干涉雷达高度计定标检验进展

卫星雷达高度计正从传统星下点的剖面测量向宽刈幅干涉测量发展,利用卫星观测二维的高分辨率、高精度海面高度正在成为可能,国外研究人员提出SWOT(Surface Water and Ocean Topography)干涉雷达高度计计划和我国新一代海洋科学卫星任务等计划有望实现海洋亚中尺度现象的观测。定标检验是评价卫星观测资料精度和质量的必要工作,传统高度计的定标检验均为基于验潮站、GNSS(Global Navigation Satellite System)浮标、有源定标器等方式的单点比对,难以满足干涉高度计的需求。目前国内外研究人员在干涉雷达高度计的定标检验中采用了全新的技术方案,并已利用机载试验和理论模拟开展了验证工作。对近10 a干涉雷达高度计定标检验的新技术方法进行介绍和总结,希望对我国的干涉雷达高度计卫星定标计划起到借鉴作用。     

GNSS浮标高程测量精度的影响因素研究

针对高度计定标检验的需求,研制了GNSS浮标,并在天津市于桥水库和威海市石岛镇分别进行了浮标性能测试。通过对影响浮标数据处理精度的因素进行研究,为GNSS浮标数据处理方法建立了完整的技术流程,使其满足高度计定标检验的需求。结果表明:GNSS浮标可以满足高度计定标检验的需求;但需特定的数据处理方法。(1)在基准站数据处理中,卫星截止高度角选择为5°~15°,数据采集时间不少于24 h;(2)浮标数据处理模式选择为自动模式,并对其进行移动平均滤波或中值滤波处理后,流动站解算结果最优;(3)GNSS浮标的水面高程测量精度优于1 cm;(4)受到GNSS本身的限制,当浮标距离GNSS基准站越远,浮标数据的解算精度越低。     

GPS浮标数据反演海浪谱的理论仿真与试验验证

GPS浮标作为一种新型的海洋测量设备,近年来在海面高度现场测量和星载高度计定标方面取得了重要应用。通过仿真试验对反演海浪谱的方法和流程进行研究,旨在探索从GPS浮标测量的海面高度序列中提取海浪谱的方法。首先,使用Longuest模型生成了海浪波面位移时间序列,并通过Pierson-Moscowitz风浪谱对波面位移的统计特性进行约束,其随机性由相位引入。结合典型潮汐和GPS浮标仪器噪声的仿真时间序列,合成了仿真时间长度1h的1Hz(每秒1次)随机海面高度序列。然后,利用自相关函数法,进行高通滤波和数据压缩,得到了仿真的海浪谱。该仿真结果和理论海浪谱非常接近,可满足海浪谱反演的需求。最后,通过山东石岛外海的GPS浮标现场试验,验证了本文提出的反演方法的适用性。本文的研究解决了GPS浮标反演海浪谱的关键问题,丰富了海浪谱反演的手段,拓展了GPS浮标的应用领域,有望为未来我国的星载波谱仪定标服务。     

卫星高度计海面风速的校准与验证

为了改善不同卫星高度计海面风速数据之间的一致性,以浮标数据为基准,对国内的HY-2A和国外的T/P、GFO、Jason-1、Envisat、Jason-2、CryoSat-2共7颗卫星高度计的海面风速数据进行了分析,给出了各个卫星高度计的海面风速校准公式,并对其校准效果进行了验证。验证结果表明:各个卫星高度计的海面风速在经过校准后,与浮标海面风速差异的均值和均方根都有所降低,其中HY-2A最为显著。经过校准后所有卫星高度计的海面风速与浮标海面风速差异的均值都在±0.2m/s以内。除了HY-2A、GFO和Jason-1,其余4颗卫星高度计校准后的海面风速与浮标海面风速差异的均方根都在1.6m/s以下。由此可以得出结论,利用本文的校准公式对各个卫星高度计(特别是HY-2A卫星高度计)的海面风速进行校准,可以有效减少其与浮标海面风速之间的差异。     

基于后处理载波相位差分GPS技术的验潮浮标

GPS验潮原理已经发展成熟。按照潮汐测量工作的自动化、高精度的要求,根据海洋浮标的实际工作环境和海洋浮标设计经验,利用嵌入式技术和系统集成技术研制了浮标数据采集器,利用机械设计技术设计了浮标体,并进行了精度验证试验和应用试验,采用GAMIT软件处理浮标数据。试验结果表明,该GPS浮标的瞬时海面高测量精度和潮汐测量精度均满足精度要求,可以应用于海洋潮汐测量工作。     

基于GPS浮标的高度计海面高度产品检验技术进展

主要介绍了卫星高度计在海洋学研究中的意义、高度计的定标原理、定标方法和国际主要的高度计定标试验场。结合卫星高度计定标的特点,着重介绍了GPS浮标在高度计定标中的优势、技术难点以及解决方法等,旨在为海洋二号卫星的高度计定标技术提供依据。     

基于GNSS浮标和验潮资料的HY-2A卫星高度计绝对定标

为探测我国HY-2A卫星高度计海面高测量绝对偏差及其在轨运行状态,本文利用GNSS浮标星下点同步测量和验潮资料海面高传递方法在山东千里岩和珠海担杆岛海域开展定标研究。为验证GNSS浮标定标方法的准确性,还对国外卫星Jason-2和Saral进行了定标实验。实验表明GNSS浮标绝对海面高测量精度达2 cm,对Jason-2和Saral高度计多个周期定标得到的海面高偏差均值分别为5.7 cm和-2.3 cm,与国际专门定标场的结果符合较好。2014年9月和2015年5月HY-2A卫星高度计浮标定标结果分别是-65 cm和-91 cm,因两次结果差异显著,故又利用千里岩验潮站资料对HY-2A卫星高度计第56至73周期进行了定标分析,结果证明HY-2A卫星海面高存在约-51 cm/a的漂移,置信度为95%的回归分析表明浮标和验潮定标结果符合。本文研究结果表明在我国尚无专门定标场的情况下,可利用GNSS浮标对我国高度计实施灵活、精准的在轨绝对定标,在有高度计轨迹经过验潮站的情况下可使用验潮资料结合精密大地水准面模型进行绝对定标。     

基于现场的卫星高度计定标技术研究

卫星高度计数据的广泛应用离不开准确的现场定标检验工作。在青岛千里岩海上试验的基础上,分别使用GNSS浮标法和潮汐法对Jason-2卫星高度计进行了定标。其结果显示:(1)GNSS浮标法使用高精度GNSS数据处理软件GAMIT/GLOBK及其Track模块,对GNSS浮标数据进行高精度处理,得到的高度计偏差为+195.7 mm,该方法可以消除大地水准面和潮位的影响,精度较高;(2)在潮汐法中,利用FVCOM海洋模式模拟了千里岩周边的潮位,并对比了GNSS浮标测得的潮位结果,二者的标准偏差达到了1.3 cm,满足高度计定标的要求,结合EGM2008计算的大地水准面和平均动力地形,得到的高度计偏差结果为+150.9±35.1 mm,该方法受限较多,精度较差。但两种方法最终得到的高度计偏差与国际其他定标场的结果相当。     

HY-2A卫星雷达高度计数据的全球统计评价及质量分析

自HY-2A卫星发射以来,针对HY-2A卫星雷达高度计产品的交叉定标、真实性检验及质量评估工作一直在持续开展。本文主要以HY-2A卫星高度计第44周期的IGDR产品数据为例,通过使用全球分布图、二维直方图和每日均值统计的方法完成了与Jason-2IGDR产品的比对验证,同时对主要环境校正参数及地球物理产品的数据质量稳定性进行了分析,结果显示高度计产品数据质量较稳定,此外利用HY-2A卫星升降轨交叉点海面高度差、与Jason-2卫星交叉点海面高度差以及沿轨海平面异常数据分析的方法进行了HY-2A卫星高度计观测系统的性能评估,结果显示,HY-2A卫星海面高度精度约为7.48cm,精度接近Jason-2,能满足海洋应用与科学研究的需要。     

卫星高度计海上定标场及定标方法研究进展

介绍了卫星高度计定标中海面高度和后向散射系数的定标方法。在后向散射系数的定标中介绍了利用有源定标器和微波辐射计定标两种方法。结合卫星高度计的特点,提出了海上定标场选取所需注意的问题,并介绍了目前比较成功的几个定标场及其定标结果,旨在为我国今后发射的卫星高度计绝对定标和定标场的选取提供依据。     

IGDR数据用于高度计定标先期计算的可行性

针对拟开展的Jason-3卫星高度计定标试验,分析了利用IGDR数据先期计算定标结果的可行性。介绍了基于GPS浮标的直接绝对定标方法,设计了IGDR数据用于定标计算的可行性评估方法,利用经过全球4大定标站海域的数据比较了IGDR、GDR数据计算定标结果的差异。结果表明:通过两种数据计算的定标结果之间没有明显的系统性偏差,其差异的不确定性约为1cm;相对于传统定标站GDR定标结果 3cm量级的标准差,该不确定性对于定标结果的一致性影响不大,在定标试验中可使用IGDR先期进行定标计算。     

利用南海石油平台的卫星雷达高度计定标与检验

在对南海石油平台所处的南海北部海域海底地形、平均海平面、风浪时空分布等进行分析基础上,利用南海石油平台水位计对Jason-2卫星高度计进行了测高绝对定标,定标结果为30.9 cm±7.8 cm,分析发现南海北部中尺度涡可能对定标结果产生影响;利用南海石油平台测波雷达对Jason-1高度计有效波高进行了精度检验,Jason-1高度计Ku波段和C波段有效波高测量的均方根误差分别为0.43 m和0.45 m。分析和检验结果表明,南海石油平台所处海洋环境条件、平台上装载的水位计和测波雷达均满足卫星雷达高度计定标与检验要求。南海石油平台定标场预期可用于中国海洋二号卫星和其他卫星高度计的定标与检验。     

基于与Jason-2数据比对的Jason-3卫星高度计全球数据质量评估

Jason-3卫星高度计于2016年1月17日成功发射,2016年2月12日进入预定轨道,与Jason-2高度计同轨进入编队飞行阶段,并落后Jason-2高度计约1分20秒,两者相距约560 km。2016年9月1日,Jason-2高度计变换轨道,编队飞行阶段结束,两高度计进入平行轨道,以增加卫星高度计对地观测的空间覆盖。本研究主要开展了Jason-3高度计的数据质量的评估与检验,包括Jason-3高度计数据可用性和有效性的验证,以及Jason-3高度计和校正辐射计各参数的数据质量监测。重点开展了Jason-2与Jason-3高度计各项参数的综合比较,利用Jason-2与Jason-3高度计编队飞行阶段的数据精确评估了两高度计参数的一致性,并从全球数据角度分析了Jason-3高度计获取各参数的能力以及稳定性;通过与Jason-2互交叉点比较分析评估Jason-3高度计海面高度数据质量情况,验证Jason-3高度计数据精度。结果表明,Jason-3高度计的数据质量满足高度计测高的要求,具有与Jason-1、Jason-2、T/P等高度计相同或更高的测高精度以监测全球海平面变化,此外,Jason-3有效波高参数数据质量明显优于Jason-2高度计。     

梳状高度计编队探测海洋涡旋仿真分析

单颗星下点高度计卫星可进行一维海面高度测量，但时空分辨率较低，对涡旋的探测能力不足。梳状高度计卫星编队可提升海面高度时空分辨率，增强对涡旋的识别探测能力。为定量分析高度计编队下的涡旋探测能力，本文在黑潮延伸体海域开展观测仿真实验，对海平面高度进行沿轨采样，经优化插值算法处理后得到逐天海面高度异常数据场并进行涡旋识别与统计分析。此外，本文还同步开展了单颗星下点高度计和成像高度计卫星涡旋探测仿真实验及对比分析。结果表明，梳状高度计卫星编队在涡旋数量、极性、半径及振幅等方面识别效果较好，与成像高度计探测结果相近。     

HY-2C卫星海面高度数据的质量分析

卫星海面高度数据对于监测全球海面高度具有重要的意义,所以卫星高度数据的定标和检验变得至关重要。海洋二号C（HY-2C）卫星是继海洋二号B卫星后的第二颗业务卫星,于2020年成功发射升空。然而,目前对HY-2C卫星高度计的数据质量了解甚少,所以对HY-2C卫星的海面高度数据进行质量分析具有重要的意义。本文以同期观测的HY-2B卫星和Jason-3卫星的地球物理数据（GDR）为参考,对HY-2C卫星遥感地球物理数据（SGDR）中的海面高度数据进行质量分析。结果显示,在星星交叉定标中使用3种常见的交叉定标插值方法对HY-2C卫星的海面高度异常数据进行自交叉点分析时,HY-2C卫星海面高度异常数据质量分析的结果不同。其中使用三次样条插值方法进行质量分析的结果最优,得到海平面高度异常差的平均值为0.03 cm,标准差为6.17 cm。此外,对HY-2C卫星和HY-2B卫星互交叉点海面高度异常差异的平均值为?0.47 cm,标准差为5.32 cm;HY-2C卫星SGDR与Jason-3卫星GDR的海面高度异常数据进行互交叉点分析,得到海平面高度异常差的平均值为?0.3 cm,标准差为5.32 cm,这些数据表明HY-2C卫星的测高精度与HY-2B卫星、Jason-3卫星一致。因此HY-2C高度计产品数据质量稳定,能满足海洋应用和科学研究的需要。     

复合雷达后向散射模型与合成孔径雷达、散射计和高度计海面雷达后向散射观测的比较分析

海洋微波散射模型相比于以经验统计建立的地球物理模式函数具有不受特定微波频率限制的优势。组合布拉格散射模型和几何光学模型形成了复合雷达后向散射模型。利用南海北部气象浮标2014年海面风速风向实测值作为散射模型输入,分别比较了复合雷达后向散射模型与RADARSAT-2卫星C波段SAR、HY-2A卫星Ku波段微波散射计的海面后向散射系数,偏差分别为(?0.22±1.88) dB (SAR)、(0.33±2.71) dB (散射计VV极化）和(?1.35±2.88) dB (散射计HH极化);以美国浮标数据中心(NDBC)浮标2011年10月1日至2014年9月30日共3年的海面风速、风向实测值作为散射模型输入,分别比较了复合雷达后向散射模型与Jason-2、HY-2A卫星Ku波段高度计海面后向散射系数,偏差分别为(1.01±1.15) dB和(1.12±1.29) dB。中等入射角和垂直入射下的卫星传感器后向散射系数观测值与复合雷达后向散射模型模拟值比较,具有不同的偏差,但具有相同的海面风速检验精度,均方根误差小于1.71 m/s。结果表明,复合雷达后向散射模型可模拟计算星载SAR、散射计和高度计观测条件下的海面雷达后向散射系数,且与CMOD5、NSCAT-2、高度计业务化海面风速反演的地球物理模式函数的计算结果具有一致性;复合雷达后向散射模型可用于微波遥感器的定标与检验、海面雷达后向散射的模拟。     

时空窗口对HY-2有效波高产品检验影响模拟研究

时空窗口的选择是卫星高度计有效波高产品检验的主要影响因素。采用Monte Carlo(MC)数学模拟的方法 ,研究了时空窗口对HY-2高度计有效波高检验的影响,并采用现场浮标测量数据验证了MC模拟的可靠性。MC模拟结果表明,采用浮标测量数据对HY-2高度计有效波高检验时,必须分海况选取对应的最优空间窗口进行,并给出不同海况下的最优的时空窗口。对于高海况需采用小的空间窗口,在1 m,2 m,3 m,4 m有效波高的海况下,其理想的时空窗口为0 min,117 km,30 km,18 km和13 km。     

基于HY-2卫星高度计机载校飞数据的有效波高信息提取及初步分析

利用HY-2卫星雷达高度计校飞数据,开展了有效波高信息提取及精度比对研究。首先对其进行波形筛选、1s平均和去噪,然后基于Hayne海面回波模型进行波形拟合,提取出波高均方根并得到有效波高,并与浮标和同轨迹的Jason-1卫星高度计有效波高进行了比较。结果表明,本次校飞其高度计测波精度存在系统偏差,初步分析可能是其数据未经仪器校正等原因导致。     

基于神经网络的卫星高度计海面风速反演算法

通过对TOPEX/Poseidon高度计资料与NDBC浮标实测数据进行时空匹配处理,得到同步数据集,利用人工神经网络方法试验得到海面风速反演算法,并与业务运行的M CW算法进行分析比较,指出考虑波浪状态影响因素的神经网络算法在均方根误差和对称性方面的优越性。研究表明利用神经网络方法反演海面风速是可行的。     

卫星高度计海面高度时间距平场反演平均场的理论基础

由于卫星高度计海面高度场中含有大地水准面信息,在目前测量和计算大地水准面不甚精确的情况下,对其时间距平场的分析应成为目前使用这种资料分析海洋动力学的主要途径。本文从海洋动力学角度,从理论上阐述了时间距平场中包含着平均场的信息,从而从理论上提供了一种时间距平场反演平均场的方法。通过数值实验获得模拟的Geosat高度计资料,定量分析了时间距平场对平均场的贡献,即T内尺度内脉动量对T际尺度运动的贡献,并对上述反演方法进行了模式检验。