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相比早期的测高系统(SEASAT和GEOSAT)而言,已经对T/P实施了许多改进,包括特别设计的卫星、一整套传感器、卫星跟踪系统、轨道配置、以及精密轨道确定使用的优化重力场模型和专门的任务运转地面系统,因此,Topex/Poseidon对于海洋环流特别是涡流的研究特别有用。
T/P奠定了从空中对海洋进行长期性监测的基础,可以以前所未有的精度每10天一个重复周期提供全球动力海洋地形(DOT))或者海面高度(SSH)。
与早期测高卫星不同的是T/P上搭载了两个高度计,一个是Topex高度计,即NASA雷达高度计(NRA:
NASARadarAltimeter),另一个是需要指出的是固态雷达高度计(SSALT:
SolidStateALTimeter),有时叫做Poseidon-1高度计。
JASON-1主要特征(轨道、仪器、观测精度等)与T/P基本一致。
JASON-1采用了新的地面控制系统,控制系统由三部分组成,一个是普罗特斯地面部分(PGGS),位于法国的图卢兹;
另一个是方案操作控制中心(POCC),位于美国加利福尼亚帕萨迪纳;
第三个是多任务地面部分(SSALTO),位于法国的图卢兹,这三个部分分别完成各自的任务和工作。
JASON-1卫星总共约500kg,由多任务卫星平台和一个JASON-1特殊有效载荷舱组成。
卫星平台负责卫星的日常事务管理,包括推进器、电功率、指令及数据处理、无线电通讯和姿态控制,而载荷舱为JASON-1仪器提供机械、电力、热及动力支持。
JASON-1搭载了5个仪器设备,有Poseidon2高度计、微波辐射计(JMR:
Jason-1MicrowaveRadiometer)、DORIS系统、TRSR(TurboRogueSpaceReceiver)定位系统、LRA(LaserRetroreflectorArray)激光跟踪系统。
其中,Poseidon2为主要仪器,用来观测海面高度,JMR用来测量大气中水汽的扰动,另外三个为定位系统。
Poseidon2高度计为双频固态雷达高度计,由CNES研制制造,工作频率为13.575GHz(Ku波段)和5.3GHz(C波段),两个频率同时观测得到距离、风速和有效波高,同时可用于电离层改正。
DORIS精密轨道确定(POD:
PreciseOrbitDetermination)系统由CNES研制制造,使用两通道、双频(401.25MHz和2036.25MHz)的多普勒接收机,用来观测地面近50个信号发射台的跟踪信号,可以提供全天候的跟踪信息用于精密轨道确定,使用双频还能同时对多普勒信号及高度计信号所受的电离层影响进行改正。
JMR为三频微波辐射计,三个频率(18.7GHz、23.8GHz和34.0GHz)同时观测海面亮温,以提供对流层中沿高度计雷达波束上的整个水汽含量。
23.8GHz通道为水汽观测的主要频道,同时也是JMR上的多于频道;
18.7GHz频道用来提供海面背景辐射中因风力引起的改正;
而34.0GHz频道则提供云层液态水的改正。
三个频率的观测值联合起来,最终得到因水汽影响脉冲延迟所造成的距离观测误差。
LRA为激光反射阵列,由NASA研制制造。
LRA安装在卫星星下点这面,用来反射约10~15个卫星激光跟踪站的信号,从而对JASON-1进行校正和精密轨道确定。
TRSR为一个高级无码六通道的GPS接收机,由JPL研制。
GPS数据用来提供精密轨道确定和改善地球重力场模型。
ASON-1的轨道与T/P一样,可以以10天重复周期提供全球海洋90%以上大尺度范围的海面信息。
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的高精度、长时间连续的观测数据得到全球的海面地形,进而确定海洋环流,研究全球气候变化。
JASON-1卫星发射时,轨道与T/P轨道具有相同地面轨迹,数据采集时间与T/P间隔70秒,形成前后相随轨道。
JASON-1卫星维持上述轨道与T/P同步观测约6个月,采用这段时间的同步数据对JASON-1卫星的可行性和可靠性进行了检验。
在2002年8月15日(第365周期111个弧段),T/P卫星临时调整为漂移轨道,同时JASON-1卫星轨道上调为原T/P轨道,漂移轨道运行约1个月后(到2002年9月16日,第368个周期171弧段),T/P轨道调回到离原轨道间距一半的轨道上,形成内插的地面轨迹,从而大大地提高了数据地时空分辨率。
JASON2是Topex/Poseidon和JASON1的后续卫星,主要用于海洋表面观测,因此也称为海洋表面地形任务(OSTM)。
用来接替Topex/Poseidon和JASON-1任务继续进行全球海洋观测。
OSTM/JASON2卫星上搭载五个主要的科学仪器设备和三个辅助仪器。
五个主要设备分别是Poseidon3雷达高度计、高级微波辐射计(AMR:
AdvancedMicrowaveRadiometer)、多普勒轨道学和无线电定位的卫星集成系统(DORIS:
DopplerOrbitographyandRadio-positioningIntegratedbySatellite)、全球定位系统载荷((GPSP:
GlobalPositioningSystemPayload)和激光反射阵列(LRA:
LaserRetroreflectorArray)。
其中Poseidon3高度计由CNES提供,是OSTM的主要仪器,用来精确观测卫星到海面的距离,与Poseidon2基本特征一致,但是仪器的噪声功率更低、为了更好的跟踪陆地表面和冰面,将采用新的跟踪算法。
而新的DORIS系统的使用将保证高度计和轨道确定的精度好于1cm。
。
该仪器是将JASON1上搭载的Poseidon2高度计改进得到,它以两个频率(13.6GHz和5.3GHz)向海面发射脉冲信号,然后接收并精确分析信号往返的时间来确定卫星至海面的距离。
AMR由NASA提供,这是一个比JASON1上所搭载的JMR还要高级和先进的微波辐射计。
由于高度计信号在从卫星到海面的往返过程中穿过大气层时,信号受到水汽影响而产生延迟,因此,水汽含量影响高度计观测精度。
AMR以三个频率(18,21和37GHz)观测地球表面辐射来确定大气中的水汽含量,进而对高度计观测进行延迟改正。
DORIS由CENS提供,用来确定卫星在轨道上的精确位置,精度在几个厘米之内,卫星的精确位置信息对于解释高度计数据是非常关键和重要的。
DORIS通过接收分布于全球的共计60个地面信标(beacons)网络发射的双频信号,来确定卫星的位置。
由于卫星的相对运动产生信号频率偏移,即多普勒频移,通过观测多普勒频移,就可以确定卫星的速度和位置。
GPSP是由NASA提供的GPS载荷,GPSP是根据美国的全球定位系统导航卫星星座数据来确定卫星在轨的精确位置以增强DORIS系统的一个卫星轨道跟踪系统。
GPSP几乎与JASON1上搭载的TRSP(TurboRogueSpaceReceiver)一样,其数据用来连续跟踪卫星轨道。
LRA由NASA提供,这是一个反射阵列,可以允许地面上40个卫星激光跟踪站以厘米级精度进行跟踪观测,通过分析激光束的往返时间,进而确定卫星的精确轨道位置,这与JASON1上搭载的LRA完全一样。
除了上述五个主要仪器设备之外,为了进行其他科学研究,OSTM上还搭载了另外三个载荷,分别是Carmen-2(EnvironmentCharacterizationandModelisation-2)、T2L2(TimeTransferbyLaserLink)和光离子望远镜(LPT:
LightParticleTelescope)。
Carmen-2由CNES提供,主要用来研究卫星周围的辐射对先进设备的影响。
T2L2由CNES提供,将使用一个激光通信线路(laserlink)以高精度来比较和同步遥感地面时钟。
LPT由日本提供,将用来研究卫星周围的辐射情况。
这三个设备除了完成它们自身的科学目的之外,还可以改善DORIS的性能。
2、卫星测高任务中搭载辐射计的主要目的
ERS1/2、ENVISAT:
MWS(23.8GHz和36.5GHz)
T/P:
TMR(18,21、37GHz)
JASON1:
JMR(18.7GHz、23.8GHz和34.0GHz)
JASON2:
AMR(18,21和37GHz)
作用:
电离层水汽改正、风速反演、地表监测
3、双频雷达高度计
ERS1:
单频,Ku波段,13.8GHz
NRA(双频Ku:
13.575,C:
5.3),SSALT(单频13.65)
Poseidon2(双频Ku:
5.3)
ENVISAT:
(双频:
Ku:
13.575,S:
3.2)
Poseidon3(13.6GHz和5.3GHz)
使用双频有何目的意义?
双频电离层改正、估计降雨。
4、卫星测高任务中使用的主要定轨方式
LRR、DORIS、PRARE、GPS
5、一般卫星测高任务中需要搭载哪些基本仪器设备,各主要目的是什么?
雷达高度计(观测得到距离、风速和有效波高)、微波辐射计(观测海面亮温,以提供对流层中沿高度计雷达波束上的整个水汽含量,得到因水汽影响脉冲延迟所造成的距离观测误差)、定位系统(对卫星进行定位)。
6、传统的指向星下点的雷达高度计的主要不足?
可能存在哪些技术改进?
不足:
1)确定深海中尺度现象受到制约;
2)覆盖有限;
3)空间分辨率
改进:
1)改变测高频率(Ka波段测高);
2)改变测高方式(干涉/雷达测高);
3)利用其他信号(GPS)
Ku、C、S波段,改变测高频率,Ka波段,利用Ka波段测高
星下点,改变测高方式,偏离星下点,干涉/雷达测高
发射并接收,接收其他信号,接收,GNSS
7、卫星测高技术应用概况
早期的卫星测高主要用于大地测量学(海洋大地水准面)和海洋学(海洋环流),现在,随着仪器性能的改善、观测精度、各种相关遥感仪器的联合使用,已使得卫星测高逐渐发展到在固体地球、近海、陆地等许多领域的应用,包括现在已经成为经典应用的海洋变化、冰面地形和水文学等应用,这些应用反复证明了卫星测高是一种非常多产而高效的卫星观测技术。
(大地测量学,地球物理学,海洋学,气候学)
大地测量学1)确定深海中尺度现象受到制约;
1)改变测高频率(Ka波段测高)2)改变测高方式(干涉/雷达测高)3)利用其他信号(GPS)
全球平均海面高模型
✦海洋环境监测✴海平面变化✴海洋潮汐✴海洋环流✴海面风速✴海浪监测(海啸)
✦海洋重力场✴测高垂线偏差、大地水准面、重力异常✴陆海大地水准面拼接统一✴反演海底地形
8、基本概念
1)海面高度:
(SSH:
Seasurfaceheight)是指海洋表面的高度(地形或起伏)。
在一天之内,SSH很明显主要受到月球和太阳作用在地球上的潮汐力影响,而在长时间范围内,SSH受到地球重力场及海洋环流两者的影响。
在卫星测高技术应用中,海面高是指(瞬时或平均)海面相对于参考椭球面的高度,通过将卫星高度Halt减去卫星到海面的距离Rc得到(其中表示经过大气折射改正、海况改正后的距离Rc)。
2)平均海面、平均海面高
平均海面:
(MSS:
MeanSeaSurface)表示海洋表面在一适当的时间内对海面进行平均,以剔除一年、半年、季节性及其他虚假性质的海面高信号后所得的海洋表面的位置。
3)海面地形(SST)、绝对动力地形(ADT)、平均动力地形(MDT)
海面地形(SST:
SeaSurfaceTopography)也可以分为两部分,即稳态海面地形(或平均海面地形)和海面异常。
稳态海面地形为一参考时间段内平均海平面相对于大地水准面的高度;
海面异常为瞬时海平面相对平均海平面的异常值。
动力海面地形(DSST:
Dynamicseasurfacetopography)是指地球的实际海洋表面与大地水准面之间的平均差异。
动力海面地形DSST主要受到海洋中稳态海流场的影响,而海流又受到海洋中气候性风及温度传输的影响。
动力海面地形DSST通常通过船测某一深度处的温度及盐度来导出。
现在,利用卫星测高技术,可以直接观测海面地形。
4)海面异常(SLA、SSHA)
(SLA:
SeaLevelAnomaly)也叫做剩余海面(ResidualSeaSurface),是指海面高(SSH)减去平均海面(MSS),再减去地球物理影响(包括潮汐和逆气压影响)。
在JASON1测高数据应用中,SLA定义为:
SLA=SSH-MSS-Tide-Inv-hf。
MSS表示平均海面,Tide、Inf、hf分别表示潮汐影响、逆气压影响及高频风速影响。
5)卫星指向角、卫星指向角误差
通常称雷达天线的视轴方向与卫星星下点方向间的夹角为卫星的指向角或姿态角;
又因为一般情况下,卫星指向最好是星下点方向,而这个角度表示了方向的不一致性,经常也称其为指向角误差。
6)波形重跟踪
重跟踪最初是基于冰盖表面高程计算所提出来的(Martinetal.,1983),它是指当卫星测高仪处于非纯海洋面,如冰面、海-冰、冰-海、陆-海、海-陆或者陆面时,雷达高度计的反回波形会发生变形,导致所观测的距离不准确,此时就的重新确定波形及距离阀门(跟踪点)的位置,也就是对高度计数据进行后处理以获取精确的距离观测值,为此,把这个后处理过程称之为“重跟踪”,从而与星上实时跟踪相区别。
由于波形受到反射面影响,星载跟踪点与实际波形前缘中点不符,该两个点间的差异即为波形重跟踪距离改正。
7)有效波高
是海洋学中的一个基本概念,也是卫星测高技术的三个基本观测量之一。
有效波高通常用SWH或者Hs表示,它是海浪(或波浪)波高的一种统计表示量,是在一定时期内的一个平均高度,传统上定义为波浪最大高度(波谷到波峰)的三分之一,现在通常定义为表面高度均方根的四倍,或等于波谱一阶矩平方根的四倍。
另外一种发育良好的有效波大约等于Hm0,定义为瞬时海面偏离平均海面距离标准偏差的四倍。
8)海况偏差(电磁偏差、倾斜偏差)
由于平均海面与平均反射面之间的高程差异,就会引起EM偏差;
而机载跟踪器所测的往返时间所对应的是回波前缘的半功率点,也就是反射面的中央高度,平均反射面与反射面中央高度间存在高程差异,因而引起倾斜偏差。
EM偏差和倾斜偏差之和称为海况偏差。
9)逆气压改正
大气压的变化会引起海面的变化,而且是逆压的,即气压增高、海面降低,反之亦然。
它们之间的关系可以假设为:
海面上的气压变化为1mPa时,海面高的变化为1cm。
逆气压效应是海水面对大气压的简单反映。
逆气压改正(以mm为单位)可以由下式计算得到:
IB=-9.948(P-1013.25)
10)入射角
信号传播直线与信号入射点处法线间的夹角。
对于卫星测高,当入射角小于1°
,而且大地水准面起伏小,天线指向角与脉冲入射角基本相等。
天线指向角是天线视轴与卫星质心到海面垂直直线间的夹角,也就是视轴与卫星到星下点直线间的夹角ξ。
第二章卫星雷达高度计观测基本原理
1、卫星测高基本原理
2、卫星测高两种基本方式的特点
脉冲宽度有限方式:
与重力异常所要求的10公里的水平分辨率是密切相关
波束宽度有限方式:
对于海面高度测量值而言,要求天线波束相对较宽,以至于足迹大到足以过滤海面波浪的作用,从而获取平均海面测量值。
同时,足迹也应该足够小,小到可以得到有实际意义的海面测量值。
3、当前测高任务主要使用哪些频段,各频段有何有点和不足?
✦原因:
✴受到国际有关机构的管理和协调,使用频段有限。
卫星的任务目的不同,使用频率不同
✴与天线、发射功率有关(技术上的原因)。
即航空器天线尺寸设计的限制决定了对卫星测高有用的频率非常有限。
✴在海面,电磁辐射中的灰体辐射非常微弱,而在这些频率段内,海水的反射率却非常高,因此,很容易区别雷达的反射和海水的自然辐射。
✴当频率大于18GHz时,大气衰减急剧增加,使得到达海面并反射回到高度计的传播信号功率减小;
✴当频率小于2GHz时,受到地面通信、导航及雷达等民用、军用电磁辐射的干扰
各频段的优点和不足:
Ku波段(13.6GHz):
Ku波段是目前卫星测高使用最多的频段,T/P,JASON-1,ENVISAT,ERS等卫星高度计均使用了Ku波段。
首先,该波段在技术上可行,这与发射功率有关,其次,由于国际上对各波段的使用有相关规定和管制,该波段受到国际上特殊应用的管理,此外,该波段对大气(包括电离层)扰动敏感。
C波段(5.3GHz):
通常认为C波段对电离层扰动的灵敏度高于Ku波段,但对大气液态水的灵敏性弱。
使用C波段的主要作用是与Ku波段观测值联合使用,用来改正电离层的延迟。
S波段(3.2GHz):
与C波段类似,S波段也经常与Ku波段联合使用。
Ka波段使用的优点:
1)Ka波段能更好的对冰、雨、近海地带、陆地物质(例如森林)和波高进行观测。
2)电离层延迟小。
除了某些异常的电离层状况外,电离层影响可以忽略,没有必要采用双频测高仪进行电离层改正。
即使在有明显的电离层干扰时,只需利用DORIS系统提供的数据进行电离层改正。
3)脉冲重复频率高(4KHz)。
Ka波段回波的抗相关时间比Ku波段要短,可以明显增加每秒钟独立回波的数量,因此可提高观测数据的水平分辨率。
4)带宽大。
Ka波段能使用500MHz的带宽,使测高仪更高的垂直解析度提高到0.3m。
而Ku波段测高仪的带宽仅有320MHz,垂直分辨率为0.46m。
5)穿透性较弱。
对于散射特性不够了解的反射面而言,电磁波的穿透性是影响测距精度的重要因素,穿透深度越大距离观测值精度越差。
散射系数与电磁波波长的4次方成反比,从Ku波段到Ka波段,散射系数大约增加了55倍,散射系数越大,电磁波衰减率越大,穿透性越弱。
Ka波段电磁波对雪面的穿透深度只有0.1~0.3m,而Ku波段有2~10m。
Ka波段的主要缺点:
是电磁波受对流层中的水汽延迟影响较大,因此降雨会严重干扰观
测。
如果降雨量大于1.5mm/h,测高仪接收到的回波将不能用。
而对于Ku波段,小于3mm/h的降雨量几乎不会影响回波。
4、高度计测风基本原理
当入射角很小时,海面对微波信号的反射主要属于镜面反射,如果海面光滑,那么返回到高度计的信号就越多,也就意味着规格化雷达目标有效截面也就越大;
如果海面粗糙,微波信号就会向各个方向反射,许多信号都不可能返回到雷达高度计,从而NRCS(标准化雷达后向散射截面)也就相对较小。
因此,高度计的NRCS可以由海面粗糙度来确定,海面越粗糙,那么NRCS越小。
所以,可以认为NRCS是海面高和倾斜的函数,这个函数的主要参数就是海面均方斜率(meansquareslope:
MSS),而MSS主要由短尺度风浪确定。
一般情况下,风浪主要由海面风生,因此,尽管不是直接的,NRCS还是通过风浪与海面风速存在联系。
5、有哪些主要遥感方式进行海面风速观测
微波高度计;
微波散射计;
微波辐射计;
合成孔径雷达(SAR)
6、卫星雷达高度计的观测信息包括哪些?
精度如何?
第三章卫星高度计观测误差
1、高度计观测误差概况
2、基本概念:
前面已有
3、影响测高卫星轨道误差的主要因素?
地球重力场、大气、光压以及跟踪站坐标误差,且其主要影响都具有长波性质,其中影响最大的是重力场模型误差。
第四章卫星测高波形理论与处理方法
1、测高回波形成原理与过程
任何一种高度计的关键原理都是基于所返回的脉冲形状和时间信息的,图3.1显示了一个脉冲从平坦海面返回的过程。
如果反射面是光滑的理想反射面,当脉冲前进时,雷达照明区域从点到圆盘状快速增加,然后,随着脉冲的消失,变成一个圆盘慢慢向外扩散,而圆环的面积近似保持不变。
从反射面返回的信号的能级与反射面积成正比,随着脉冲信号的不断撞击反射面,使得圆盘面积快速增大,直到形成圆环。
然后圆环大小保持不变,直到圆环到达雷达波束的边缘,返回信号才开始消失。
从而,回波功率表现为:
在脉冲信号未到达反射面之前,接收机接受的返回功率理应为零,但由于存在热及电流噪声,功率一般不为零;
随着信号的逐渐返回,功率逐渐增大,从而出现一个上升幅度很大的前缘上升区;
当达到最大信号后,回波功率逐渐减小,出现一个后缘逐渐下降的衰减区。
如果反射面不是平坦光滑的,而是由高度服从正态分布的点散射体组成,那么脉冲需要较多时间撞击所有的散射体,因而回波上升时间就会变得较长。
如果脉冲在时刻t=0时发射,参考时间为t0和t1,t0为卫星天线接收到信号时刻,有t0=2h/ct1=t0+τ
式中为h卫星到地面最近点间的距离,τ为脉冲宽度。
脉冲前缘到达海面的时间:
t0=h/c
脉冲后缘到达海面的时间:
t1=t0+τ
高度计脉冲与时间有如下关系:
0<
t<
t0:
雷达高度计按球形脉冲向海面传播,在地面上所能接收的球面积可以根据天线的波束宽度确定。
t=t0:
在这一瞬间,当入射脉冲接触海面时,它照明海面呈现出一个亮点,同时,反射信号开始反射回卫星。
T0<
t1:
随着时间的增加,亮点变成圆盘的中心,其面积也增加。
T=t1:
球壳的后部分到达海面,亮度圆盘即变成为一个圆环,圆环半径继续增大,同时圆环保持面积大小不变,这种状况一直持续到圆环的外沿增加到雷达波束的边缘。
卫星接收机接收到的返回功率正比于照明的海面面积。
回波功率在从t0到t1期间增加很快,一直持续到脉冲后沿到达海面的时刻t1,这之后,功率保持为常数。
事实上,在t1时刻,由于高度计天线模式的作用,非星下点散射的减弱,功率就开始衰减。
2、布朗模型的基本假设
1)散射面是由足够多的随机独立的散射单元组成
2)在整个平均回波构成的过程中,整个雷达照明面积内的面高度统计可以假
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