GNSS浮标技术标定卫星雷达高度计的发展现状

信息工程大学 翟振和

一、引言

卫星测高技术在全球海平面变化及海洋重力场反演中扮演着重要角色，星载雷达高度计至今已经历了Geos-3，Seasat，Geosat，TOPEX/Poseidon，ERS-1/2，Jason-1和Envisat等多代星载高度计的发展历程。卫星雷达高度计的标定是保证高精度海面高测量的前提，通过标定能够发现高度计可能存在的偏差，进而进行改正，卫星高度计定标主要包括海面高度和后向散射系数的定标。本文主要讨论海面高的标定。

随着GNSS技术的发展，基于GNSS的浮标测量技术逐步成熟并应用于卫星高度计的标定中。Hein(1990)，Kelecy(1992)最早开展了GPS浮标技术的概念研究，由于动态GPS定位技术的发展，使得GPS浮标技术可以作为独立的检测手段。慕尼黑天文和物理大地测量学院于上世纪90年代初在北海的Medem-Reede区域开展了浮标试验。Born(1994)第一次在Harvest平台利用GPS浮标对T/P卫星进行了标定。Key(1999)提出了一种适应单接收机的精密单点定位算法，这种算法不需要陆地参考站，从而提高了浮标测量的应用距离。GNSS浮标技术应用于标定，主要涉及浮标设备及GNSS数据处理两部分，本文将从这两部分入手分析和探讨GNSS浮标技术标定卫星雷达高度计的主要方法和发展现状。

二、GNSS浮标的主要类型和特点

现有的浮标测量设备大致可以分为三类。一类是轻量骑波式浮标（见图1），此类浮标一般由救生用具作为漂浮平台，平台上只安装天线，天线参考点（ARP）大约高于海水面5～20cm，浮标由附近的船系留和操作。这种浮标的成本较低，容易建造和操作，能够反映瞬时海面的变化，不需要顾及平台的吃水深度和倾斜。这种浮标的缺点在于在浮标操作过程中需要人员和船艇的支持，观测时间有限，且受限于海况和浪高。典型的有澳大利亚塔斯马尼亚大学研制的“MkI”浮标。

第二类是自主型的轻量骑波式浮标（见图2），这种浮标在轻量式浮标基础上增加了接收机设备和电池设备，因此能够进行数天的自主运行，同时也避免了天线电缆对浮标的影响，但在恶劣海况环境下仍然不能使用。典型的有澳大利亚塔斯马尼亚大学研制的“MkII”浮标。

第三类是坚固型的海洋浮标，这类浮标不仅有GNSS观测系统，还拥有电源存储、供电设备以及数据传输系统，能够在任何海况下进行长期的自主观测，天线参考点一般高于海平面5m～7m。这种浮标的缺点在于成本较高，天线不能反映瞬时海平面的变化，很难精确确定天线相对于水平面位置。德国的慕尼黑FAF天文和物理大地测量学院、地球科学研究中心（GFZ）、德累斯顿技术大学，以及美国的国家海洋服务局（NOS）、国家大地测量局（NGS）都曾研发过这种大型海洋浮标。

三、GNSS浮标标定的基本原理及地球物理改正

利用GNSS浮标通过与岸上的GNSS参考站联测，可以获得浮标所在位置的高精度海面高数据hBuoy，即该海面相对于椭球的高度（见图3），同时测高卫星飞过该位置的海面高测量值SSHA，也通过式（1）得到。

式中，hAlt表示卫星相对于椭球高度；rAlt表示高度计测量获得的卫星相对于海面的高度；ΔRdry表示干对流层改正；ΔRwet表示湿对流层改正；ΔRion表示电离层改正；ΔRssb表示海况偏差改正。

根据以上两个海面高的观测量就可以得到高度计测量偏差Bias。

由于轻量型的GNSS浮标观测不完全连续，因此可以利用验潮站和海洋锚不间断地获得不同基准下海面高数据，这些数据可用来作为GNSS浮标观测的补充和增强。除此之外，为了获得高精度的海面高测量值，还必须考虑各种地球物理因素的影响，包括固体地球潮汐、极潮以及海洋、大气引起的质量负荷。

由于高度计观测量中包含了地球潮汐的永久部分，因此浮标测量数据也必须顾及这个因素，永久潮汐带来的垂直分量的改正公式（单位mm）见式（3）和式（4）。

式中，φ表示观测点的地心纬度。

极潮引起的位置变化是由于地球自转引起极区的变化，这种变化进而引起观测点离心力位的变化。极潮引起的垂直分量最大的变化达到25mm，水平分量改正最大达到7mm，极潮改正公式（单位mm）见式（5）～式（9）。

式中， Sγ，Sφ，Sλ分别表示径向、纬度和经度方向的改正量；m1，m2可用式（8）和式（9）表示

质量负荷主要包括海洋潮汐负荷、大气负荷以及陆地水文负荷三种类型。海洋潮汐负荷的影响最为明显，在极端情况下对测站位置的影响最大可达100mm（Penna，2002）。海洋潮汐负荷的改正公式见式（10）。

式中，Acj和φcj分别表示潮汐振幅和相位；ωj表示潮汐角速度；χj表示天文幅角；fj，νj表示与月球交点经度有关的量。

大气负荷在50HPa大气压力环境下对位置垂直分量的影响最大可达20mm～30mm，对水平分量的影响最大可达2mm～10mm，影响最大的区域是极区。大气负荷对位置影响可用格林函数的卷积以及一个面压力场（如国家环境预测中心（NCEP）的模型）表示。水文负荷的影响目前较难确定，主要是因为各种因素较难量化和建立负荷信号模型。van Dam（2001）研究发现水文信号的低频部分在长时间范围内（如几年）在大部分区域的年变化不会超过0.5mm/y，但在个别区域（如亚马逊盆地）的年变化会达到2.5mm/y。

四、GNSS浮标标定技术的实际应用

这里以对TOPEX/Poseidon、Jason-1两颗测高卫星的标定为例介绍GNSS浮标的应用情况，标定地点位于澳大利亚的Bass海峡（具体位置见图4）。

如图4所示，与美国NASA的Harvest和法国的Corsica标定场不同，Bass海峡标定点位于南半球，离澳大利亚大陆的两个GPS基准站分别为18km及22.7km，且处于两颗卫星编号为088的降弧段地面轨迹上，这是它的独特之处。该标定点使用的是增强型的“MkII”浮标，从2001年9月至2002年5月共进行了7次浮标观测，每次观测持续4个小时，其中一次为试验，另一次因为天气原因造成数据不可用，剩余5次观测数据用来分析处理。

实际处理时，首先将陆地参考站的参考框架和测高卫星的参考框架统一到ITRF2000，参考椭球为GRS80椭球，其次利用GLOBK，TRACK软件解算浮标相对于参考椭球的位置。对于每一个历元，浮标三维位置、接收机钟差、大气模型改正同时解算，大气延迟改正参数的初始标准差设置为0.1m，随机游走噪声设定为0.0001m/ 。为了形成连续观测序列，利用海洋锚观测数据与GPS浮标数据共同组成1Hz的参考时间序列，与测高卫星的海面高序列进行比较进而获得测高卫星高度计的偏差。通过比较得到T/P卫星高度计的绝对偏差为0±14mm，Jason-1高度计的绝对偏差为152±13mm。同时期，NASA的Harvest平台对Jason-1高度计的检核结果是138±17mm，比较结果说明：GPS浮标在Bass海峡的标定是较为可靠的。

五、结束语

利用GNSS浮标标定卫星高度计是浮标技术和GNSS技术成功组合的产物，这也说明了GNSS技术在海洋监测领域具有广泛的应用性和扩展性。通过本文的分析可以看出，GNSS浮标技术经过多年发展已经成为卫星高度计标定的有效手段。同时GNSS浮标也存在很大的发展空间，首先在目前的浮标设计中更多的是采用GPS接收机作为观测手段，随着欧盟Galileo、俄罗斯GLONASS及我国北斗导航系统的发展成熟，兼容多种卫星导航系统的接收机势必会逐渐发展起来，这为提高海面高测量数据的质量提供了良好机遇。此外，设计能够长时间自主运行且结构简单的浮标设备也将成为未来发展的重点。我国已经发射了海洋2号测高卫星，后续也将规划新一代测高卫星，本文所做的工作将为我国自主标定卫星高度计提供一定的参考和借鉴。

见www.dcw.org.cn