海洋目标的HY-2A卫星微波散射计在轨辐射定标研究

HY-2A卫星微波散射计主要用于测量海表面的风速和风向,为了满足其风速和风向的测量精度要求,必须对其进行在轨辐射定标。本文基于散射计在开阔大洋的观测数据,利用经过定标的seawinds散射计后向散射系数数据,分析了海洋目标定标法的定标精度,结果表明定标精度可以达到0.15 dB,且模式函数对定标结果的影响为系统偏差,说明海洋目标定标法需要选用高精度的模式函数。然后,采用相同的海洋目标定标算法,实现了HY-2A卫星微波散射计的在轨辐射定标,获得HY-2A卫星微波散射计VV极化的定标系数为-1.79 dB,HH极化的定标系数为-1.73 dB。最后,利用NDBC浮标观测数据,检验HY-2A卫星微波散射计反演的风矢量精度,证明获得的定标系数可以明显提高HY-2A卫星微波散射计反演风矢量的精度。     

利用最优插值法改正宽刈幅高度计对流层湿延迟

宽刈幅高度计仅在星下点携带微波辐射计,使得两侧刈幅内的对流层湿延迟只能采用水汽模型改正或采用星下点实测值替代,导致改正精度较低。提出了使用最优插值法融合星下点辐射计实测的对流层湿延迟改正值,提升两侧刈幅内的改正精度,并以SWOT(surface water and ocean topography)卫星宽刈幅高度计进行了验证。在刈幅内,采用ERA5(ECMWF reanalysis 5th generation)水汽数据计算湿延迟改正时,最优插值法融合改进后的残余湿延迟误差较采用星下点实测值替代方法减小约40%;采用辐射计实测湿延迟波数谱模拟计算湿延迟改正时,最优插值法融合改进后的残余湿延迟误差较采用星下点实测值替代方法在各纬度区域均减小达80%。在水汽变化剧烈的情况下,最优插值法的改进效果远优于星下点实测值替代的效果。     

激光站在星载雷达高度计绝对定标中的应用

推导了一般情况下激光站为星载雷达高度计进行绝对定标的数学模型,并进行了仿真验证和误差分析,对高度计定标精度进行了定量评估。利用Corsica定标场区中Grasse激光站对Jason-2卫星定轨的实测数据进行了分析,取得了满意的结果。     

两种星载微波辐射计被动亮温数据的交叉定标

针对两种不同星载微波辐射计在长时间序列的变化探测研究中存在时空间差异问题,应用时空匹配交叉定标方法,选取亚马逊雨林作为高亮温地面观测目标和格陵兰地区为低亮温地面观测目标,采用原始轨道扫描数据对微波成像仪和先进微波扫描辐射计的时空上相匹配的5通道水平和垂直极化亮度温度数据进行交叉定标。研究结果表明,校正决定系数都在0.99以上,均方根误差均小于1.3K,定标系数精确度高,匹配数据拟合程度非常好。精确的交叉定标系数,对于我国FY3号以及后续卫星等微波定标参数确定、同国外卫星的长时间序列衔接以及数据质量的评估等具有重要意义。     

利用青海湖水面辐射校正场对FY—1C气象卫星热红外传感器进行绝对辐射定标

利用青海湖水面场FY-1C气象卫星热红外窗区通道进行绝对辐射定标,由CE312野外热红外辐射计在水面测得辐亮度经大气订正传递到卫星入瞳处,考虑到大气吸收削弱影响,同时卫星观测路径大气产生热发散,这两部分对卫星信号的贡献由探空廓线和卫星观测几何输入MODTRAN37计算出来,同时进行CE312野外辐射计与卫星通道光谱响应匹配计算,最终得到卫星入瞳处的表观亮度.这个辐亮度与卫星通道的计数值比较得到该通道绝对定标系数.结果表明利用辐射校正场辐射定标与星上定标相差5%左右,相当于3K的亮温差.     

海洋二号卫星高度计有效波高的验证与校准

本文选取与海洋二号(HY-2)卫星高度计同步的Jason-1和Jason-2有效波高数据以及同步的浮标数据对HY-2卫星高度计观测的结果进行验证,结果表明HY-2观测的有效波高存在0.3—0.4 m的误差;通过HY-2数据和同步的浮标数据的拟合得到HY-2数据的校准关系式,并比较校准后的HY-2有效波高数据与Jason-1和Jason-2数据,表明校准后的HY-2数据能够更好地反映海面的真实状况。     

神舟四号飞船微波辐射计定标和检验（Ⅰ）——微波辐射计外定标

文中针对神舟四号飞船辐射计 (RAD)的在轨定标特点 ,提出一种替代外定标方案 ,即利用地球表面典型地物的微波辐射对RAD的不同通道重新进行定标。选取了全球大洋开阔海域的浮标、星载微波辐射计产品和小岛上气象探空数据 ,通过理论计算得出的亮温作为辐射计测量的低端。利用南美洲热带雨林亮温作为高端 ,重新给出了RAD定标方程。同时 ,为了确定定标的效果 ,分别与国外星载微波辐射计相同或相近通道的亮温进行了比较。另外还结合南海地面配合试验的测量结果对辐射计定标数据进行了分析。     

GNSS-R技术在海冰反演中的应用

从海冰现状出发,全面评述海冰反演的研究进展,主要包括SAR观测技术、星载微波辐射计、高度计、雷达辐射计、多微波传感器及GNSS-R技术等,重点介绍当前GNSS-R反演海冰的关键技术,指出GNSS-R反演海冰存在的问题和发展方向。     

海洋测高卫星高度计定标理论与方法研究

正本文针对海洋测高卫星高度计的自主定标需求,兼顾新型双星串飞编队测高模式下高度计相对定标的研究需要,对卫星高度计定标理论与方法进行了研究。主要内容概括如下:(1)梳理了卫星高度计绝对定标的意义与研究现状,给出了常用绝对定标方法的实现原理,分析了各种方法的优缺点。(2)系统研究了海水温度、盐度对GPS浮标测量海     

海洋卫星测高及其反演全球海洋重力场和海底地形模型研究进展

海洋卫星测高在全球和区域大地水准面建模、全球海洋重力场反演、海底地形探测、海平面变化监测、构造板块运动研究等大地测量领域至关重要。本文概述了海洋微波测高卫星的简要发展历程,重点梳理了卫星测高在全球海洋重力场和全球海底地形建模方面取得的丰硕成果,对比分析了主流的海洋重力场和海底地形模型;介绍了合成孔径雷达高度计、Ka频段雷达高度计、合成孔径雷达干涉仪3种先进微波测高技术,并分析了其各自的优缺点,表明它们将在未来若干年呈并驱发展趋势;较为系统地阐述了海洋卫星测高的另一新型技术,即GNSS反射信号测量技术的研究动态,给出了GNSS-R(GNSS reflectometry)类(试验)卫星的发展脉络和发展前景。卫星测高的发展趋势之一是多颗测高卫星的组网观测,本文概括了曾经提出的和拟议中的若干组网测高计划,扼要介绍了由我国提出并正在实施的双星跟飞测高模式;最后指出了卫星测高发展的几个主要关注点,包括双星跟飞测高和SWOT(surface water ocean topography)任务的2维海面高(差)测量、卫星测高反演海底地形与高级地形激光高度计观测数据及遥感卫星图像的结合、星载GNSS-R厘米级海面高的载波相位测量、人工智能技术在卫星测高中的潜在应用等。     

用小波分析反演星载SAR图像海面风向

为更好地利用合成孔径雷达SAR图像本身的风条纹信息来反演高精度的海面风向,采用不同模式、不同极化方式的星载ASAR图像,基于抽样小波变换结合快速傅里叶变换的方法反演海面风向,同时将该方法反演的结果与传统的傅里叶变换法和改进的局部梯度法反演的结果进行了对比。结果表明,抽样小波变换应用于海面风向的反演是可行的,反演的风向精度优于传统的傅里叶变换法和改进的局部梯度法。ASAR不同模式、不同极化方式的数据反演结果存在着一定的差异。     

验潮站和深海压力仪用于卫星高度计性能评估的可行性分析

在传统卫星高度计定标途径之外,探索了远海孤岛验潮站和深海压力仪分别用于卫星高度计性能评估的可行性。采用Harvest石油平台验潮站、1890000号验潮站和21419号深海压力仪,计算了Jason-3测量海面高偏差以及Jason-2、Jason-3海面高之间的相对偏差。由3种设备得到的Jason-3海面高偏差序列的标准差分别为3.98、2.87、8.61 cm,Jason-2、Jason-3海面高之间的相对偏差(Jason-3—Jason-2)分别为-3.62±2.17、-2.58±1.97、-2.60±1.30 cm,与国外定标站计算结果相比较,结果表明:Jason-3海面高相比于Jason-2海面高低约3.0 cm;选用的深海压力仪适合用于Jason-2、Jason-3之间海面高相对偏差的计算,但不适用于单颗卫星的定标或性能评估;远海孤岛验潮站适用于两者。     

中国海洋卫星及应用进展

中国十分重视海洋遥感及其监测技术的发展,初步形成了具有优势互补的海洋遥感观测体系,并发挥了显著的经济和社会效益。其中,海洋一号(HY-1A/B)卫星已经广泛应用于中国海温预报业务系统、冬季海冰业务监测、夏季赤潮和绿潮监测、海岸带动态变化监测、近岸海水水质监测和渔业遥感监测等方面。海洋二号(HY-2A)卫星不仅填补了中国海洋动力环境卫星遥感的空白,也是目前国际上唯一在轨运行的集主被动微波遥感器于一身的综合型海洋动力环境卫星,具备同时获取风场、有效波高、海面高度和海面温度的能力。通过卫星获得的数据提高了中国海洋环境监测与灾害性海况预报的水平,为国民经济建设和国防建设、海洋科学研究、全球变化研究等提供了可靠的遥感数据,同时还在国际对地观测体系中发挥了重要作用,受到国内外用户的高度认可。海洋一号和海洋二号卫星系列为中国建立完善的海洋环境立体监测体系奠定了坚实基础。根据国家发展和"一带一路"建设的实施,在加快建设海洋强国、维护海洋权益和加快发展海洋经济的进程中对海洋遥感的发展也进一步提出了更高的要求和更紧迫的需求。为此,紧紧围绕国家海洋强国战略需求,在《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015年—2025年)》中专门规划了海洋观测卫星系列,服务于中国的海洋资源开发、环境保护、防灾减灾、权益维护、海域使用管理、海岛海岸带调查和极地大洋考察等方面,同时兼顾陆地和大气观测领域的需求。在充分继承已有HY-1A/B、HY-2A、高分三号(GF-3)和中法海洋卫星(CFOSAT)成功研制经验和应用成果的基础上,发展多种光学和微波遥感技术,建设新一代的海洋水色卫星和海洋动力环境卫星,具备卫星组网观测能力;发展海洋监视监测卫星,构建优势互补的海洋卫星综合观测体系。通过空间基础设施的建设,海洋遥感卫星必将在建设海洋强国的进程中发挥出重要作用。     

资源三号02星激光测高精度分析与验证

资源三号02星搭载了我国首台对地观测的卫星激光测高试验性载荷,对该载荷的精度进行了理论分析,并采用多个区域进行了实际精度验证,同时对其在航天测绘中的应用进行了试验。资源三号02星激光测高仪在平坦地区(坡度≤2°)的理论高程精度为0.85m、平面精度14.2m。试验表明,资源三号02星激光测高仪获得的有效测高数据约占23.89%,检校场区域其高程精度为0.89m,平面精度为14.76m;华北地区高精度DSM地形数据验证其高程精度为1.09m,内陆渤海海面上的激光高程精度为0.47m。将激光足印点作为高程控制点时,在陕西渭南试验区能将资源三号02星立体影像无地面控制的高程精度从11.54m提高到1.90m。虽然资源三号02星激光测高仪为试验性载荷,但试验结果证实国产卫星激光测高数据能有效提高立体影像无地面控制的高程精度,在全球测图工程中具有推广应用价值,建议后续立体测图卫星搭载业务化应用的激光测高仪。     

高分七号卫星激光测高仪无场几何定标法

无场几何定标是未来多波束激光测高卫星面临的一个关键问题。本文针对高分七号（GF-7）线性体制全波形激光测高仪,提出了一种基于地形和波形匹配的无场分步定标方法。在深入分析高分七号卫星激光测高仪特点的基础上,构建了严密几何定位模型,采用公开版的地形参考数据和某地区1∶2000高精度的DOM和LiDAR-DSM基础地理信息成果,开展了在轨无场几何定标试验,显著提高了高分七号卫星激光测高数据精度。在2020年上半年受新冠肺炎影响未进行外场定标期间,有效解决了激光测高数据处理无定标参数的实际困难。本文对无场定标结果与高分七号实际外场定标结果进行对比验证,结果表明,无场定标结果与实际落点位置的平面误差为11.597±3.693 m,最小值为7.115 m,平坦地区高程精度优于0.3 m,虽然略低于外场定标结果,但能满足1∶10 000高程控制点测量需求。     

Jason-2近海海面高的最优高斯低通滤波半径选择

使用测高卫星Jason-2传感器地球物理数据记录（sensor geophysical data record,SGDR）的近海海面高观测数据,基于最大似然估计4参数法,对波形数据进行重跟踪。考虑到星下点沿轨方向前后相邻海面高观测值中高频改正信号具有相关性的特征,提出了确定海面高的最优高斯低通滤波半径选择的技术方法,即对星下点沿轨方向观测值进行差分计算,形成差分数据序列,根据序列的相关系数性来确定滤波半径。对于SGDR数据,若对其进行低通滤波,建议滤波半径选为2 km,既可抑制沿轨海面高数据的高频误差,又可保证该数据没有被过度平滑。研究成果可为充分利用卫星测高数据建立高精度近海海面高模型提供参考,进而促进高精度陆海无缝垂直基准的技术体系建设。     

卫星测高在陆地湖泊水位变化监测中的应用

本文以呼伦湖为例,利用TOPEX/Poseidon测高卫星(1993～2002年)的GDR和WDR数据以及Jason-1(2002～2005年)的GDR数据对湖泊水位变化进行研究,得到湖泊水位异常的变化趋势。通过利用小波分析的方法对卫星测高获得的湖水位异常时间序列分析,得出了呼伦湖的水位年际变化周期,证明了利用卫星测高进行卫星测高监测湖泊水位变化的可行性。     

利用卫星测高空间技术建立数字化海洋

论述了卫星测高空间技术的主要特征、科学意义及其在军事和经济建设领域的重要价值，阐明了国内外测高卫星系统的发展现状及利用卫星测高空间技术建立数字化海洋所取得的成果，分析卫星测高目前的研究方向，提出了发展我国卫星测高空间技术以及利用该技术建立数字化海洋的一些建议。