中国海洋卫星雷达高度计海上定标场建设初探

蒋兴伟，林明森，宋庆君

(国家卫星海洋应用中心 北京 100086)



中国海洋卫星雷达高度计海上定标场建设初探

蒋兴伟，林明森，宋庆君

(国家卫星海洋应用中心 北京 100086)

文章通过对卫星雷达高度计定标方法和定标内容的描述，跟踪调研国际上业务化的高度计定标场的配置和定标结果，提出我国海洋卫星高度计定标场建设基本思路，同时对定标场周边海区影响高度计定标的地球物理参数和水文气象参数进行初步分析，确定我国海上定标场的基本配置方案，将为我国海洋卫星雷达高度计海上定标场建设提供基本依据和参考。

雷达高度计；定标；海上定标场

星载雷达高度计自出现以来，发展迅速且受到越来越多的关注，而众多环境动力卫星的成功运行，更是获得了宝贵的全球分布的观测数据。1992 年运行的T/P卫星则达到前所未有的2.5 cm 测距精度[1]，Jason-2卫星不仅在海洋动力地形研究方面发挥不可替代的作用， 同时也在其他研究领域产生重要的影响。除传统高度计之外，宽幅成像高度计更具有优势，如计划中的地表水和海洋地形任务[2-3]，其能提供2-D海面地形信息，通过其可获得120 km宽度的刈幅，由此可以得到更多物理海洋结构的细节特征(中小尺度～100 km)。

高度计的发展已有40余年，众多高度计的发展极大地促进海洋科学、地球物理、大地测量等诸多领域的发展[4-5]，而今后几年高度计将迎来更迅猛的发展。我国的HY-2A卫星自发射至今已过4年，目前HY-2B卫星和HY-2C卫星也已立项，同时我国的验证性的宽幅成像高度计任务也将于近年发射，可以预测高度计的应用也将呈井喷之势。对于海平面上升，雷达高度计具有不可替代的作用，在1993—2010年的18年间，通过高度计估算的海平面提升为每年3.3 mm±0.5 mm[6]，这就要求高度计年内的精度验证达到2～3 mm[7]，只有依托业务化运行的定标场才能实现这样的精度验证。

我国首颗海洋动力环境卫星——海洋二号(HY-2)于2011年8月16日成功发射。其能够全天候、全天时进行全球探测，获取包括海面风场、浪高、海流、海温等多种海洋动力环境参数，直接为灾害性海况预警预报提供实测数据，并为海洋防灾减灾、海洋权益维护、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋科学研究以及国防建设等提供支撑服务[8]。目前在轨运行的海洋动力环境卫星仅剩下HY-2、Jason-2 和 SARAL，对HY-2进行精确定标就可以同其他两颗卫星测高数据进行更有效的全球范围内的数据融合，丰富雷达高度计全球观测数据，同时能有效弥补国际上同类微波遥感卫星数据的不足(HY-2上搭载微波散射计，这也作为其独有的特色，获取更大范围的海面风场数据)，在全球对地观测体系中发挥不可替代的重要作用，可为研究全球气候变化提供重要科学依据。

我国HY-2A目前在轨运行良好，且根据众多数据分析和对比表明HY-2A卫星高度计测高精度可靠，并已达到国际先进行列，但目前尚未给出可靠的定标参数，关于HY-2A测距偏差和时钟漂移目前都是参考Jason-2提供的，因此建设我国的高度计定标场迫在眉睫。同比国外，无论是T/P以及后续的Jason系列，还是现在的Ka单频高度计SARAL，其较高的产品精度均来自大量的地面定标场观测，这些定标场虽分属不同组织，但基本都同时给类似的高度计卫星做绝对定标和真实性检验。

1 卫星雷达高度计定标内容

1.1 雷达高度计定标流程

作为一复杂系统，雷达高度计观测较多的数据产品，包括海面高度(Sea Surface Height ，SSH)、海面风速(由后向散射系数反演)、海洋有效波高等，这些数据均需要产品检验和算法定标。其中海面高度定标从理论而言其实质就是对高度计测距偏差的修正，之所以用海面高度进行标定，主要原因是此项偏差直接反映在海面高度中，同时现场的海面高度观测更容易实现；除海面高度这种间接观测方式以外，利用脉冲转发器可以直接对高度计的测距进行标定。对于风速的标定可以从两个方面来实现：首先是将高度计反演的风速和浮标等一些现场实测的数据进行比对和统计；其次在算法确定情况下对高度计的后向散射系数进行标定，有效波高需要利用现场浮标观测数据进行标定；同海面高度的定标相比，后向散射系数的定标对定标场的依赖性相对较低，而有效波高的定标更依赖于雷达高度计的回波波形。通用的雷达高度计定标流程如图1所示。从图1中可以看出海面高度定标在大气和海况的修正需要严格考虑，而其他高度计产品则没有必要考虑更多的大气影响。

图1 卫星雷达高度计定标流程

1.2 雷达高度计绝对定标方法

高度计系统中最为关键的观测量是海面高度，但为反演更精确的海面高度，卫星上还需要协同搭载一些观测辅助数据的仪器，这些辅助数据可用来对高度计测距的误差项进行修正。传统意义的高度计点目标定标几何示意如图2所示。通常定标点都具有现场海面高程(或者大地高程)的直接或间接测量装置或设备，而理想情况下这个定标点应该在高度计轨道轨迹下方。由于电磁波在大气层中传播受到各大气组分影响(包括对流层的干、湿大气，电离层的电子密度)，并且在海平面也会产生一定的调制作用(海况造成的测距延迟以及回波追踪的偏差)，因此高度计测量的海面高需要经过一定的数据校正。现场测量的海面高(SSHsitu)与高度计测量的海面高(SSHalt)的偏差就是高度计海面高绝对定标偏差量，即：

SSHbias=SSHalt-SSHsitu

根据图2中的描述，高度计测量海面高应为：

式中：h代表精密定轨的轨道高度；R代表雷达高度计测距；下标dry、wet、ion、ssb分别代表干对流层、湿对流层、电离层、海况偏差对高度计测距的影响来源，不同于产品生产，高度计海面高度定标时这些修正量的影响因子需要定标场现场观测给出。

图2 高度计定标的几何示意

海面高度定标通用现场外定标方式有以下4种，包括：①利用离岸星下点布放GNSS浮标同步观测海面高度来进行比对和统计(直接法)；②通过压力验潮仪来进行比对和分析(直接法+间接法)；③利用岸基验潮仪把观测的水位外推至高度计星下点来确定偏差(间接法)；④通过在星下点布放脉冲转发器，脉冲转发器可以直接量测高度计的测距最终确定偏差(直接法将定标地点改到陆地上)。

高度计后向散射系数是高度计风速反演的基础物理量，其数值的绝对定标直接影响风速反演的精度。对后向散射系数进行定标就是确定归一化雷达散射截面积σ0的测量绝对值，常用定标方法有3种：①通过有源定标器(transponder)进行绝对定标，该方法利用地面转发设备同步观测，由于测量的诸多环节质量把控较高，故定标精度较高，因此应作为高度计σ0绝对定标的首选方法[9-10]；②在现场海面观测时，可选择标定过的散射计或者同类型高度计对同一海面目标进行测量，散射计观测值可校准定标高度计测量值[11-12]；③在高度计噪声接收模式下，联合星上辐射计，通过线性回归来拟合其接收功率的模型，并计算后向散射系数[13]。

2 国外高度计定标场进展

自1992年美国的T/P高度计发射以后，全球就有3个业务化的高度计现场定标场，分别是美国Harvest石油平台、法国科西嘉岛(Corsica)、澳大利亚巴士海峡(Bass Strait)；卫星高度计定标服务延续到后来的Jason系列卫星[14]，随着Jason系列卫星的推进，又新成立一个业务化定标场，即希腊加夫多斯(Gavdos)定标场。其中：Harvest石油平台利用直接现场测量方法对T/P、Jason-1/2系列进行定标，仪器配置包括验潮站和辐射计，此定标场的优势是验潮站位于星下轨迹；科西嘉岛和巴士海峡定标场分别用间接和直接方法进行高度计定标；加夫多斯岛定标场是新建的专用定标场，由欧盟、NASA-GSFC和瑞士政府联合进行资助，用间接和直接方法进行高度计定标，同时该定标场也配备有高度计有源定标器[15]，此定标场优势是升降轨交点、配有有源定标器。

2.1 美国Harvest平台定标场

Harvest石油平台自1992年起启用，由于其长期稳定可靠的数据观测，对T/P、Jason-1/2的绝对定标发挥重要作用。由PXP(Plains Explorationand Production)公司拥有的石油平台位于美国加利福尼亚州西海岸离岸约10 km、水深200 m处，石油平台锚系在海床底部重约30 000 t。石油平台是典型的开海环境，平均有效波高为2～3 m，平均风速6 m/s。平台上安装的主要仪器为3 个验潮仪、水汽辐射计、水深传感器和气象观测仪器等，由NOAA负责运行管理，完备的仪器设备和长期的良好维护使得石油平台提供独特重要的观测数据[16]。Harvest平台最引人注目的成果是，利用长期在平台上进行的大地测量、海洋环境参数进行序列分析，给出各星载高度计测量海面高度的绝对偏差。连续17年的校准记录表明，T/P的海面高度偏差在15 mm左右，Jason-1偏差为94 mm±15 mm，而Jason-2偏差为178 mm±16 mm[17-18]。

2.2 法国科西嘉岛定标场

科西嘉岛定标场位于法国科西嘉岛南部，最初为T/P和Jason-1提供监测，场区后来进行扩建(从最初的Senetosa站点又增加Ajaccio和Capraia站点)，并实现对ENVISAT进行监测。由于站点距离较近，可以很好地利用同一GPS浮标对不同任务进行标定，基于这些站点和设备的扩展又研究发展了区域定标方法[19]。为更高精度地观测水位，Bonnefond等对沿轨的大地水准面进行独立的测量，由此可实现基于间接方法的高度计定标[20-21]。自2000年起，利用布放的GPS浮标实现直接观测的高度计定标，基于以上仪器以及观测数据Bonnefond等也展示了直接方法和间接方法结合的定标方案。其结果表明Jason-1的SSH偏差为120 mm±9 mm，Jason-2偏差为190 mm±8 mm[21]。

2.3 澳大利亚巴士海峡定标场

巴士海峡定标场地理位置特殊，是唯一坐落在南半球的高度计定标场，位于澳大利亚大陆的东南角，水深范围为60～80 m(场区约51 m)，为T/P和Jason-1/2提供长期稳定的定标。和前述两个专用定标场不同，巴士海峡定标场位于高度计下降轨道，Watson提出一种新的间接和直接途径结合的定标方法进行高度计定标[22]。其最初的研究为1992年T/P在轨测试阶段，采用岸基验潮仪间接观测的方法来对高度计海面高度进行定标[23]，但其缺陷为缺乏高度计星下点的水位观测数据；后来为配合Jason-1任务，巴士海峡定标场进行设备更新和定标方法的改进，论证巴士海峡定标场的重要意义，也为其他定标场提供借鉴。巴士海峡的定标结果表明，T/P的SSH偏差为-6 mm±18 mm， Jason-1偏差为93 mm±15 mm， Jason-2偏差为172 mm±18 mm[24]。

2.4 希腊加夫多斯定标场

希腊的加夫多斯海上定标场位于希腊克里特岛以南50 km处，由希腊克里特理工大学建立和维护。加夫多斯定标场是目前唯一的位于Jason卫星高度计交叉点，且毗邻Envisat卫星高度计和SARAL/Altika卫星高度计星下点的定标检验场，该定标场布放国际首颗长期运行的高度计有源定标器[25]。加夫多斯定标场是一个绝对海平面监测和高度计定标的永久设施，定标场的测量仪器包括验潮仪、GPS基站、DORIS、激光测距仪(SLR)、水汽辐射计、太阳大气光谱仪、GPS浮标、有源定标器、波浪仪、太阳能风能发电设施和控制通信设施等。其观测结果表明，Jason-1的海面高度测量偏差为103.6 mm±4.7 mm，Jason-2偏差为181.9 mm±6.7 mm[15]；有源定标器技术的应用给该定标场提供另一个可靠的高度计定标方案，该定标场通过有源定标器给出Jason-2的海面高度绝对偏差为258 mm±3 mm[26]。

3 我国万山定标场

我国HY-2卫星发射已有4年多，因缺少基于现场的卫星高度计绝对定标结果，未能加入多颗高度计卫星融合海面高度产品；海面高度融合产品对海洋学应用意义更加重大，因此定标场建设迫在眉睫。定标场建设是一个系统性的工程，要考虑诸多的因素，在综合考虑高度计的扫描足印、升降轨道特性、离岸远近、海洋动力特征、水下地形、航运区域、补给通信以及其他配套设施等众多因素条件下，进行高度计定标场的选划研究，最终遴选出最优的选址方案——万山群岛定标场。

万山群岛中的直湾岛正好是HY-2A高度计地面轨迹升轨经过的地方，选择的主场区位于群岛南侧约20 km处；该海域处于珠江口门最外侧，平均水深不到40 m，年平均有效波高不超过2 m，年平均风速约6 m/s，场区适合直接或间接测量法高度计海面高度定标以及高度计其他产品检验。根据需求，该场区将建设永久性验潮仪、GPS基站、水汽辐射计、GPS浮标、波浪仪以及有源定标器等定标设备，将有效满足我国海洋卫星高度计定标需求。

3.1 场区大地水准面分析

定标场区地球物理参数是在现场海面高度绝对定标中的主要影响因素。大地水准面是地球物理参数中影响最大的参数，其依赖的重力模型经历GEM-10B、GEM系列、JGM系列、EGM96，目前最新的大地水准面模型为由美国国家地球空间情报局发布的EGM2008。其中EGM96和EGM2008是目前最为常用的两个模型，T/P、Jason-1/2以及Saral都用EGM96模型，而HY-2A使用目前精度和分辨率最高的EGM2008模型。依据已有的EGM2008模型对万山场区的大地水准面进行分析，提取沿轨道的大地水准面的分布，可知沿轨迹大地水准面的变化情况。

从近岸到离岸较远海区，大地水准面变化较大，基本呈现的是从担杆岛到外海大地水准面逐渐增大。结果显示，从担杆岛向外20 km余，大地水准面变化也达到约40 cm，即沿轨迹方向每千米大地水准面变化2 cm，而高度计观测的精度要求是几个厘米，这也对定标场区的大地水准面精度提出更高的要求，该场区的大地水准面测量正在进一步细化。

3.2 场区水文气象条件分析

水文气象要素主要包括潮汐、海流、波浪和风场的影响，这些因素共同特点是具有显著的时空变化特征，都会影响海面高度的现场观测，进而影响现场定标的结果，这些外在的环境因素都是高度计现场定标必须考虑的因素。

为定量化分析潮汐对高度计定标的影响，根据数据分析，分别选取3个数据点：距离担杆岛5 km的高度计星下点、距离担杆岛10 km的高度计星下点和距离担杆岛20 km的高度计星下点，以2 d的潮位变化数据进行对比和统计(图3)。显然，在距离担杆岛20 km处的高度计星下点和担杆岛之间在高高潮时刻的潮位差最大超过5 cm，即使在更普遍情况下也在1 cm以上(平均为1.61 cm，其中60%以上的时间大于1 cm)；在距离担杆岛10 km处的星下点同时刻潮位差最大为2 cm(平均为6.9 mm)；而距离担杆岛5 km处和沿岛同时刻的水位差最大值也小于1 cm(平均为3.1 mm)。根据以上模拟结果的统计，以及之前对高度计有效采样点的统计，有效高度计采样点距离担杆岛20 km；如果采用岸基验潮仪对高度计观测，则会由于不同地方同时刻潮差带来最多5 cm的误差，而在近岸5 km范围内高度计和验潮仪观测的一致性很好，此时用岸基验潮仪就可对高度计进行标定。

图3 距离担杆岛20 km、10 km和5 km点处的同时刻潮差

海水的流动会对高度计现场定标产生影响，根据对200余天沿岸流的数据观测，典型的沿岸流流速约为5 cm/s，极值能到10 cm/s以上，按照20 km的距离来计算，极端情况下由于海流引起的水位差约为1.5 cm，而10 km和5 km远的距离带来的误差小于1 cm，在更普遍情况下小于5 mm，因此对于距离较远的数据对比点来说，海流的观测将会非常重要。

水文气象要素中除潮汐和沿岸流引起沿岸不同海域海面高度有差异之外，风增水也是一个重要考虑因素。风增水就是在风应力作用下海面高度升高的一种现象。根据担杆岛定标场特性统计风应力对定标结果的影响，其中从海岛向外海水深逐渐增加，距离担杆岛20 km处水深约为40 m，近岸5 km处水深约为20 m，认为水深随距离线性增加，则不同风应力下海面高度测量之差在风应力最大月份1月、在20 km远处可达1 cm，而在其他月份都远小于1 cm，完全可以忽略不计。

在开阔海域对高度计进行定标，海浪是必须考虑的因素，波浪对高度计海面高度现场定标的影响体现在两方面：①在利用GNSS浮标进行星地数据匹配对比时，海浪的大小会影响现场观测，较高海况会降低GNSS解算精度，同时海况高度在一定范围时GNSS浮标将不适宜工作。②海面存在波浪时，高度计的观测也会带来误差即海况偏差，目前业务化高度计数据所使用的海况偏差主要是水深较深的开阔海域数据拟合结果，在近岸地区势必会对高度计海面高度的反演带来误差。根据统计结果，担杆岛10年的有效波高分布，距离担杆岛20 km星下点处有33.63%的时间是有海况高于3级，说明该海域适合做高度计定标的有效时间比较多。

4 万山定标场基本建设思路

根据上述对万山高度计定标场的分析以及观测需求，同时考虑到长期的高度计海面高度定标的效率，即最大可能获取更多的有效观测数据，在较短的时间之内更有效精确地确定时钟漂移和雷达高度计测距偏差，同时采用直接法与间接法高度计定标方案建设万山海上定标场。

对4种不同高度计现场定标方案进行对比，可看出：①实施基础为GNSS浮标。优点是定标实施过程简单，观测点在星下位置，受地球物理参数影响较弱；缺点是必须有人值守，受制于海况，获取海面高度的方式单一，总体而言获得有效样本数较少。②实施基础为离岸压力验潮仪。优点是多种途径实现海面高度的观测，可实现无人值守的自动观测运行；缺点是仪器配置复杂，海上自动浮标等设备需要定期进行维护和定标。③实施基础为岸基验潮站。优点是仪器配置、运行、维护均非常简单，不受制于海况。缺点是受约束于区域潮汐、大地水准面模型、水下地形数据以及近海水文气象参数差异。④实施基础为有源定标器。优点是仪器配置简单，有效标定测距偏差和时钟漂移，无需考虑海况偏差；缺点是对轨道预报精度要求高，由于轨道预报而导致有效样本数量较少。

4种方案中优点最为明显的是离岸压力验潮仪(典型应用：澳大利亚巴士海峡定标场)，其显著的特点是更多有效的观测数据，可实现无人值守，更有利于长期业务化的高度计海面高度标定；同时单次定标观测中能获取较多的观测样本，即通过GNSS浮标、通过星下点压力验潮设备和通过岸基的验潮井，并且通过后期技术的进一步提升，利用岸基的验潮仪可提供分布式定标(典型应用：法国科西嘉岛定标场和希腊加夫多斯定标场)。

基于GNSS浮标和岸基验潮站的方案仪器配置都比较简单，但是较少的观测仪器不利于长期业务化定标任务的实现，场区多复杂的大气以及海洋动力环境的影响会带来一定的误差。基于有源定标器的定标方案对于轨道预报精度要求较高，直接的影响是有效的观测数据获取概率较低，现阶段快速提高轨道预报精度存在较大困难。

观测设备的配置主要是两个方面：一是数量配置，即不同或者相同的观测仪器数量上的多寡，在很多情况下仅用一台设备无法满足精确观测的需求，尤为典型的是水位观测设备和GNSS基站；二是各个观测设备的地理位置以及安放，高度计定标场现场观测的目标是更精确更有效地进行高度计海面高度的标定，仪器的位置很大程度上影响定标的精确性和有效性，以GNSS基站以及验潮设备、浮标等影响最为显著。

由于不同观测的需求，不同的观测设备需要进行合理的布放和组合，通过地理位置的合理布局来减少相应的误差。其中最为典型的为GNSS基站的位置，在万山定标场布设4个基站、1个浮动的GNSS接收机，其布局如图4所示。这样的布局充分考虑到已有的海岛分布，高度计观测点自20 km处向担杆岛靠近再到远离担杆岛，基本能保证最短基线长度维持在10 km之内。高度计海面高度是通过GNSS动态差分解计算的，通过多条基线(沿轨迹有多个GNSS基站)差分解的平差，可提高GNSS浮标海面高度测量的精度。

图4 GNSS基站地理位置

除担杆列岛之外其他观测仪器比较集中的地方为离岸约20 km远的高度计星下点，此位置配置了众多的海面以及海底等观测设备(图5)：①气象浮标，主要作用为常规气象参数测量，提供表面观测设备固定平台，其上还配置一个GNSS接收机，以期能观测星下点位置垂向积分水汽和电离层电子含量。②GNSS浮标，主要作用为直接测量海面高和监视压力验潮仪状态，浮标通过轻质缆绳与气象浮标相连。③压力验潮仪，主要作用为星下点长期无人值守的海面高度测量，通过GNSS浮标来实现压力验潮仪的基准面确定，同时压力验潮仪需要与GNSS浮标进行定期协同观测来精确和定量确定压力验潮仪底座随海床基发生的沉降。④锚系的辅助参数观测设备，主要包括温度、盐度和海流以及波浪，万山高度计定标场处于珠江口河口地区，是淡水和海水交汇的地区，海水的盐度和温度造成的海水密度变化影响水下验潮仪的压力和表面浮标的浮力，最终影响海面高度的测量精度，而海流会带来海面压力梯度。

图5 万山高度计定标场离岸星下点观测设备配置

5 结论

本文分析雷达高度计的绝对定标内容和方法，调研比较国际上业务化运行的高度计定标场，分析万山定标场周边海区对高度计定标影响较大的地球物理参数和水文气象参数，确定万山定标场可以满足现阶段我国海洋卫星高度计的定标需求，并借鉴国外定标场的成功经验，提出万山海洋卫星高度计定标场建设的基本思路，计划将万山定标场建设成一个直接法和间接法结合定标的综合站点，同时开展高度计有源定标器同期对比试验。

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On the Construction of China’s Ocean Satellite Radar Altimetry Calibration Site

JIANG Xingwei，LIN Mingsen，SONG Qingjun

(National satellite ocean application service，Beijing 100086，China)

Calibration site services a vital function to satellite altimeter.Based on the study on method and content of calibration for satellite radar altimeter，and investigation on the configuration and results from operational absolute calibration sites，the fundamental framework for national satellite altimeter calibration site was proposed.The specified configuration for domestic satellite altimeter calibration site was came up with based on the analysis and discussion of geophysical environment impacts.Consequently，this study would offer technical and theoretic supports and basic reference to construct calibration site for satellite altimeter.

Radar altimeter，Calibration，Marine calibration site

2016-01-28；

2016-05-10

HY-2A地面应用系统；国家国际科技合作专项课题(2014DFA21710).

蒋兴伟，研究员，博士，研究方向为海洋遥感应用，电子信箱：xwjiang@mail.nsoas.org.cn

宋庆君，副研究员，硕士，研究方向为海洋遥感辐射校正与真实性检验，电子信箱:kingdream@mail.nsoas.org.cn

P71

A

1005-9857(2016)05-0008-08