卫星海洋测高技术体制发展研究

李洋张润宁万晓云侯小瑾李芳

（1航天东方红卫星有限公司，北京 100094）（2钱学森空间技术实验室，北京 100094）

卫星海洋测高技术体制发展研究

李洋1张润宁1万晓云2侯小瑾1李芳1

（1航天东方红卫星有限公司，北京 100094）（2钱学森空间技术实验室，北京 100094）

分析了传统卫星海洋测高技术在时空分辨率、测距精度和获取二维矢量信息方面的局限性；在此基础上分析研究了宽刈幅测高、多星编队测高、合成孔径测高及Ka频段测高技术体制在克服传统测高局限性的潜在能力；最后提出了未来卫星海洋测高的两种发展方向，即兼顾融合多领域应用的综合型测高技术体制和专题应用型测高技术体制。

卫星海洋测高；技术体制；雷达高度计

1 引言

卫星海洋测高技术利用精密定轨系统和星载雷达高度计，分别测量卫星到参考椭球面的距离以及卫星到海面的距离，两者相减得到海面相对于参考椭球面的高程（即海面高）。测量数据具有空间分布均匀、近全球海域覆盖、测量基准统一等特点，在地球科学研究的诸多领域中得到了广泛应用，因此卫星海洋测高已成为获取海面高信息最有效的测量方式。

美国于1973年在“天空实验室”（Skylab）上进行了卫星海洋测高的原理性试验并获得成功，此后国际上陆续发射了10余颗海洋测高卫星，其中1978年发射的“海洋卫星”（SEASAT）具有里程碑的意义，其雷达高度计采用“全去斜坡”的脉冲压缩技术，测距精度从米级提高到厘米级［1］。20世纪90年代初期，随着“全球导航卫星系统”（GNSS）和“多普勒轨道确定和无线电定位组合系统”（DORIS）在海洋测高卫星上的应用，精密定轨精度从米级提升到厘米级［2］，至此，厘米级海面高的测量精度才变为现实。高精度的海面高测量信息曾为大地测量学、海洋学等学科的发展带来了革命性的变化［3-4］，然而，传统卫星海洋测高因其固有的技术体制局限性，在满足诸多应用领域需求方面存在的不足越来越明显。为此，多种测高新技术和新体制被相继提出，如宽刈幅测高、多星编队测高、合成孔径测高及Ka频段测高技术等［5-6］。20世纪80年代，我国开始了卫星海洋测高技术的研究，并于2011年8月发射了第1颗海洋测高卫星海洋-2A（HY-2A）卫星，目前仍在继续开展相关研究［7］。

本文探讨了传统卫星海洋测高的局限性，并分析比较了新技术体制的特点，可为我国未来此类卫星发展规划的制定和顶层任务分析提供参考。

2 传统卫星海洋测高的局限性

2.1 时空分辨率低

图1为组成海面高各种地球物理现象的时空分布。从图1中可以看出，海洋现象的时间尺度从几小时到上万年，空间尺度从几百千米到上万千米。根据奈奎斯特采样定理，时空采样间隔要小于观测对象时空尺度的1/2，才能获取观测对象的全部频谱信息。目前，传统海洋测高卫星达到的最高时间分辨率为9.9 d，相邻轨迹空间分辨率最高为3.8 km，分别对应贾森-1（Jason-1）卫星重复周期为9.9 d和406 d的轨道模式。根据奈奎斯特采样定理，在图1中用虚线标出了上述2种轨道模式能够获取观测对象全部频谱信息的时空尺度分界线，即虚线上方和右方观测对象的时空频谱信息是可以完全获取的。不过，这是理论上描述的最佳采样情况，在实际工程中，由于测量噪声的影响，能够获取的时空频谱信息范围将变小。处于虚线左方和下方的海洋现象，采用传统海洋测高卫星获取其频谱信息受到限制。其中，一些海洋现象通常出现在海岸线附近，其频谱信息与人类活动密切相关，如涡旋和锋面、上升流及中小尺度海洋现象等。因此，提高卫星时空分辨率以获取其时空频谱信息是十分必要的。

沿轨迹空间分辨率由雷达高度计的技术特点决定。由于雷达高度计的脉冲回波受到噪声的干扰，通常将1 s内发射的约2000个脉冲回波进行叠加以抑制噪声，从而达到厘米级的测距精度。1 s对应的沿轨迹空间分辨率约为7.0 km，图1中空间尺度在几百米的海洋现象主要为涡旋、锋面和上升流，多出现在近海区域，与人类活动关系更密切。为满足近海区域此类海洋现象的观测，沿轨迹空间分辨率要提高到百米量级，因此，在保证测距精度的同时，要在几十毫秒内叠加约2000个脉冲回波，相当于1 s内发射的脉冲个数达到数万个（即脉冲重复频率达到数万赫兹）。然而，此方法只适用于脉冲回波之间是彼此独立的情况，当脉冲重复频率增加到一定值之后，再继续增加不会带来雷达高度计性能的提升，称此时的脉冲重复频率为有效脉冲重复频率。文献［8］中计算了Ku频段的有效脉冲重复频率在2000 Hz左右，而目前传统雷达高度计的脉冲重复频率均在2000 Hz左右，已达到有效脉冲重复频率，因此，通过增加脉冲重复频率实现沿轨迹空间分辨率的提高已不适用，须采取新的技术途径从根本上解决沿轨迹空间分辨率低的问题。

图1 卫星与海洋现象的时空特征Fig.1 Space and time scales of satellite and ocean phenomena

2.2 时空分辨率矛盾突出

时空分辨率的相互矛盾是对地观测卫星普遍存在的问题，由于雷达高度计具有沿星下点轨迹一维观测的特点，与具有一定刈幅的光学以及合成孔径雷达等成像卫星相比，时空分辨率的矛盾更加突出。例如，Jason-1卫星的2种轨道模式中，重复周期为9.9 d的模式对应的相邻轨迹空间分辨率为157 km，重复周期为406 d的大地测量模式对应的相邻轨迹空间分辨率为3.8 km。

2.3 获取二维矢量谱信息受到限制

涡旋、锋面和上升流等中尺度海洋现象，通常用二维矢量谱来表示，其空间尺度为几米到几十千米，时间尺度为几小时到几个月。然而，由于雷达高度计沿轨迹一维测量的特点，并且相邻轨迹的测量时空间隔较大，无法用其进行二维矢量谱的计算。例如：Jason-1卫星大地测量模式相邻轨迹的空间分辨率为3.8 km，从空间尺度来看，相邻轨迹的测量数据可用于二维矢量谱的测量，但是其测量时间却相差406 d，已远远大于中尺度海洋现象的时间尺度，而卫星的时空分辨率存在矛盾，因此，相邻轨迹数据无法用于获取二维矢量信息。

2.4 近海区域测距精度明显降低

近海区域，雷达高度计回波波形受到陆地回波以及较大有效波高的影响，测距精度明显下降，导致近海几十千米范围内的数据质量较差。例如：目前，传统雷达高度计的最高测距精度是由Jason-2卫星的雷达高度计获得的，在2 m、5 m、10 m、15 m有效波高时的测距精度分别为1.7 cm、3.2 cm、4.2 cm、9.3 cm［9］，采用波形重跟踪的数据处理方法来改善精度。文献［10］中对地中海周边海域的“环境卫星”（Envisat）数据进行处理，测距精度提高了20%～50%，文献［11］中联合“托佩克斯-海神”卫星（TOPEX/Poseidon）和Jason-1的数据反演了我国南海北部的潮汐，精度提高了20%左右。文献［12］中利用欧洲遥感卫星-1（ERS-1）和“测地卫星”（GEOSAT）高相邻轨迹空间分辨率的大地测量数据，对太平洋东部沿岸地区数据进行处理，精度提高了27%～40%。虽然数据处理方法能够在一定程度上提高测距精度，但改善程度十分有限，因此应从测量系统入手，从根本上解决近海区域测量精度低的问题。

3 卫星海洋测高的新技术体制

传统卫星海洋测高技术体制的局限性，促进了新技术体制的不断涌现。针对时空分辨率低和矛盾突出的问题，提出了将干涉成像与传统测高相结合的宽刈幅测高技术体制及多星编队测高技术体制，可以同时获取二维矢量谱信息；针对沿轨迹空间分辨率低的问题，采用将合成孔径技术融入雷达高度计的思想，提出了合成孔径测高技术体制；针对近海区域测距精度低的问题，提出了将载波频率提高到Ka频段的Ka频段测高技术体制。其中，合成孔径测高技术和Ka频段测高技术已有星载工程应用实例。

3.1 宽刈幅测高技术体制

将传统卫星测高技术与干涉合成孔径雷达测高技术结合的宽刈幅测高技术体制，克服传统雷达高度计星下点观测的缺点，实现从一维线测量到二维面测量的转变，以便获取海面的二维矢量信息，扩展观测维度，同时提高时空分辨率。图2中，新型雷达高度计由一个传统雷达高度计和10 m基线的合成孔径雷达干涉仪组成。

图2 宽刈幅测高体制工作原理Fig.2 Operational principle of wide-swath altimetry system

NASA与法国国家空间中心（CNES）联合研制的“陆地水文及海面地形探测任务”（Surface Water and Ocean Topography Mission，SWOT）卫星，将采用上述测高技术体制，计划在2019年发射。其中，传统雷达高度计采用Ku和C频段双频体制，用于进行星下点处的高精度距离测量，以及电离层延迟效应的测量。合成孔径雷达干涉仪采用Ka频段，基线长10 m，用于沿轨迹两侧各60 km幅宽的高程测量，分辨率可达到百米量级。SWOT卫星的轨道高度为1060 km，倾角为78°，重复周期为22 d。在1个重复周期内，可实现全球海域的2次测量，获取百米量级的空间分辨率、厘米级精度的高程信息，为诸多应用领域带来开拓性的变化［13-14］。

3.2 多星编队测高技术体制

文献［15］中提出了一种多星测高编队体制，可实现多维度的差分测量。如图3所示，3颗共面测高小卫星编队飞行，由于地球的自转，星下点轨迹在横向分离，这样不仅可以得到沿轨迹的梯度，还可以得到相邻轨迹的梯度，即在单次飞行任务中就可获得海平面的二维梯度信息。由于数据点的测量时间相差几秒，距离相差几千米，在计算相邻数据点海面高梯度时，大尺度时空特性的误差项被明显削弱（如卫星轨道、大气传输等误差），从而可提高最终海面高及其梯度的测量精度。

图3 3颗卫星组成的海洋测高编队体制Fig.3 Three co-planar satellite formation for altimetry

3.3 合成孔径测高技术体制

将合成孔径技术应用于传统雷达高度计上，利用卫星运动，经多普勒锐化将天线波束变成多个子波束，发射脉冲中的每个子波束在传统圆形天线足迹内形成条带状的波束足迹，即采用合成孔径技术提高沿轨迹空间分辨率（如图4所示，只标出单个脉冲）。

图4 合成孔径测高体制工作原理Fig.4 Operational principle of synthetic aperture altimetry system

由于仅对1个脉冲簇内的脉冲进行孔径合成，其合成孔径长度较短，因此合成孔径雷达高度计的沿轨迹空间分辨率计算不同于普通合成孔径雷达等聚焦雷达。其沿轨迹空间分辨率的计算公式为Δx＝cλTR/（4vSτB），其中c为光速，λ为载波波长，TR为双程传输时间，vS为卫星运动速率，脉冲簇周期τB通常为0.9TR。例如，当轨道高度为800 km时，vS为7452 m/s，对于波长2.2 cm的Ku频段合成孔径雷达高度计，沿轨迹空间分辨率为246 m。

在卫星飞行过程中，条带区域内的目标被子波束依次扫视，将不同位置接收的回波信号进行延迟距离校正后叠加，实现目标的多次测量，提高了信噪比。比起传统回波波形，合成孔径雷达高度计的回波前沿更陡峭，信噪比更高，从而获得更高的测距精度［16］。合成孔径雷达高度计首次于2010年成功搭载在冷卫星-2（Cryosat-2）上，沿轨迹空间分辨率为350 m，测距精度为1 cm［17］。

3.4 Ka频段测高技术体制

Ka频段测高技术体制是将传统雷达测高的载波频率从Ku频段提高到Ka频段，具有以下几点不同特性［18］。

（1）近海区域仍能保持良好测距精度，主要来自以下3个方面原因：①在Ka频段下，海洋回波的去相关时间更短，从而可以设计更高的脉冲重复频率；②电磁波的穿透效应弱化，增加了反射能量，使回波上升沿更加陡峭；③海面电磁偏差效应小。2013年3月，印度和法国联合研制的“数据采集与Ka频段高度计卫星”（SARAL）发射升空，搭载了毫米波雷达高度计，有效波高为2 m和10 m（近海区域）时，对应的测距精度分别为0.8 cm和1.4 cm［9］，与第2.4小节中提到的传统雷达高度计相比，性能明显提升。

（2）无需电离层校正。电离层延迟效应和频率的平方成正比，一般情况下，电离层对Ka频段可以造成大约0.02 ns（相当于3 mm）的延迟，基本可以忽略。对于极端恶劣的情况，可以利用GNSS或DORIS进行电离层延迟校正。

（3）Ka频段对降雨敏感，可用来估计海洋上雨量较小的降雨，有助于完善海洋降雨及气候学方面的知识。不过，较大的降雨会导致Ka频段测量失效。

（4）对误指向角更敏感，因此，对卫星姿态控制系统提出了更高的要求。

4 新技术体制的发展趋势

高观测精度、高时间分辨率、高空间分辨率是卫星海洋测高发展的必然要求，已提出的新技术体制都是围绕上述要求展开的。从目前的发展趋势看，存在2种并行的发展方向。

（1）综合型测高技术体制。这类体制可以不同程度地兼顾和融合多领域的应用，如兼顾海洋动力信息和海洋重力场信息的测量，还能一定程度地实现陆地高程测量；但要在多种应用指标间进行综合权衡，难以保证所有应用指标均是最优的，同时单颗卫星的工程实施难度、复杂度及风险都相对较大。例如：SWOT卫星22 d轨道重复周期的确定，是兼顾海洋多种信息测量后权衡优化的结果，与专注于海洋动力信息测量的T/P系列卫星10 d的重复周期相比，SWOT卫星的时间分辨率（重复周期）不是最佳的。

（2）专题应用的测高技术体制。针对海洋、测绘、水文、冰川等领域中的专题应用，提高专项性能指标以满足应用需求，卫星有效载荷、轨道、平台的设计均围绕专项性能指标的保证开展。这类体制非常适合采用小卫星平台，其灵活机动的特点对不同专题应用需求具有良好的适应性，结合卫星组网和编队技术，能够具备时空分辨率灵活调整的能力，工程实施难度、复杂度及风险都相对较小。例如，SARAL卫星在试验新型载荷Ka频段雷达高度计的基础上，旨在解决近海区域测距精度低的问题；采用印度微小卫星-2（IMS-2）平台，质量为350 kg。

我国已经成功发射海洋二号卫星在轨稳定运行，验证了海洋测高技术体制的可行性和应用效能，为我国未来卫星海洋测高的发展奠定了良好的技术基础。在此基础上，在发展我国后续卫星海洋测高时，一方面，要进一步提高专项性能指标，以满足专业部门专题应用时的高精度要求；另一方面，充分考虑综合应用部门的需求，融合不同的技术体制，实现不同应用领域的一定程度的兼容。在制定具体发展规划时，应当按照解决急需、先易后难、分步实施的原则，设计出未来技术发展路线图。

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（编辑：夏光）

Research on Development of Satellite Altimetry Technology Systems

LI Yang1ZHANG Running1WAN Xiaoyun2HOU Xiaojin1LI Fang1
（1 DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）
（2 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，Beijing 100094，China）

The limitations of conventional altimetry are discussed，such as low temporal and spatial resolution，low ranging accuracy and constrained measurements of two-dimensional information，etc.To overcome these traditional limitations，new technology systems are analyzed，such as wide-swath ocean altimetry，altimeter constellation，delay-doppler altimetry and Ka-band altimetry.Finally，two development trends of satellite altimetry are given，namely integrated altimeter technology system which can be used for various applications and altimeter technology system which are dedicated to the particular application.

satellite altimetry；technology system；radar altimeter

V474.2；P228

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.015

2014-11-18；

：2015-04-09

国家自然科学基金（41404019）

李洋，女，博士研究生，研究方向为航天器总体设计。Email：liyangcau@sina.com。