卫星测高原理及应用领域

卫星测高原理及应用领域20 世纪80 年代以来, 随着计算机技术和空间技术的高速发展, 地球科学在宏观和微观的研究上进入了一个迅速发展和深入探索的时期。

在此期间, 地球科学各分支学科出现了大量新的学科生长点, 提出了许多新学科、新概念、新技术。

卫星测高学就是在这种形势下随着卫星遥感遥测技术的应用而发展起来的新型边缘学科, 它利用卫星上装载的微波雷达测高仪, 辐射计和合成孔径雷达等仪器, 实时测量卫星到海面的距离、有效波高和后向散射系数, 并通过数据处理和分析, 来研究大地测量学、地球物理学和海洋学方面的问题。

卫星测高技术的发展至今虽然只有二十多年的历史,但大量的研究结果表明, 卫星测高在研究海洋大地水准面和重力异常方面, 在研究地球物理和海洋参数方面, 都显示出了巨大的潜力。

卫星测高作为一项高科技测量技术,它以人造卫星作为测量仪器的载体, 借助着空间技术、电子技术、光电技术和微波技术等高新技术的发展, 在空间大地测量领域产生了一场深刻的变革。

正如国际上著名的大地测量学家莫里兹教授1993 年所指出的那样：“同GPS 一样, 卫星测高也在空间大地测量学领域掀起了一场革命。

”(Moritz, 1993) 。

一卫星测高原理卫星测高仪是一种星载的微波雷达。

测高仪的发射装置通过天线以一定的脉冲重复频率向地球表面发射调制后的压缩脉冲, 经海面反射后, 由接收机接收返回的脉冲, 并测量发射脉冲的时刻与接收脉冲的时刻的时间差。

根据此时间差及返回的波形, 便可以测量出卫星到海面的距离。

二卫星测高的应用领域卫星测高数据的应用随着卫星定轨精度和测高仪观测精度的提高以及数据处理方法的改进, 其应用范围越来越大, 社会效益及经济效益越来越明显。

发射测高卫星之初的目的比较单一, 就是试图从空中采用遥测的方法确定海面形状, 以期研究大洋环流和其它海洋学参数。

之后,由于测高数据的精度大大提高了, 卫星测高在地球物理学领域和大地测量学领域也得到了空前应用。

比如研究海洋大地水准面、海洋范围的重力异常、洋面波高、洋面风场等等, 此外, 卫星测高还被广泛用于研究海潮振幅的分布模式、探测南极大陆周围海冰的位置及格陵兰冰帽的形态等。

（1）卫星测高在大地测量学中的应用鉴于卫星测高仪的观测量是卫星到海面的距离, 又卫星的位置可以通过定轨方法得到, 经过各种误差改正之后, 就可以得到海平面到椭球面的距离。

所以, 卫星测高在大地测量学中的第一个应用就是确定海面形状, 或者说确定海洋大地水准面( 差别在于海面地形) 。

众所周知, 大地测量学的一个重要任务就是确定地球形状及其外部重力场。

而海洋面积占地球表面积的70%以上, 所以海平面的形状对于大地测量学者是至关重要的, 这是因为静止的海平面与大地水准面十分接近, 海平面的形状代表了地球形状的大部, 然而, 限于测量条件, 广阔的海洋里实测重力数据却很少, 尤其是几大洋里的深水区, 重力测量多数还是空白。

由于测高卫所特有的几何观测条件,测高卫星一出现, 人们首先想到的就是利用测高数据研究海平面形状。

早期, 曾有Marsh等人,利用Geos-3和Seasat测高数据绘制了全球海洋大地水准面图, Rapp 等人也进行了类似的研究。

利用这些全球海洋大地水准面图, 已可分辨出一些海底地貌( 如海山海沟等) 引起的小尺度的海洋大地水准面特征。

值得说明的是, 欲分辨测高得到的海洋大地水准面的小尺度特征, 并不仅仅与测高数据的精度有关,而更为重要的是测高卫星地面轨迹的分布模式, 测高卫星覆盖全球的重复周期越短, 地面轨迹间距就越大, 也就越不易检测出海山海沟引起的小尺度的海洋大地水准面特征, 这样讲, 并不排除沿着地面轨迹检测海山海沟的能力。

相反, 测高卫星的重复周期越长, 地面轨迹的间距就越小,也就越容易检测出海山海沟引起的小尺度的海洋大地水准面特征。

当然, 除此以外, 测高卫星轨道倾角也是有影响的。

认识到卫星测高可以高精度地确定海洋大地水准面的能力之后, 美国发射了一颗主要用于大地测量目的的测高卫星Geosat，卫星升空后, 没有重复周期的限制, 而只是在飞行过程中随其漂移, 从而使得海洋面上的星下点足迹不是有规律地重复, 其地面轨迹间的平均距离为4km 左右。

这批高质量的数据是研究海洋大地水准面形状和地球外部重力场极为宝贵的一批财富, 有鉴于此, 美国至今仍没有把这批数据全部公开, 对外提供。

后来多颗测高卫星升空, 人们又利用最新的测高数据对大地水准面的形状进行了研究。

详见Rapp，Marsh，Engelis,等人的文章。

除了利用卫星测高数据研究海洋大地水准面的形状之外, 利用大地水准面高和重力异常之间的关系, 还可反求出海洋范围的重力异常和重力扰动。

重力异常是建立高阶地球重力场模型的必需量, 因此, 用卫星测高数据推求海洋范围的重力异常在已有发射测高卫星计划但尚未发射的初期, 就已得到了众多研究者的关注。

后来Rapp等人利用Geos- 3, Seasat, Geosat 等卫星测高数据进行了大规模的重力异常推算工作。

到目前为止, 利用测高数据推算的重力异常的精度, 在1°×1°时可达到±4mgal, 已可与船测重力精度相媲美。

（2）卫星测高在海洋学中的应用海洋学的主要任务之一就是研究大洋环流模式。

大洋环流由海水的水平压力梯度所引起, 表现为海平面高相对于大地水准面的倾斜。

尽管区分海面高的这一动力分量和静态的海洋大地水准面信息存在一定的困难, 但测高仪还是能探测出海面高的随时间变化。

根据卫星测高数据, 可以求得海面地形, 再由海面地形与地转流的大小、方向之间的关系, 又可以求得大洋环流的分布模式。

另外, 平静的海洋面和存在波浪的海洋面对卫星测高仪发射的信号的反射能力大小不同, 前者反射率大且均匀一致, 后者反射率小且不均匀。

据此, 对接收到的回波信号的波形进行分析, 又可以得到海洋面的有效波高。

这也是海洋学中一个重要的信息。

由于测高卫星轨道是冻结轨道, 每隔一定的时间( 3天、10 天、17 天、35 天或168 天) 覆盖全球一次, 故可利用这种特性来研究海平面的变化。

这时, 既可以采用“共线重复轨迹平差法( 简称为共线技术) ”, 也可以采用“交叉点平差法”来求海面变化, 同样是利用测高卫星轨道的这种特性, 还可以研究海潮的振幅。

由于大洋海潮的振幅一般小于1m, 故分潮的振幅就更少了, 从而要求测高卫星的径向轨道误差要小。

这一点可采用一定的数学方法来处理。

目前这方面研究比较成功的例子是关于M2分潮的研究。

其它分潮则由于振幅较小尚难以准确求定。

另外, 测高卫星的轨道特征对海潮各主要分潮的估算有着至关重要的影响。

比如海洋卫星Seasat 的径向轨道误差频率就是与K1和S2潮汐分量的频率相混淆的, 这不仅使得用测高数据估计潮汐的主要分潮感到困难, 而且估算的潮汐幅度的误差也会引起频带的误差, 该误差对海洋环流的研究是相当重要的。

（3）卫星测高在地球物理学中的应用大地水准面是地球内部物质结构与运动的物理特性的一种几何表征, 它与地球深部构造有着密切的关系。

因此, 利用卫星测高数据求得的大地水准面起伏和重力场异常的精细结构, 就可以反演出地球深部结构、地幔对流及板块运动等( 王广运等, 1995) 。

其方法是通过建立大地水准面形态与板块削减带的相关性来研究地幔的形态与对流。

通过比较观测数据( 重力、大地水准面、隆起等) 和理论估值, 人们可以获得弹性模型中弯曲强度D和弹性厚度H 的最佳估值, 从而利用海洋测深、隆起、下陷、重力以及附近的大地水准面数据, 对海洋岩石圈对表面负荷的机械响应或对弯曲应力的机械响应进行广泛的研究。

全球覆盖的测高数据可以系统地用于研究海洋岩石圈在表面负荷下的弯曲响应, 而船载重力测量资料则做不到这一点。

另外, 采用半空间( half- space) 模型和板块模型, 还可以研究扩张海脊和断裂带附近的海洋岩石圈的热演化。

这是因为海洋大地水准面高随板块年龄的增加而变小, 而且对称地偏离海脊顶端。

由岩石圈的冷却而引起的大地水准面高在1000~ 2000km 的距离上, 随着年龄的绝对变化, 通常是5~ 10m 的量级。

另一方面, 在断裂带, 板块的年龄存在着突变,结果引起大地水准面起伏的短波部分具有阶梯状的特征, 从年轻、较浅的一边向年老、较深的一边下降, 其幅度在100~ 150km 的距离上为几厘米到几米之间。

由于与海洋岩石圈的冷缩有关的热补偿作用, 对于半空间和板块这两种模型, 大地水准面高的变化是年龄的函数, 故通过对大地水准面起伏形态的分析, 可以研究岩石圈的变化。

（4）卫星测高在海洋测绘中的应用为了保证舰船的航行安全, 测量海洋水深及地貌、出版航海图书资料等是海洋测绘的首要任务。

由于测量条件的限制, 仍有大量的海域( 尤其是大洋里) 没有进行过详细的水深测量, 人们对大洋底的地貌形态仍知之甚少。

根据重力学知识, 人们知道局部的大地水准面异常与海山海沟的出现具有很强的相关性。

因此, 在无图海域,由卫星测高得到的大地水准面数据可被用于探测和预报海深。

由于每种类型的海底构造单元对大地水准面都有特定的响应, 人们已经通过系统地研究分析卫星测高数据, 发现了许多未曾预料到的海山、海沟的存在, 在有些情况下还发现了断裂带、甚至消减带。

在测高卫星发射之前, 人们关于海底海山总数的知识十分贫乏。

例如, 1967 年人们借助强大的火山地震群才发现了麦克唐纳海山( 29°S, 140°W) , 而它的顶部离海面只有49m。

为了在事先不知道海山的情况下用卫星测高数据来预报海洋深度, 需要知道海底地形的地质构造以及负荷沉积层沉积物的相对密度。

除了这个地球物理本身的问题以外, 还有一个更重要的卫星测高剖面的覆盖问题。

当卫星的地面轨迹经过一海山的附近或经过两个海山的凹谷部时, 将得到正的大地水准面异常。

很明显, 为了提供有价值的海底地貌图, 就需要密集的上升弧段和下降弧段的测高剖面。

然而需要指出的是, 仅利用上述方法研究海山海沟的检测, 其水平位置精度和垂直位置精度都比较低, 只能达到500~ 1000m 的量级, 究其原因, 主要是缺乏必要的高精度的外部控制, 而只利用相关性的缘故。

为了克服这一不足, Smith 和Sandwell又提出了用稀疏的船载水深测量( 测线间隔数百千米) 作控制, 采用密集的测高卫星地面轨迹等数据来推测海底地形, 取得了较好的结果, 精度可达1：100m 左右。

可以预期, 如果缩小船载水深测量测线的间隔( 如数千米) , 则预测海底地形的精度将会大大提高。

总之, 卫星测高为人们提供了全球范围内的各个波长的大地水准面, 这一结果是空前的。