时间差、波束特征、多普勒效应以及大地测量纠正等因素，得出高程信息。
这种方法可以应用于各种领域，例如地形测绘、自然灾害监测等。
如何进行卫星测高的数据处理和精度评定
如何进行卫星测高的数据处理和精度评定卫星测高技术是一种通过卫星对地球表面的高程进行测量的方法，它被广泛应用于地理调查、环境监测、军事侦察等领域。
然而，在实际应用中，卫星测高数据的处理和精度评定是至关重要的环节，它们直接影响测高结果的准确性和可靠性。
本文将针对这一话题进行探讨。
一、卫星测高数据处理卫星测高数据处理主要包括预处理和后期处理两个阶段。
1. 预处理预处理是指在得到卫星测高数据后，对数据进行初步处理以去除干扰和噪声，提取有用的信息。
预处理的主要任务包括大气校正、粗差检测和滤波处理。
大气校正是指通过对大气层的衰减效应进行校正，消除大气对测高结果的影响。
在实际操作中，可以利用气象数据和大气模型来估计大气的衰减系数，并对测高数据进行修正。
粗差检测是指通过统计方法或模型来检测数据中的异常值，这些异常值可能是由于设备故障、遮挡物等原因造成的。
对于检测到的异常值，需要进行人工验证和处理，以确保数据的准确性。
滤波处理是指对数据进行平滑处理，以消除噪声和不必要的波动。
常用的滤波方法包括均值滤波、中值滤波和卡尔曼滤波等。
2. 后期处理后期处理是指在预处理的基础上，对测高数据进行更加精细的处理和分析，以获取高程信息。
数学模型是后期处理的重要工具之一。
通过建立数学模型，可以对测量数据进行拟合和优化，从而得到更加准确和可靠的测高结果。
常用的数学模型包括高程模型、地形模型和地形辅助模型等。
数据融合是后期处理的另一项重要任务。
通过将多源的测高数据进行融合，可以提高测量结果的精度和可靠性。
常用的数据融合方法包括加权平均法、最小二乘法和贝叶斯估计法等。
二、卫星测高数据精度评定卫星测高数据的精度评定是确保测量结果准确性和可靠性的重要手段，它可以通过精度评定指标和方法进行。
1. 精度评定指标常用的精度评定指标包括垂直精度、水平精度和整体精度等。
垂直精度是指测高结果与真实高程之间的差别，通常用均方根误差（RMSE）来衡量。
垂直精度越小，表明测高结果与真实高程越接近，精度越高。
卫星测高基本原理
卫星测高基本原理卫星测高是指利用卫星测量地球表面相对高度的一种技术。
其基本原理是通过卫星搭载的雷达设备向地面发射短脉冲信号，经过反射后接收回波信号，通过计算回波信号的时间差和相位差等参数来推算出地面的高度信息。
一、卫星测高的基本原理1.1 雷达测量原理雷达是一种主动探测设备，它能够向目标发射电磁波，并接收目标反射回来的电磁波。
在卫星测高中，雷达设备搭载在卫星上，向地面发射短脉冲信号，经过反射后接收回波信号。
由于电磁波在空气中传播速度为光速，因此可以通过计算发射和接收两个时刻之间的时间差来确定目标物体与雷达之间的距离。
1.2 多普勒效应当雷达和目标物体之间有相对运动时，会产生多普勒效应。
多普勒效应是指当一个振源向着一个静止观察者运动时，该振源所发出的频率将比其静止时的频率高，反之则低。
在卫星测高中，由于卫星和地球表面之间存在相对运动，因此回波信号的频率会发生变化。
通过测量回波信号的频率差异，可以推算出目标物体与雷达之间的相对速度。
1.3 相位差测量相位差是指两个波形在时间轴上的相对位置差异。
在卫星测高中，回波信号经过接收后会与发射时的信号进行比较，通过计算两个信号之间的相位差，可以得出目标物体与雷达之间的距离信息。
这种方法被称为相位差测量法。
二、卫星测高技术的应用2.1 地形图制作卫星测高技术可以用于制作地形图。
地形图是一种以等高线为主要表现手段来反映地面地形特征和等高分布规律的专业图件。
利用卫星测高技术可以获取地面各点的海拔高度信息，并通过计算画出等高线图。
2.2 自然灾害监测卫星测高技术也可以用于自然灾害监测。
例如，在洪水、山体滑坡等自然灾害发生时，可以通过卫星测高技术实时监测地面的高度变化，及时预警和采取应对措施。
2.3 航空导航卫星测高技术还可以用于航空导航。
在飞行过程中，飞机需要不断地调整飞行高度以避免与地面障碍物相撞。
利用卫星测高技术可以实时获取地面高度信息，帮助飞机自动调整飞行高度。
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卫星定轨原理及方法
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卫星定轨原理及方法
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卫星定轨原理及方法
ρ = XS − XT
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卫星定轨原理及方法
❖ 地球重力场摄动 ❖ 潮汐摄动
❖ 潮汐摄动包括地球固体潮、海洋潮汐摄动、极潮 和永久潮
❖ 大气阻力和漂移摄动 ❖ 地球反照辐射压力 ❖ 轨道调整推力模型 ❖ 太阳、月亮及行星质点（三体）引力摄动 ❖ 太阳光压摄动 ❖ 相对论摄动 ❖ 经验摄动
❖
2、微波辐射仪
❖
3、激光反射镜阵列
❖
4、GPS接收机
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卫星测高技术的发展
❖ ERS-1/2:
❖ 是由ESA（欧洲空间局）研制的。ERS1于1991 年6月发射的，ERS2于1995年发射的。其轨道高 度为785 km, 轨道倾角为98.5°
❖ ERM（准确重复任务） ❖ ERS1：有两种，35天和168天（1994年4月10日
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星载激光测量的科学目的
❖ 绘制陆地拓扑，测量陆面粗糙度和反射率、 植被高度以及雪盖面和冰面的表面特征
❖ 极地冰盖的监测目前主要用星载雷达高度计，如海 洋地形卫星Topex/Poseidon和贾森－1（Jason－ 1）、海洋动力环境卫星ERS和Envisat等均装有雷 达高度计。雷达高度计是主动式微波仪器，地面垂 直分辨率可达5～10cm，水平分辨率通常为10km量 级，只能制作小比例尺的冰盖拓扑图。GLAS是新 型的星载激光高度计，地面垂直分辨率可达10cm， 水平分辨率为170m，能精确测量冰面特征、冰层厚 度，可制作较大比例尺的冰盖拓扑图。
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垂线偏差的确定方法
N˙ a
❖ GEOSAT
❖ 是美国于1985年3月12日发射的, 其轨道倾角为 108°,轨道高度为800km。
❖ GM（大地测量任务）：1985年3月30至1986年9 月30。330周/23.07天；
❖ ERM（准确重复任务）：1986年11月8至1989年 10月，其重复周期为17天，244周/17.05天。
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星载GPS卫星定轨意义
❖ 发展低轨卫星星载定轨，对我国空间和地 学研究领域尤其具有重要意义。
❖ 首先我国设立地面、海上卫星测控站和测控中心 的区域和数量极为有限，不可能象美、欧那样在 全球建立卫星测控站，所以我国卫星定轨的精度 和有效区域非常有限；
❖ 其次随着我国今后几十年卫星技术的不断成熟， 发射的各类用途的低轨卫星数量将大量增加，对 于定轨的精度、实时性和全球性都提出了越来越 高的要求。
卫星测高技术及其应用
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武汉大学 测绘学院 李建成 2008.11
卫星测高技术
❖ 卫星测高构想的提出 ❖ 卫星测高的发展 ❖ 卫星测高的原理 ❖ 卫星测高技术的应用
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卫星测高构想的提出
❖ 1969年Kaula提出卫星测高的构想
Sea Surface Geoid
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星载激光测量的科学目的
❖ 测量云层高度和云/气溶胶垂直结构
❖ 云高和云/气溶胶垂直结构测量对于气象预报 和全球能量平衡计算都是重要的，尤其是极地 冬季，它对极地冰盖消长起着重要作用。但是 由于温度极低、黑夜漫长，常规的被动仪器的 作用受到限制。云测量通常利用微波辐射计， NOAA极轨气象卫星系列、GOES静止气象卫 星系列和DMSP国防气象卫星系列均装有微波 辐射计。其垂直分辨率通常为8～10km量级或 更大。GLAS的垂直分辨率大为提高，达70～ 200m。不仅如此，激光高度计还可监测到高空 （11～15km）卷云，以及薄云，但用微波辐射 计则难以监测。
≡
∂N a ∂t
=
∂N ∂ϕ
ϕ˙a
+
∂N ∂λ
λ˙a
N˙ d
≡
∂N d ∂t
=
∂N ∂ϕ
ϕ˙d
+
∂N ∂λ
λ˙d
ϕ˙a = −ϕ˙d
λ˙a = λ˙d
∂N ∂λ
=
1 2λ˙
(
N˙
a
+
N˙ d )
∂N ∂ϕ
=
1 2 ϕ˙
( N˙ a −
N˙ d )
ξ
=
−
1 R
∂N ∂ϕ
η
=
−
R
1 cosϕ
∂N ∂λ
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卫星测高技术的发展
❖ GFO
❖ NAVY/NASA/NOAA, 347Kg, H:800km ❖ 仪器: 13.5GHz 固态测高仪， ❖ 双频（22、37GHz)水汽辐射仪 ❖ 两台GPS 接收机（10通道） ❖ Doppler信标
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卫星测高技术的发展
Y 地球质心 X
星载激光测量的科学目的
❖ 测定极地冰盖质量的变化
❖ 冰盖质量的改变主要是由冰块的产生（降 雪、浓缩和偶然的降雨）和转换（蒸发、融 化流失、冰山解体流失、雪流失）之间的不 均衡引起的。冰盖质量均衡是影响地球气候 的重要因素，并且具有动态性和复杂性。目 前，冰盖质量均衡变化正使得平均海平面升 高，这将威胁到人类赖以生存的陆地。 ICESat可以年际和长期测定极地冰盖质量的 变化，了解极地冰盖总量平衡和对海平面变 化的贡献，获取预测冰盖总量和海平面变化 所需的关键数据。
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交叉点的计算方法
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卫星定轨原理及方法
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卫星定轨原理及方法
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卫星定轨原理及方法
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国际卫星定轨软件
❖ GEODYN II ❖ UTOPY ❖ GIN/DYNAMO ❖ EPOS ❖ GIPSY ❖ PANDA
NASA/GSFC CSR/UT GRGS/CNES GFZ/Germany NASA/JPL GPS/WHU
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卫星测高技术的发展
❖ Topex/Poseiden
❖ 是由NASA和法国空间局共同研制成功的，于 1992年8月10日发 射的，其轨道倾角为66 °， 轨道高度为1300km，
❖ 卫星上载有六种仪器：
❖ 法国两种：1、单频固体雷达测高仪
❖ 2、DORIS跟踪系统
❖ 美国四种：1、双频雷达测高仪
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卫星测高技术的原理
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SRTM
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卫星激光测高
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激光测量原理
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ICESat测量示意图
激光测量原理
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GLAS参考点
GLAS姿态矢量 GLAS参考点位置矢量
激光脚点 Z
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卫星测高技术的应用
❖ 全球海平面高 ❖ 大洋环流 ❖ 动力海面地形 ❖ 实时监测环太平洋赤道的海平面异常 ❖ 海洋潮汐 ❖ 海底地形 ❖ 海洋大地水准面 ❖ 反演海洋重力异常 ❖ 垂线偏差 ❖ 海平面变化
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