卫星测高技术复习题全.docx
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卫星测高技术复习题全
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:
GlobalClimateObservingSystem)和全球大地测量观测系统(GGOS:
GlobalGeodeticObservingSystem)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(SyntheticApertureRadar),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。
第一个系列主要由美国宇航局和法国空间局(CNES:
CentraleNationaled’EtudesSpeciales)研制,主要用于海洋研究,代表卫星即为T/P、JASON-1及JASON2卫星。
而另一个系列主要由欧洲空间局研制和发射,可以用于所有类型地面观测,代表卫星为ERS1/2和ENVISAT-1。
ERS1-微波辐射计MWS:
MWS是一种被动式微波仪器,工作频率为23.8GHz和36.5GHz
MWS主要用来观测大气中的水汽柱和云层的液态水含量,进而用来改正高度计观测信号;此外,MWS的观测数据还可用来确定表面发射系数(surfaceemissivity)及陆地上的土壤湿度(soilmoisture),这对于大气研究与冰特征研究中地表能量预算估计非常有用。
ERS1-定位系统-PRARE
PRARE用来精确确定卫星位置及轨道特征。
PRARE是一种卫星跟踪系统,通过观测卫星到地面的异频雷达接收机间的双程距离及距离变率来实现
由德国的斯图加特大学INS研究所、慕尼黑Kayser-ThredeGmbH及慕尼黑DeutschesGeodätischesForschungsinstitut,Munich研制。
系统功能:
1)提供全天候的精密卫-地及卫-卫距离及距离变率信息;2)通过交叉检验和验证程序获取可靠观测值;3)通过卫星本身的数据采集与分发确保地面部分的高效运行,并通过一个地面中心站控制全球其他站网;4)在一个归档、处理和分发中心可以快速生成相关产品。
原理:
星载传感器发射两个频率信号,其中一个频率卫S波段(2.2GHz),另一个为X波段(8.5GHz),两个信号均用一个PN(伪随机噪声码)码调制,地面站同时观测两个同时发射的信号的时间延迟(观测时间延迟精度低于1ns)并将其发射到卫星用于电离层数据改正。
地面站收集的气象数据也用于对流层改正。
椭圆轨道为太阳同步、近极地轨道。
轨道高度785km,倾角98.5°。
降交点时间为当地10:
30a.m.
太阳同步轨道(Sun-synchronousorbit或Heliosynchronousorbit)指的就是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向,轨道的倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)接近90度,卫星要在两极附近通过,因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。
为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向,因此轨道平面每天平均向地球公转方向(自西向东)转动0.9856度(即360度/年)。
T/P测高卫星
TOPEX :
TOPographicExperiment:
地形实验
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”
1.研究大尺度海洋环流及其与气候的相互作用,改善人类对全球气候中海洋所处的地位的有关知识2.增进海洋中热传播的认识3.研究潮汐及其模型4.通过卫星测高观测值改善海洋大地水准面5.计算全球范围的平均海面变化趋势。
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轨道调整到新位置,处于原始原始两轨道的中间位置。
原轨道被JASON1使用。
搭载仪器设备:
Topex高度计,即NASA雷达高度计(NRA:
NASARadarAltimeter)
Poseidon-1高度计,这是固态雷达高度计(SSALT:
SolidStateALTimeter)
TMR(TopexMicrowaveRadiometer)-(18,21and37GHz)
全球定位系统(GPS:
GlobalPositioningSystem)
多普勒轨道学和无线电定位的卫星集成(DORIS:
DopplerOrbitandRadioPositioningIntegratedbySatellite)定轨系统。
LRA
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、专门的任务运转地面系统。
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:
DynamicOceanTopography)或者海面高度(SSH:
SeaSurfaceHeight)。
2002年9月15日,T/P调整到新的轨道高度,新轨道调整到原轨道与原地面轨迹之间的中间位置上,而T/P的初期轨道由JASON-1取代。
这种一前一后的任务同时验证了测高卫星星座的科学能力。
由于齿轮俯仰反作用力矩的失灵,T/P获取的数据维持到2005年10月结束,而整个任务最后结束于2006年1月18日。
ERS2测高卫星:
ERS2属于ERS1的后续卫星,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
从1995年8月到1996年6月期间,ERS2与ERS1构成了一前一后的并具有相同轨道(35天)的卫星观测系统。
从2003年6月22日开始,ERS2卫星上用于记录高度计数据的磁带机因许多故障影响了数据的记录存储,只有当卫星飞越欧洲、北大西洋、北极和北美西部地区时,地面站才可以获取数据,而在其他地区,无法获取测高数据。
GFO测高卫星:
GFO(GeosatFollow-On)属于GEOSAT的后续卫星,
发射时间:
1998年2月10日,发射机构:
美国海军
主要任务:
为美国海军提供近实时的海洋地形数据
搭载仪器:
高度计,属于专门的测高卫星
轨道:
按GEOSAT的17天重复轨道运行,轨道高度880km,轨道倾角108°
军用卫星,数据一般不向用户开放,只有向美国国家海洋大气局(NOAA:
NationalOceanicandAtmosphericAdministration)申请的科学和商业用户才有权使用该产品。
JASON1测高卫星:
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:
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。
其主要特征(轨道、仪器、观测精度等)与T/P基本一致。
轨道高度:
1336km 轨道倾角:
66⁰(全球90%以上海洋)
重复周期:
10天 海面观测精度:
4.2cm(GDR);5.2cm(IGDR)
卫星重量:
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采用新的地面控制系统,由三部分组成,一个是普罗特斯地面部分(PGGS:
ProteusGenericGroundSegment),位于法国的图卢兹;另一个是方案操作控制中心(POCC:
ProjectOperationControlCenter),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:
SegmentSolmultimissionsd'ALTimétrie,d'Orbitographieetdelocalisationprécise),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。
搭载仪器(5个)Poseidon2高度计:
主要仪器,用来观测海面高度、微波辐射计(JMR:
Jason-1MicrowaveRadiometer):
用来测量大气中水汽的扰动、DORIS系统、TRSR(TurboRogueSpaceReceiver)定位系统、LRA(LaserRetroreflectorArray)激光跟踪系统。
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。
JASON1-辐射计:
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上的多余频道;18.7GHz频道用来提供海面背景辐射中因风力引起的改正;34.0GHz频道则提供云层液态水的改正。
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。
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。
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。
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。
ENVISAT
ENVISAT-1属于ERS1/2的后续卫星 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。
搭载仪器:
(10种)第二代雷达高度计(RA2:
RadarAltimeter2),微波辐射计(MWR:
MicroWaveRadiometer),DORIS系统,LRA系统,
由于ENVISAT-1是一颗新的全球气候研究计划(如GOOS和GODAE)综合卫星,可以提供近实时的观测数据,开创了海洋学研究的新纪元。
ENVISAT-1被称为巨型“环境间谍”。
它是以阿斯特利乌姆航天公司为首的欧洲50多个企业联合制造完成的,净重8111公斤,高10米,展开宽度26米,整个体积可与“空中客车”飞机相当,全部造价达15亿欧元,是欧洲航天局迄今生产的最大最昂贵最先进的地球环境观测卫星。
ENVISAT-1的升空,使欧洲国家可以掌握海上污染、浮游生物的情况,了解工业、交通等各种与二氧化碳有关的各因素之间的关系,观察大气中极微量气体的痕迹及大气不同层面的臭氧情况。
ENVISAT-1的主要目标是提高欧洲从空中对地球观测的遥感能力,逐步提高欧空局成员国研究和监测地球及其环境的能力。
具体目标为:
提供以ERS系列卫星开始的连续观测,包括基于雷达的观测;进一步加强ERS-1的观测任务,特别是加强对海洋和冰的观测;扩展观测参数的范围,以满足进一步对环境决定因素了解的需求;对环境研究做出重要贡献,特别是大气化学和海洋研究领域(包括海洋生物学)。
JASON2(OSTM)
JASON2是Topex/Poseidon和JASON1的后续卫星,发射时间:
2008年6月20日(范登堡空军基地)
发射机构:
由法国空间局、美国宇航局、欧洲气象卫星探测组织(Eumetsat:
EuropeanOrganisationfortheExploitationofMETeorologicalSATellites)和美国国家海洋大气局联合研究和负责。
目的:
用来接替Topex/Poseidon和JASON-1任务继续进行全球海洋观测,主要用于海洋表面观测,因此也称为海洋表面地形任务(OSTM:
OceanSurfaceTopographyMission)。
JASON-2-搭载仪器(5个)Poseidon-3高度计:
主要仪器,高级微波辐射计(AMR),三种定位系统:
DORIS, LRA,GPSP。
3个实验仪器Carmen-2,LPT,T2L2。
Poseidon3高度计:
由CNES提供,是OSTM的主要仪器,与Poseidon2基本特征一致,两个频率(13.6GHz和5.3GHz)观测,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。
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。
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。
LRA:
由NASA提供,这是一个反射阵列,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。
DORIS:
CENS提供,用来确定卫星在轨道上的精确位置,可以保证高度计和轨道确定的精度好于1cm。
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:
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。
测高频率:
Ku波段为主,辅以C波段(T/P,JASON)和S波段(ENVISAT),Saral:
Ka波段(35GHz)。
高度计:
早期的为普通雷达高度计;T/P:
两个高度计,一个为TOPEX高度计(或称为NRA:
NASA雷达高度计),频率为13.6和5.3GHz;另一个为Poseidon-1高度计,或称为单频固态雷达高度计(SSALT:
SinglefrequencySolidStateradarALTimeter),频率为13.65GHz。
JASON1:
Poesidon2;JASON2:
Poseidon3。
Saral:
AltiKa。
卫星轨道高度:
800km、1336km
定轨:
激光、Doppler、GPS、PRARE。
即将发射的测高卫星如下:
Cryosat-2:
是由ESA负责的主要用于极地观测的测高卫星,将对地球陆地冰盖及海冰覆盖从事3年半的观测,以确定冰盖厚度的变化,并对北极因全球变暖引起的海冰变薄的预报情况进行检验。
轨道:
倾角92°,基本上覆盖极地区域。
高度717km
搭载仪器:
DORIS:
用于轨道; LRR:
高度计SIRAL-联合高度计与干涉计,用来观测高度;
合成孔径雷达/干涉雷达高度计(SIRALSAR/InterferometricRadarAltimeter):
1、观测冰盖厚度与海冰干弦高度2、工作频段为Ku波段(13.575GHz)。
三种工作模式:
高度计模式:
低分辨率指向星下点、SAR模式、SAR干涉计模式。
当前的计划是对Cryosat在低分辨率海洋观测模式进行验证,因此地面数据处理部分需要能对SIRAL获取的海洋测高观测值进行处理。
然而,不能直接进行辐射计改正。
此外,可以从新的卫星轨道高度获取中等质量的海面动力地形。
这些数据可以与其他测高任务观测的数据联合使用。
第一颗Cryosat卫星曾在2005年10月8日发射,但是因为发射顺序出现异常而宣告失败。
第二颗卫星Cryosat-2计划在2009年3月发射。
Saral:
由CNES制造,搭载在印度空间研究所(ISRO)的卫星上,高度计为AltiKa,工作频率为Ka波段(35GHz),目的在于能够更好的观测冰、雨、近海岸地区、陆地物质(如森林等)及波高。
海洋任务卫星,进一步完善JASON-2,主要目的:
1:
执行精确、重复的全球海面高、有效波高和风速观测。
1)逐步开展海洋学业务化;2)改善对全球气候的认识、增进预报能力3)气象学业务化.2:
确保从2009年开始,联合JASON2任务,继续提供当前由ENVISAT1和JASON1所提供的服务。
3:
满足各种各样的国际海洋和气候研究计划需要、为全球海洋观测系统(GOOS)做出贡献。
计划搭载的主要仪器:
高分辨率AltiKa高度计、包含双频辐射计功能、DORIS精密轨道确定系统、激光反射阵列LRA、Argos仪器:
一种用来研究和预测全球环境的星载定位和数据采集系统,它主要是接受海洋上信标发射的信号并将其传输到地面Argos数据处理中心,可以说是一种信标跟踪仪器。
NPOESS:
国家极轨运行环境卫星系统(NPOESS:
NationalPolar-orbitingOperationalEnvironmentalSatelliteSystem)是由几个美国政府机构与欧洲气象卫星探测组织合伙的一个卫星星座,用来观测大气、海洋、大陆和空间环境。
NPOESS由三个极轨卫星组成,携带约10~12个传感器,其中就包括一个高度计。
这些传感器将为全球监测、天气预报和长期性气候预测提供丰富的信息源。
第一颗卫星计划在2008年发射,而携带有高度计的卫星计划在2012年发射。
Sentinel3:
欧洲空间局目前正在实施一系列活动,以更加准确的对全球环境和安全监测(GMES:
GlobalMonitoringforEnvironmentandSecurity)的空间组成进行定义,为了GMES空间构成的落实,已经将一些正式方案和起草工作在2005年底呈送给了欧洲空间局内阁委员会议。
其中一项即为Sentinel任务。
Sentinel3主要任务就是为GMES提供海洋业务化服务,并支持和完善ERS、JASON-1和ENVISAT-1测高任务。
搭载仪器:
海陆表面温度辐射计(SLSTR:
SeaandLandSurfaceTemperatureRadiometer)、合成孔径雷达高度计(SRAL:
SyntheticApertureRadarAltimeter)(与SIRAL相似)、海陆色彩(度)仪(OLCI:
OceanandLandColourInstrument)、微波辐射计(MWR:
MicroWaveRadiometer)、激光反射阵列(LRR:
LaserRetro-Reflector)、GNSS接收机。
卫星轨道:
为了获取中尺度海洋现象,卫星轨道在空间和时间采样上进行了优化与折中。
其中,从空间采样上来看,在JASON基础上可提高SSH近44%精度。
在时间上提高8%(相比ENVISAT,35天)。
将来技术改进:
多年的研究与应用已经表明卫星测高能够获取非常有价值的数据信息。
从目前正在运行的测高任务来看,将来的卫星测高需要提供更好的空间和时间覆盖,从而能够研究中尺度变化及其他紧密关联的现象。
从中期来看,现在主要考虑的测高任务需要能够对海洋表面进行“扫描”观测,可以获取几十公里范围的数据,而且,通过同一地点的时间间隔要在几天之内。
在这些要求之下,有一些专门基于卫星星座、或价格便宜的微小卫星的计划项目,同时考虑使用全球导航卫星系统GNSS发射并经海面反射回来“opportunitysignals”。
Ka-波段测高:
优点:
电离层衰减延迟低:
基本上可以忽略(异常情况除外),因此不需要使用双频高度计。
当存在异常或明显的摄动时,可以使用Doris系统提供的电离层改正数据。
脉冲重复频率高(4 kHz):
相对于Ku波段来说,Ka波段对海面回波的解相关时间(decorrelationtime)要短,因此,就有可能有效增加每秒的独立回波数量。
带宽大(达500 MHz):
使用500MHz带宽,Ka波段可以提供更高的垂直分辨率(0.3m),比JASON1和ENVISAT1的垂直分辨率要高。
比Ku波段能更好的描述海面粗糙度:
8mm波长能更好的描述海面小面元(毛细波等)的倾斜,而且能更加准却的观测平静或中浪(四级海况)下的后向散射系数,因此,当浪高大于1m时,Ka波段高度计的噪声比Poseidon高度计降低了二分之一。
冰雪面上雷达信号渗透低(在积雪场渗透小于1cm,而Ku波段可渗透5m):
这种观测与高程补偿适合比较薄的亚表层,从而可以改善积雪场的观测(相对于极地冰盖近地面层冰期的观测而言)。
此外,还可观测冰粒大小,并能以更好的分辨率监
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