2018/10/14
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。 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。
2018/10/14
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。
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
lmax l
球谐函数
( , ) (clm cos m dlm sin m ) plm (sin )
l 0 m 0
2018/10/14
为测量噪声；
hinvbar 为大气压引起的海 面误差；
2018/10/14
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
halt t c 2
即卫星高度计 的测量结果
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
2018/10/14
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 hinvbar hT
h hiono hDry trop hWet trop hE Bias
horbit 通过卫星的精密定 轨方法得出
2018/10/14
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。 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）。
（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。
2018/10/14
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。 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。
2018/10/14
4. 卫 星 高 度 计 的 研 究 与 应 用
2018/10/14
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：
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
hW et drop , hDry 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。
2018/10/14
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。
3.卫星高度计测高的误差与消除
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。
2018/10/14
7.2 卫星高度计的测高原理
2018/10/14
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。
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。
2018/10/14
3.卫星高度计测高的误差与消除
单 位 厘 米
2018/10/14
7.2 卫星高度计的测高原理
4.2 2.5 2002.3
13.5G
5.3/13.6G 3.2/13.6G
NASA/ CNES 2001.9
7.1 概述
3.卫星高度计的发展趋势
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。
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
中国海平均海平面高度距平的 地理分布(1992.10-2004.1)
※ 距平值是相对于 1993.1-1999.12共7年的 海平面平均值的差值。
海洋遥感
The Oceanic Remote Sensing
2018/10/14
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
2018/10/14
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。 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。
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。
2018/10/14
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。 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。
2018/10/14
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
2018/10/14
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： c. 在此基础上，可得出：
Seasat-A首次实现了重复地面轨迹运行模式。
2018/10/14
7.1 概述
2.卫星高度计的发展历史
卫星
GEOS-3 Seasat-A
开始 业务 运行
研制单位
NASA NASA 美，海军
发射
1975.4.9
精度cm 频率Hz
25-50 13.9G 13.5G 13.5G
1978.6.28 20-30 1985.3.15 10-20
• 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。
2018/10/14
7.2 卫星高度计的测高原理
1.与海平面高度有关的曲面
2018/10/14
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。 2018/10/14
h为均方根波高
2018/10/14
7.3 高度计在海洋动力地形测量中的应用