衛(wèi)星測高技術及應用課程復習(半成品)

1、衛(wèi)星測高技術及應用課程復習主要學習章節(jié)1、 衛(wèi)星測高技術發(fā)展及應用2、 衛(wèi)星雷達高度計觀測基本原理3、 衛(wèi)星高度計觀測誤差4、 衛(wèi)星測高波形理論與處理方法5、 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理理論與方法6、 衛(wèi)星測高反演海洋重力場理論與技術7、 衛(wèi)星測高技術應用第1章 衛(wèi)星測高技術發(fā)展及應用1.1引言1.2衛(wèi)星測高技術發(fā)展概述1.3衛(wèi)星測高技術應用概述1.4衛(wèi)星測高基本概念復習要點1、 衛(wèi)星測高與傳統(tǒng)海洋觀測的手段優(yōu)勢對比或主要特點？2、 海洋遙感監(jiān)測衛(wèi)星主要分類。答：海洋地形觀測衛(wèi)星、海洋綜合環(huán)境衛(wèi)星。3、 衛(wèi)星測高任務概況答1）SKYLAB： 最早搭載有高度計的衛(wèi)星 高度計S193&#

2、160;第一次得到因海底特征引起的海洋大地水準面觀測值 奠定了衛(wèi)星測高學的技術基礎 2）GEOS3：地球動力學實驗海洋衛(wèi)星 第一顆專門用于測高的海洋地形衛(wèi)星 3）SEASAT：海洋衛(wèi)星 持續(xù)時間99天 SEASAT首次提供了全球范圍的海洋環(huán)流、波浪和風速 4）GEOSAT(大地測量衛(wèi)星 )、GFO(GEOSAT后續(xù)衛(wèi)星) 為美國海軍測量海洋大地水準面 GEOSAT ：首次提供了具有重復性、高分辨率、長期性高質(zhì) 量的全球海面高數(shù)據(jù)集，標志衛(wèi)星測高技術進入了成熟階段 5

3、） ERS1/2（歐洲遙感衛(wèi)星）、ENVISAT（環(huán)境衛(wèi)星） ERS1采用PRARE：用來精確確定衛(wèi)星位置（失?。?#160;6） T/P、JASON1/2 T/P衛(wèi)星觀測精度是同期測高衛(wèi)星中最高的4、 測高衛(wèi)星的主要儀器設備？答：一般的測高衛(wèi)星都有，高度計、輻射計、DORIS系統(tǒng)（精密軌道確定）、有些衛(wèi)星有全球地位系統(tǒng)（GPSP）、激光反射陣列（LRA）等。5、 衛(wèi)星測高任務重搭載輻射計的主要目的。答：觀測地球表面輻射來確定大氣中的水汽含量，進而對高度計觀測進行延遲改正，還可以觀測風速、地表監(jiān)測。6、 與同期測高衛(wèi)星相比，T/P測高衛(wèi)星精度為什么最高？

4、答：精密軌道確定系統(tǒng)。7、 大部分雷達測高衛(wèi)星均使用雙頻觀測，為什么？答：雙頻可以進行電離層改正，還可以估計降雨。8、 衛(wèi)星測高任務中使用的主要定軌方式？答：DORIS、PRARE、GPS、LRA。9、 傳統(tǒng)的指向星下點的雷達高度計的主要不足？可能存在哪些技術改進？答：不足：1）確定深海中尺度現(xiàn)象受到制約； 2）覆蓋有限 3）空間分辨率 改進：測高頻率的改變，由Ku、C、S波段測高改為Ka波段測高。 測高方式的改變，由星下點測高改為偏離星下點測高。 接收其他信號，由發(fā)射并接受信號改為接收信號（GNSS）10、 GNSS測高的工作方式？優(yōu)缺點？答： 工作方式： 星載GNSS接收機接收G

5、NSS星座衛(wèi)星向下發(fā)射 并經(jīng)海面反射的信號，通過測量兩個信號的時間延遲，就可以計算海面高度  優(yōu)點：成本低、數(shù)據(jù)獲取量大、覆蓋范圍廣  缺點：精度低11、 Ka波段測高的優(yōu)缺點？干涉/雷達高度計工作方式？答 ：優(yōu)點：1）電離層衰減延遲：基本上可以忽略，因此不需要使用雙頻高度計。  2）脈沖重復頻率高：ka波段對海面回波地解相關時間要短，有可能增加每秒的獨立回波量  3）帶寬大：可以提供更高的垂直分辨率  4）更好描述海面粗糙度  5）穿透性較弱。冰雪面上雷達信號滲透低  6）Ka波段能更好的對冰、雨、近海地帶、陸地

6、物質(zhì)（例如森林）和波高進行觀測。 缺點：對流層中的水或水蒸氣的衰減大，尤其在熱帶地區(qū)。電磁波受對流層中的水汽延遲響較大。 寬刈幅海洋高度計（WSOA：Wide-Swath Ocean Altimeter）是一種將高度計與干涉計聯(lián)合使用的測高方案。它是將幾個高度計安放在天線竿上，然后同時獲取觀測值，因此，可以提供連續(xù)的、單一或者多高度計的廣域覆蓋。WSOA可以作為一個試驗儀器安放在JASON衛(wèi)星上一起飛行WSOA 是一種廣域雷達高度計，主要基于高度計和干涉計聯(lián)合測量的技術，能夠沿著衛(wèi)星地面軌跡中心的刈幅進行海面高測量。 WSOA 的工作方式為：每個干涉計發(fā)射一個微波，同時可以接收其他干

7、涉計返回來的微波信號。天線的視角寬度約 4º，因此干涉計照明的地面刈幅寬約 100km，衛(wèi)星近距離時相鄰軌跡間有效地面像素大小約 670m，而在遠距離時約100m，沿軌跡方向像素大小約 13.5km。每個干涉計的影像進行拼接，將最后觀測值平均成分辨率為 15km的單元格。12、 衛(wèi)星測高技術應用概況答：大地測量學、地球物理學、海洋學、氣候、水文學、冰川學 傳統(tǒng)應用：大地測量學和地球物理學拓展應用：海洋學和氣候學原始測高觀測數(shù)據(jù)海洋、水文觀測數(shù)據(jù)相關模型數(shù)據(jù)理論方法技術平均海面高海洋垂線偏差海洋重力異常海洋大地水準面潮波模型海面地形模型海底地形模型海洋環(huán)流極地冰蓋高程模型及變

8、化內(nèi)陸湖水位時間變化序列海平面變化時變海面高分析異常海面高分析海洋動力現(xiàn)象內(nèi)陸水域氣候環(huán)境分析海洋巖石圈結構及地球物理解釋多學科交叉檢驗數(shù)據(jù)技術模型序列應用分析檢驗全球平均海面高模型海洋環(huán)境監(jiān)測1. 海平面變化2. 海洋潮汐3. 海洋環(huán)流4. 海面風速5. 海浪監(jiān)測（海嘯）海洋重力場1. 測高垂線偏差、大地水準面、重力異常2. 陸海大地水準面拼接統(tǒng)一3. 反演海底地形13、 基本概念1） 海面高度，平均海面，平均海面高海面高度（SSH：Sea surface height） 是指海洋表面的高度（地形或起伏）。在一天之內(nèi)，SSH很明顯主要受到月球和太陽作用在地球上的潮汐力影響，而在長時間范圍內(nèi)，

9、SSH受到地球重力場及海洋環(huán)流兩者的影響。平均海面（MSS：Mean Sea Surface）表示海洋表面在一適當?shù)臅r間內(nèi)對海面進行平均，以剔除一年、半年、季節(jié)性及其他虛假性質(zhì)的海面高信號后所得的海洋表面的位置。 海面高是指（瞬時或平均）海面相對于參考橢球面的高度，通過將衛(wèi)星高度H alt減去衛(wèi)星到海面的距離 Rc得到，即： SSH = H alt Rc 其中 Rc 表示經(jīng)過大氣折射改正、海況改正后的距離。 2） 海面地形（SST）、絕對動力地形（ADT）、平均動力地形（MDT） 海面地形（SST：Sea Surface Topography）也可以分為兩部分，即穩(wěn)態(tài)海面地形（或平均海面地形）

10、和海面異常。穩(wěn)態(tài)海面地形為一參考時間段內(nèi)平均海平面相對于大地水準面的高度； 3） 海面異常（SLA,SSHA）：海面異常升降是指海面高度超常規(guī)的上升、下降的現(xiàn)象。由于潮汐作用、氣候變化、海水熱容量變化、地球自轉速度變化等原因，海面始終處于復雜的升降變化之中4） 重復周期：衛(wèi)星兩次經(jīng)過同一點的時間。5） 衛(wèi)星指向點、衛(wèi)星指向角誤差：通常稱雷達天線的視軸方向與衛(wèi)星星下點方向間的夾角為衛(wèi)星的指向角或姿態(tài)角；又因為一般情況下，衛(wèi)星指向最好是星下點方向，而這個角度表示了方向的不一致性，經(jīng)常也稱其為指向角誤差。6） 波形重跟蹤7） 有效波高：將波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的1/3部分波高的平均值

11、稱為有效波高8） 海況誤差（電磁偏差、傾斜偏差）9） 逆氣壓改正：大氣壓的變化會引起海面的變化，而且是逆壓的，即氣壓增高、海面降低，反之亦然。它們之間的關系可以假設為：海面上的氣壓變化為 1mPa 時，海面高的變化為 1cm。逆氣壓效應是海水面對大氣壓的簡單反映。逆氣壓改正（以mm為單位）可以由下式計算得到： IB = 9.948( P1013.25)10） 入射角：入射光線與垂線之間的夾角。第2章 衛(wèi)星雷達高度計觀測基本原理2.1引言2.2衛(wèi)星測高觀測方式2.3雷達測量基本原理2.4雷達高度計觀測原理復習要點1、 衛(wèi)星測高基本原理基本原理是根據(jù)海洋表面返回的信號來確定海面至衛(wèi)星間的距離和有效

12、波高及海面風速。由于衛(wèi)星測高技術能夠提供最為豐富的全球海平面變化信息和平均海面精細結構，已發(fā)展到在地球物理學領域和大地測量學領域的廣泛應用。目前用它來研究地球重力場、海洋環(huán)流、海底地形、全球海平面變化、海洋巖石圈等已成為大地測量工作者和海洋研究人員共同關注的十分活躍的前沿研究領域。2、衛(wèi)星測高兩種基本方式的特點答：脈沖寬度有限方式波束寬度有限方式其中在衛(wèi)星測高中主要采用脈沖有限方式，與重力異常所要求的10公里的水平分辨率是密切相關。窄波束雷達高度計的足跡是指天線波束角所照明的海面區(qū)域，其中的天線波束角由天線增益模式的半功率點確定。對于海面高度測量值而言，要求天線波束相對較寬，以至于足跡大到足以

13、過濾海面波浪的作用，從而獲取平均海面測量值。同時，足跡也應該足夠小，小到可以得到有實際意義的海面測量值。3、當前測高任務主要使用哪些頻段，各頻段有何優(yōu)點和不足？ERS1：單頻，Ku波段，13.8GHzT/P：NRA(雙頻Ku：13.575，C:5.3),SSALT（單頻13.65）JASON1：Poseidon2（雙頻Ku：13.575，C：5.3）ENVISAT:（雙頻：Ku：13.575，S：3.2）JASON2：Poseidon3（雙頻Ku：13.6，C：5.3）原因：1） 受到國際有關機構的管理和協(xié)調(diào)，使用頻段有限。衛(wèi)星的任務目的不同，使用頻率不同2） 與天線、發(fā)射功率有關（技術上的原

14、因）。即航空器天線尺寸設計的限制決定了對衛(wèi)星測高有用的頻率非常有限。3） 在海面，電磁輻射中的灰體輻射非常微弱，而在這些頻率段內(nèi)，海水的反射率卻非常高，因此，很容易區(qū)別雷達的反射和海水的自然輻射。4） 當頻率大于18GHz時，大氣衰減急劇增加，使得到達海面并反射回到高度計的傳播信號功率減小；5） 當頻率小于2GHz時，受到地面通信、導航及雷達等民用、軍用電磁輻射的干擾。各頻段的優(yōu)點和不足Ku波段（13.6GHz）：Ku波段是目前衛(wèi)星測高使用最多的頻段，T/P,JASON-1，ENVISAT,ERS等衛(wèi)星高度計均使用了Ku波段。首先，該波段在技術上可行，這與發(fā)射功率有關，其次，由于國際上對各波段

15、的使用有相關規(guī)定和管理，此外，該波段對大氣（包括電離層）擾動敏感。C波段（5.3GHz）：通常認為C波段對電離層擾動的靈敏度高于Ku波段，但對大氣液態(tài)水的靈敏性弱。使用C波段的主要作用是與Ku波段觀測值聯(lián)合使用，用來改正電離層延遲。S波段（3.2GHz）：與C波段類似，S波段也經(jīng)常與Ku波段聯(lián)合使用。Ka波段使用的優(yōu)點1) Ka波段能更好對冰、雨、近海地帶、陸地物質(zhì)（例如森林）和波高進行觀測。2) 電離層延遲小。除了某些異常的電離層狀況外，電離層影響可以忽略，沒有必要采用雙頻測高儀進行電離層改正。即使在有明顯的電離層干擾時，只需利用DORIS系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進行電離層改正。3) 脈沖重復頻率高（

16、4KHz）。Ka波段回波的抗相關時間比Ku波段要短，可以明顯增加每秒鐘獨立回波的數(shù)量，因此可提高觀測數(shù)據(jù)的平均分辨率。4) 帶寬大。K啊波段能使用500MHz的帶寬，使測高儀更高的垂直解析度提高到0.3cm。而Ku波段測高儀的帶寬僅有320MHz，垂直分辨率為0.46cm。5) 穿透性較弱。對于散射特性不夠了解的反射面而言，電磁波的穿透特性是影響測距精度的重要因素，穿透深度越大距離觀測值精度越差。散射系數(shù)與電磁波波長的4次方成反比，從Ku波段到Ka波段，散射系數(shù)大約增加了55倍，散射系數(shù)越大，電磁波衰減率越大，穿透性越弱。Ka波段電磁波對雪面的穿透深度只有0.10.3m,而Ku波段有210m。

17、Ka波段的主要缺點：是電磁波受對流層中的水汽延遲影響較大，因此降雨會嚴重干擾觀測。如果降雨量大于1.5mm/h，測高儀接收到的回波將不能用。而對于Ku波段，小于3mm/h的降雨量幾乎不影響回波。4、高度計測風基本原理答： 雷達目標有效截面（Radar Cross Section：RCS）：表示雷達信號回波強度的一個物理量。單位為面積單位，符號 規(guī)格化雷達有效截面（NormalizedRadarCrossSection：NRCS）：單位面積內(nèi)的雷達散射，0 海面粗糙度：海面光滑及起伏程度，主要由銳利判據(jù)（Raylelgh Criterion）及更嚴格的佛郎和費判據(jù) 進行判斷。 規(guī)格化雷達目標有效

18、截面、海面粗糙度、風浪與海面風速之間的關系：海面風高度計雷達目標有效截面海面風浪海面粗糙度當入射角很小時，海面對微波信號的反射主要屬于鏡面反射，如果海面光滑，那么返回到高度計的信號就越多，也就意味著規(guī)格化雷達目標有效截面也就越大；如果海面粗糙，微波信號就會向各個方向反射，許多信號都不可能返回到雷達高度計，從而NPCS也就相對較小。因此，高度計的NPCS可以由海面粗糙度來確定，海面越粗糙，那么NPCS越小。所以，可以認為NPCS是海面高和傾斜的函數(shù)，這個函數(shù)的主要參數(shù)就是海面均方斜率（mean square slope；MSS），而MSS主要由短尺度風浪確定。一般情況下，風浪主要由海面風生，因此

19、，盡管不是直接的，NRCS還是通過風浪與海面風速存在聯(lián)系。5、有哪些主要遙感方式進行海面風速觀測？答：微波高度計：當高度計入射角 0 = 時，后向散射截面和海面風速之間存在一種反比關系。 微波散射計：散射計入射角一般大于20度，海面散射主要是Bragg散射，也是測量歸一化雷達目標有效截面?？梢詼y量風向，獲取大面積海面風速。微波輻射計：統(tǒng)計回歸分析方法：在ERS、Envisat-1和T/P及Jason上搭載了輻射計，利用輻射計進行水汽測量，從而可以用輻射計進行水汽引起的路徑延遲距離改正，還可以計算風速。合成孔徑雷達（SAR）：例如Envisat上搭載的ASAR，入射角一般大于20度，可以同時測量

20、海面風場。主要方法也是根據(jù)雷達后向散射截面反演海面風速。6、衛(wèi)星雷達高度計的觀測信息包括哪些？精度如何？答： 海面高度：精度最高。根據(jù)發(fā)射脈沖和接收脈沖間的時間間隔，確定衛(wèi)星質(zhì)心到星下點的距離，進而計算星下點的海平面高度 。 有效波高（SWH）：精度較高。分析返回脈沖波形形狀的特征，確定海洋的有效波高。有效波高等于4倍海面的均方根波高 。 海面風速：精度較低 。通過接受到的能量及其強度，可以獲取雷達的地面后向散射系數(shù)，進而求定海面風速 7、 什么叫有效波高？答： 有效波高（SWH）：精度較高。分析返回脈沖波形形狀的特征，確定海洋的有效波高。有效波高等于4倍海面的均方根波高 。第3章 衛(wèi)星高度計

21、觀測誤差3.1儀器改正3.2大氣延遲改正3.3海況影響3.4外部地球物理校正3.5微波輻射計水汽改正3.6衛(wèi)星軌道3.7衛(wèi)星指向角影響復習要點1、高度計觀測誤差概況答：大氣折射改正1.對流層改正2.電離層改正海況偏差1. 電磁偏差2. 傾斜偏差儀器改正1. 跟蹤器偏差2. 波形采樣增益校正偏差3. 天線增益模式4. AGC衰減5. 多普勒頻移6. 距離加速度7. 振蕩頻率漂移8. 天線指向誤差外部地球物理校正1. 大地水準面高2. 海面潮汐高3. 大氣壓負載2、 電磁偏差與傾斜偏差的區(qū)別？3、 逆氣壓效應（逆氣壓改正）是指什么？答：大氣壓的變化會引起海面的變化，而且是逆壓的，即氣壓增高、海面降

22、低，反之亦然。它們之間的關系可以假設為：海面上的氣壓變化為 1mPa 時，海面高的變化為 1cm。 逆氣壓效應是海水面對大氣壓的簡單反映。逆氣壓改正（以mm為單位）可以由下式計算得到： IB = 9.948( P1013.25) 4、 衛(wèi)星指向角？指向角或指向角誤差答：通常稱雷達天線的視軸方向與衛(wèi)星星下點方向間的夾角為衛(wèi)星的指向角或姿態(tài)角；又因為一般情況下，衛(wèi)星指向最好是星下點方向，而這個角度表示了方向的不一致性，經(jīng)常也稱其為指向角誤差。5、 入射角答：入射角：入射光線與垂線之間的夾角。6、 影響測高衛(wèi)星軌道誤差的主要因素？第4章 衛(wèi)星測高波形理論與處理方法4.1引言4.2測高回波基本理論4.

23、3波形處理主要理論與方法4.4測高波形應用復習要點1、 測高回波形成原理與過程答：脈沖在時刻t=0時發(fā)射脈沖前緣到達海面的時間 脈沖后緣到達海面的時間0<t< 雷達高度計按球形脈沖向海面?zhèn)鞑= 在這一瞬間，當入射脈沖接觸海面時，它照明海面呈現(xiàn)出一個亮點，同時，反射信號開始<t< 亮點變成圓盤的中心，其面積也增加t= 脈沖后緣到達海面，照明圓盤即變成為一個圓環(huán)，圓環(huán)半徑繼續(xù)增大，同時圓環(huán)保持面積大小不變，這種狀況一直持續(xù)到圓環(huán)的外沿增加到雷達波束的邊緣1） 衛(wèi)星接收機接收到的返回功率正比于照明的海面面積。2） 回波功率在從到期間增加很快，一直持續(xù)到脈沖后緣到達海面的時刻

24、，這之后，功率保持常數(shù)。3） 事實上，在時刻，由于高度計天線模式的作用，非星下點散射的減弱，功率就開始衰減。2、 布朗模型的基本假設答：1.散射面是由足夠多的隨機獨立的散射單元組成2.在整個平均回波構成的過程中，整個雷達照明面積內(nèi)的面高度統(tǒng)計可以假設成是恒定的。3.散射是一個純量（無向量）過程，沒有極化影響，并且與頻率無關4.散射過程隨入射角（相對于垂直于海面）的變化取決于每單位散射面的后向散射界面和天線模式。5.由于雷達與照明面積內(nèi)任何散射元之間的徑向速度引起的總的多普勒頻率展開小于傳播脈沖包絡的頻率展開。3、 測高波形模型公式的基本定義4、 圖形的幾何物理意義5、 波形重跟蹤技術？第5章

25、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理5.1數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類5.2測高數(shù)據(jù)內(nèi)容與數(shù)據(jù)格式5.3測高數(shù)據(jù)編輯5.4測高數(shù)據(jù)基準統(tǒng)一5.5共線平差5.6交叉點平差5.7數(shù)據(jù)格網(wǎng)化方法復習要點1、 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)有哪些基本等級？（PDF6/15）答：等級零級產(chǎn)品Level 0，這是原始數(shù)據(jù)，直接從儀器上獲取的數(shù)據(jù)一級產(chǎn)品Level 1，這是用一定的算法，將Level 0產(chǎn)品轉換成工程單位的產(chǎn)品，其中的波形采樣按18Hz（20Hz）的數(shù)據(jù)率平均；二級產(chǎn)品Level 2，這就是地球物理數(shù)據(jù)，用重新跟蹤（Re-tracking）將數(shù)據(jù)轉換成地球物理學單位。Level 2產(chǎn)品主要包括時間、地理位置、重新跟蹤輸出結果（距離、風速、有效波

26、高等）、1Hz（包含一些18Hz）參數(shù)（如距離、軌道高度）。2、 地球物理產(chǎn)品有哪些分類和特點？(PDf/15)答：FDGDR產(chǎn)品即快速發(fā)布的GDR（Fast Delivery GDR），一般在三小時之內(nèi)發(fā)布，主要用來進行天氣預報、實時海況和海洋環(huán)流的應用。IGDR即中間臨時的GDE產(chǎn)品（Interim GDR），在約三天后發(fā)布，主要用來對海洋環(huán)流的監(jiān)測和預報應用，這比FDGDR精度要高，但時間稍長（3天）。GDR和SGDR是最終產(chǎn)品。約3050天內(nèi)發(fā)布，包含了精密的儀器改正和軌道改正。而SGDR就是傳感器數(shù)據(jù)，它包含有GDR數(shù)據(jù)在內(nèi)，只是GDR數(shù)據(jù)的后面增加了波形數(shù)據(jù)。3、 測高數(shù)據(jù)編輯的目

27、的？答：根據(jù)一定數(shù)據(jù)刪除準則，剔除精度低、質(zhì)量差的觀測信息，提高測高的觀測精度。4、 為什么進行多測高數(shù)據(jù)處理是要進行基準統(tǒng)一?答：為了聯(lián)合處理數(shù)據(jù)。需要用轉化公式將她們轉換至統(tǒng)一的參考基準。3、 共線法的基本思想是什么？答：根據(jù)具有重復周期衛(wèi)星測高任務的特點而設計的一種消弱（消除）衛(wèi)星軌道誤差并確定平均海面及其變化的方法。通過沿共線軌跡比較海平面高的測量值，可以發(fā)現(xiàn)海平面的長波變化，這些變化的產(chǎn)生主要是徑向軌道誤差和海面的時變部分造成的。根據(jù)徑向軌道的長波特性，在共線軌跡測量中消除徑向軌道誤差的常亮偏差和線性變化部分。其思想就是通過固定一條軌跡作為參考軌跡，來確定其他周期相應弧段上相同緯度點的經(jīng)度及其相對于固定弧段的海面高。4、 交叉點平差的主要目的？答：消弱衛(wèi)星徑向軌道誤差，海面時變殘差所引起的誤差以及系統(tǒng)