中國海洋衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)海上定標(biāo)場建設(shè)初探

蔣興偉，林明森，宋慶君

(國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 北京 100086)

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中國海洋衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)海上定標(biāo)場建設(shè)初探

蔣興偉，林明森，宋慶君

(國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 北京 100086)

文章通過對衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)方法和定標(biāo)內(nèi)容的描述，跟蹤調(diào)研國際上業(yè)務(wù)化的高度計(jì)定標(biāo)場的配置和定標(biāo)結(jié)果，提出我國海洋衛(wèi)星高度計(jì)定標(biāo)場建設(shè)基本思路，同時對定標(biāo)場周邊海區(qū)影響高度計(jì)定標(biāo)的地球物理參數(shù)和水文氣象參數(shù)進(jìn)行初步分析，確定我國海上定標(biāo)場的基本配置方案，將為我國海洋衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)海上定標(biāo)場建設(shè)提供基本依據(jù)和參考。

雷達(dá)高度計(jì)；定標(biāo)；海上定標(biāo)場

星載雷達(dá)高度計(jì)自出現(xiàn)以來，發(fā)展迅速且受到越來越多的關(guān)注，而眾多環(huán)境動力衛(wèi)星的成功運(yùn)行，更是獲得了寶貴的全球分布的觀測數(shù)據(jù)。1992 年運(yùn)行的T/P衛(wèi)星則達(dá)到前所未有的2.5 cm 測距精度[1]，Jason-2衛(wèi)星不僅在海洋動力地形研究方面發(fā)揮不可替代的作用， 同時也在其他研究領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響。除傳統(tǒng)高度計(jì)之外，寬幅成像高度計(jì)更具有優(yōu)勢，如計(jì)劃中的地表水和海洋地形任務(wù)[2-3]，其能提供2-D海面地形信息，通過其可獲得120 km寬度的刈幅，由此可以得到更多物理海洋結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征(中小尺度～100 km)。

高度計(jì)的發(fā)展已有40余年，眾多高度計(jì)的發(fā)展極大地促進(jìn)海洋科學(xué)、地球物理、大地測量等諸多領(lǐng)域的發(fā)展[4-5]，而今后幾年高度計(jì)將迎來更迅猛的發(fā)展。我國的HY-2A衛(wèi)星自發(fā)射至今已過4年，目前HY-2B衛(wèi)星和HY-2C衛(wèi)星也已立項(xiàng)，同時我國的驗(yàn)證性的寬幅成像高度計(jì)任務(wù)也將于近年發(fā)射，可以預(yù)測高度計(jì)的應(yīng)用也將呈井噴之勢。對于海平面上升，雷達(dá)高度計(jì)具有不可替代的作用，在1993—2010年的18年間，通過高度計(jì)估算的海平面提升為每年3.3 mm±0.5 mm[6]，這就要求高度計(jì)年內(nèi)的精度驗(yàn)證達(dá)到2～3 mm[7]，只有依托業(yè)務(wù)化運(yùn)行的定標(biāo)場才能實(shí)現(xiàn)這樣的精度驗(yàn)證。

我國首顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星——海洋二號(HY-2)于2011年8月16日成功發(fā)射。其能夠全天候、全天時進(jìn)行全球探測，獲取包括海面風(fēng)場、浪高、海流、海溫等多種海洋動力環(huán)境參數(shù)，直接為災(zāi)害性海況預(yù)警預(yù)報(bào)提供實(shí)測數(shù)據(jù)，并為海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)、海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋科學(xué)研究以及國防建設(shè)等提供支撐服務(wù)[8]。目前在軌運(yùn)行的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星僅剩下HY-2、Jason-2 和 SARAL，對HY-2進(jìn)行精確定標(biāo)就可以同其他兩顆衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)進(jìn)行更有效的全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)融合，豐富雷達(dá)高度計(jì)全球觀測數(shù)據(jù)，同時能有效彌補(bǔ)國際上同類微波遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不足(HY-2上搭載微波散射計(jì)，這也作為其獨(dú)有的特色，獲取更大范圍的海面風(fēng)場數(shù)據(jù))，在全球?qū)Φ赜^測體系中發(fā)揮不可替代的重要作用，可為研究全球氣候變化提供重要科學(xué)依據(jù)。

我國HY-2A目前在軌運(yùn)行良好，且根據(jù)眾多數(shù)據(jù)分析和對比表明HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)測高精度可靠，并已達(dá)到國際先進(jìn)行列，但目前尚未給出可靠的定標(biāo)參數(shù)，關(guān)于HY-2A測距偏差和時鐘漂移目前都是參考Jason-2提供的，因此建設(shè)我國的高度計(jì)定標(biāo)場迫在眉睫。同比國外，無論是T/P以及后續(xù)的Jason系列，還是現(xiàn)在的Ka單頻高度計(jì)SARAL，其較高的產(chǎn)品精度均來自大量的地面定標(biāo)場觀測，這些定標(biāo)場雖分屬不同組織，但基本都同時給類似的高度計(jì)衛(wèi)星做絕對定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)。

1 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)內(nèi)容

1.1 雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)流程

作為一復(fù)雜系統(tǒng)，雷達(dá)高度計(jì)觀測較多的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括海面高度(Sea Surface Height ，SSH)、海面風(fēng)速(由后向散射系數(shù)反演)、海洋有效波高等，這些數(shù)據(jù)均需要產(chǎn)品檢驗(yàn)和算法定標(biāo)。其中海面高度定標(biāo)從理論而言其實(shí)質(zhì)就是對高度計(jì)測距偏差的修正，之所以用海面高度進(jìn)行標(biāo)定，主要原因是此項(xiàng)偏差直接反映在海面高度中，同時現(xiàn)場的海面高度觀測更容易實(shí)現(xiàn)；除海面高度這種間接觀測方式以外，利用脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器可以直接對高度計(jì)的測距進(jìn)行標(biāo)定。對于風(fēng)速的標(biāo)定可以從兩個方面來實(shí)現(xiàn)：首先是將高度計(jì)反演的風(fēng)速和浮標(biāo)等一些現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和統(tǒng)計(jì)；其次在算法確定情況下對高度計(jì)的后向散射系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，有效波高需要利用現(xiàn)場浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定；同海面高度的定標(biāo)相比，后向散射系數(shù)的定標(biāo)對定標(biāo)場的依賴性相對較低，而有效波高的定標(biāo)更依賴于雷達(dá)高度計(jì)的回波波形。通用的雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)流程如圖1所示。從圖1中可以看出海面高度定標(biāo)在大氣和海況的修正需要嚴(yán)格考慮，而其他高度計(jì)產(chǎn)品則沒有必要考慮更多的大氣影響。

圖1 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)流程

1.2 雷達(dá)高度計(jì)絕對定標(biāo)方法

高度計(jì)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的觀測量是海面高度，但為反演更精確的海面高度，衛(wèi)星上還需要協(xié)同搭載一些觀測輔助數(shù)據(jù)的儀器，這些輔助數(shù)據(jù)可用來對高度計(jì)測距的誤差項(xiàng)進(jìn)行修正。傳統(tǒng)意義的高度計(jì)點(diǎn)目標(biāo)定標(biāo)幾何示意如圖2所示。通常定標(biāo)點(diǎn)都具有現(xiàn)場海面高程(或者大地高程)的直接或間接測量裝置或設(shè)備，而理想情況下這個定標(biāo)點(diǎn)應(yīng)該在高度計(jì)軌道軌跡下方。由于電磁波在大氣層中傳播受到各大氣組分影響(包括對流層的干、濕大氣，電離層的電子密度)，并且在海平面也會產(chǎn)生一定的調(diào)制作用(海況造成的測距延遲以及回波追蹤的偏差)，因此高度計(jì)測量的海面高需要經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)校正?，F(xiàn)場測量的海面高(SSHsitu)與高度計(jì)測量的海面高(SSHalt)的偏差就是高度計(jì)海面高絕對定標(biāo)偏差量，即：

SSHbias=SSHalt-SSHsitu

根據(jù)圖2中的描述，高度計(jì)測量海面高應(yīng)為：

式中：h代表精密定軌的軌道高度；R代表雷達(dá)高度計(jì)測距；下標(biāo)dry、wet、ion、ssb分別代表干對流層、濕對流層、電離層、海況偏差對高度計(jì)測距的影響來源，不同于產(chǎn)品生產(chǎn)，高度計(jì)海面高度定標(biāo)時這些修正量的影響因子需要定標(biāo)場現(xiàn)場觀測給出。

圖2 高度計(jì)定標(biāo)的幾何示意

海面高度定標(biāo)通用現(xiàn)場外定標(biāo)方式有以下4種，包括：①利用離岸星下點(diǎn)布放GNSS浮標(biāo)同步觀測海面高度來進(jìn)行比對和統(tǒng)計(jì)(直接法)；②通過壓力驗(yàn)潮儀來進(jìn)行比對和分析(直接法+間接法)；③利用岸基驗(yàn)潮儀把觀測的水位外推至高度計(jì)星下點(diǎn)來確定偏差(間接法)；④通過在星下點(diǎn)布放脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器，脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器可以直接量測高度計(jì)的測距最終確定偏差(直接法將定標(biāo)地點(diǎn)改到陸地上)。

高度計(jì)后向散射系數(shù)是高度計(jì)風(fēng)速反演的基礎(chǔ)物理量，其數(shù)值的絕對定標(biāo)直接影響風(fēng)速反演的精度。對后向散射系數(shù)進(jìn)行定標(biāo)就是確定歸一化雷達(dá)散射截面積σ0的測量絕對值，常用定標(biāo)方法有3種：①通過有源定標(biāo)器(transponder)進(jìn)行絕對定標(biāo)，該方法利用地面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備同步觀測，由于測量的諸多環(huán)節(jié)質(zhì)量把控較高，故定標(biāo)精度較高，因此應(yīng)作為高度計(jì)σ0絕對定標(biāo)的首選方法[9-10]；②在現(xiàn)場海面觀測時，可選擇標(biāo)定過的散射計(jì)或者同類型高度計(jì)對同一海面目標(biāo)進(jìn)行測量，散射計(jì)觀測值可校準(zhǔn)定標(biāo)高度計(jì)測量值[11-12]；③在高度計(jì)噪聲接收模式下，聯(lián)合星上輻射計(jì)，通過線性回歸來擬合其接收功率的模型，并計(jì)算后向散射系數(shù)[13]。

2 國外高度計(jì)定標(biāo)場進(jìn)展

自1992年美國的T/P高度計(jì)發(fā)射以后，全球就有3個業(yè)務(wù)化的高度計(jì)現(xiàn)場定標(biāo)場，分別是美國Harvest石油平臺、法國科西嘉島(Corsica)、澳大利亞巴士海峽(Bass Strait)；衛(wèi)星高度計(jì)定標(biāo)服務(wù)延續(xù)到后來的Jason系列衛(wèi)星[14]，隨著Jason系列衛(wèi)星的推進(jìn)，又新成立一個業(yè)務(wù)化定標(biāo)場，即希臘加夫多斯(Gavdos)定標(biāo)場。其中：Harvest石油平臺利用直接現(xiàn)場測量方法對T/P、Jason-1/2系列進(jìn)行定標(biāo)，儀器配置包括驗(yàn)潮站和輻射計(jì)，此定標(biāo)場的優(yōu)勢是驗(yàn)潮站位于星下軌跡；科西嘉島和巴士海峽定標(biāo)場分別用間接和直接方法進(jìn)行高度計(jì)定標(biāo)；加夫多斯島定標(biāo)場是新建的專用定標(biāo)場，由歐盟、NASA-GSFC和瑞士政府聯(lián)合進(jìn)行資助，用間接和直接方法進(jìn)行高度計(jì)定標(biāo)，同時該定標(biāo)場也配備有高度計(jì)有源定標(biāo)器[15]，此定標(biāo)場優(yōu)勢是升降軌交點(diǎn)、配有有源定標(biāo)器。

2.1 美國Harvest平臺定標(biāo)場

Harvest石油平臺自1992年起啟用，由于其長期穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)觀測，對T/P、Jason-1/2的絕對定標(biāo)發(fā)揮重要作用。由PXP(Plains Explorationand Production)公司擁有的石油平臺位于美國加利福尼亞州西海岸離岸約10 km、水深200 m處，石油平臺錨系在海床底部重約30 000 t。石油平臺是典型的開海環(huán)境，平均有效波高為2～3 m，平均風(fēng)速6 m/s。平臺上安裝的主要儀器為3 個驗(yàn)潮儀、水汽輻射計(jì)、水深傳感器和氣象觀測儀器等，由NOAA負(fù)責(zé)運(yùn)行管理，完備的儀器設(shè)備和長期的良好維護(hù)使得石油平臺提供獨(dú)特重要的觀測數(shù)據(jù)[16]。Harvest平臺最引人注目的成果是，利用長期在平臺上進(jìn)行的大地測量、海洋環(huán)境參數(shù)進(jìn)行序列分析，給出各星載高度計(jì)測量海面高度的絕對偏差。連續(xù)17年的校準(zhǔn)記錄表明，T/P的海面高度偏差在15 mm左右，Jason-1偏差為94 mm±15 mm，而Jason-2偏差為178 mm±16 mm[17-18]。

2.2 法國科西嘉島定標(biāo)場

科西嘉島定標(biāo)場位于法國科西嘉島南部，最初為T/P和Jason-1提供監(jiān)測，場區(qū)后來進(jìn)行擴(kuò)建(從最初的Senetosa站點(diǎn)又增加Ajaccio和Capraia站點(diǎn))，并實(shí)現(xiàn)對ENVISAT進(jìn)行監(jiān)測。由于站點(diǎn)距離較近，可以很好地利用同一GPS浮標(biāo)對不同任務(wù)進(jìn)行標(biāo)定，基于這些站點(diǎn)和設(shè)備的擴(kuò)展又研究發(fā)展了區(qū)域定標(biāo)方法[19]。為更高精度地觀測水位，Bonnefond等對沿軌的大地水準(zhǔn)面進(jìn)行獨(dú)立的測量，由此可實(shí)現(xiàn)基于間接方法的高度計(jì)定標(biāo)[20-21]。自2000年起，利用布放的GPS浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)直接觀測的高度計(jì)定標(biāo)，基于以上儀器以及觀測數(shù)據(jù)Bonnefond等也展示了直接方法和間接方法結(jié)合的定標(biāo)方案。其結(jié)果表明Jason-1的SSH偏差為120 mm±9 mm，Jason-2偏差為190 mm±8 mm[21]。

2.3 澳大利亞巴士海峽定標(biāo)場

巴士海峽定標(biāo)場地理位置特殊，是唯一坐落在南半球的高度計(jì)定標(biāo)場，位于澳大利亞大陸的東南角，水深范圍為60～80 m(場區(qū)約51 m)，為T/P和Jason-1/2提供長期穩(wěn)定的定標(biāo)。和前述兩個專用定標(biāo)場不同，巴士海峽定標(biāo)場位于高度計(jì)下降軌道，Watson提出一種新的間接和直接途徑結(jié)合的定標(biāo)方法進(jìn)行高度計(jì)定標(biāo)[22]。其最初的研究為1992年T/P在軌測試階段，采用岸基驗(yàn)潮儀間接觀測的方法來對高度計(jì)海面高度進(jìn)行定標(biāo)[23]，但其缺陷為缺乏高度計(jì)星下點(diǎn)的水位觀測數(shù)據(jù)；后來為配合Jason-1任務(wù)，巴士海峽定標(biāo)場進(jìn)行設(shè)備更新和定標(biāo)方法的改進(jìn)，論證巴士海峽定標(biāo)場的重要意義，也為其他定標(biāo)場提供借鑒。巴士海峽的定標(biāo)結(jié)果表明，T/P的SSH偏差為-6 mm±18 mm， Jason-1偏差為93 mm±15 mm， Jason-2偏差為172 mm±18 mm[24]。

2.4 希臘加夫多斯定標(biāo)場

希臘的加夫多斯海上定標(biāo)場位于希臘克里特島以南50 km處，由希臘克里特理工大學(xué)建立和維護(hù)。加夫多斯定標(biāo)場是目前唯一的位于Jason衛(wèi)星高度計(jì)交叉點(diǎn)，且毗鄰Envisat衛(wèi)星高度計(jì)和SARAL/Altika衛(wèi)星高度計(jì)星下點(diǎn)的定標(biāo)檢驗(yàn)場，該定標(biāo)場布放國際首顆長期運(yùn)行的高度計(jì)有源定標(biāo)器[25]。加夫多斯定標(biāo)場是一個絕對海平面監(jiān)測和高度計(jì)定標(biāo)的永久設(shè)施，定標(biāo)場的測量儀器包括驗(yàn)潮儀、GPS基站、DORIS、激光測距儀(SLR)、水汽輻射計(jì)、太陽大氣光譜儀、GPS浮標(biāo)、有源定標(biāo)器、波浪儀、太陽能風(fēng)能發(fā)電設(shè)施和控制通信設(shè)施等。其觀測結(jié)果表明，Jason-1的海面高度測量偏差為103.6 mm±4.7 mm，Jason-2偏差為181.9 mm±6.7 mm[15]；有源定標(biāo)器技術(shù)的應(yīng)用給該定標(biāo)場提供另一個可靠的高度計(jì)定標(biāo)方案，該定標(biāo)場通過有源定標(biāo)器給出Jason-2的海面高度絕對偏差為258 mm±3 mm[26]。

3 我國萬山定標(biāo)場

我國HY-2衛(wèi)星發(fā)射已有4年多，因缺少基于現(xiàn)場的衛(wèi)星高度計(jì)絕對定標(biāo)結(jié)果，未能加入多顆高度計(jì)衛(wèi)星融合海面高度產(chǎn)品；海面高度融合產(chǎn)品對海洋學(xué)應(yīng)用意義更加重大，因此定標(biāo)場建設(shè)迫在眉睫。定標(biāo)場建設(shè)是一個系統(tǒng)性的工程，要考慮諸多的因素，在綜合考慮高度計(jì)的掃描足印、升降軌道特性、離岸遠(yuǎn)近、海洋動力特征、水下地形、航運(yùn)區(qū)域、補(bǔ)給通信以及其他配套設(shè)施等眾多因素條件下，進(jìn)行高度計(jì)定標(biāo)場的選劃研究，最終遴選出最優(yōu)的選址方案——萬山群島定標(biāo)場。

萬山群島中的直灣島正好是HY-2A高度計(jì)地面軌跡升軌經(jīng)過的地方，選擇的主場區(qū)位于群島南側(cè)約20 km處；該海域處于珠江口門最外側(cè)，平均水深不到40 m，年平均有效波高不超過2 m，年平均風(fēng)速約6 m/s，場區(qū)適合直接或間接測量法高度計(jì)海面高度定標(biāo)以及高度計(jì)其他產(chǎn)品檢驗(yàn)。根據(jù)需求，該場區(qū)將建設(shè)永久性驗(yàn)潮儀、GPS基站、水汽輻射計(jì)、GPS浮標(biāo)、波浪儀以及有源定標(biāo)器等定標(biāo)設(shè)備，將有效滿足我國海洋衛(wèi)星高度計(jì)定標(biāo)需求。

3.1 場區(qū)大地水準(zhǔn)面分析

定標(biāo)場區(qū)地球物理參數(shù)是在現(xiàn)場海面高度絕對定標(biāo)中的主要影響因素。大地水準(zhǔn)面是地球物理參數(shù)中影響最大的參數(shù)，其依賴的重力模型經(jīng)歷GEM-10B、GEM系列、JGM系列、EGM96，目前最新的大地水準(zhǔn)面模型為由美國國家地球空間情報(bào)局發(fā)布的EGM2008。其中EGM96和EGM2008是目前最為常用的兩個模型，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。依據(jù)已有的EGM2008模型對萬山場區(qū)的大地水準(zhǔn)面進(jìn)行分析，提取沿軌道的大地水準(zhǔn)面的分布，可知沿軌跡大地水準(zhǔn)面的變化情況。

從近岸到離岸較遠(yuǎn)海區(qū)，大地水準(zhǔn)面變化較大，基本呈現(xiàn)的是從擔(dān)桿島到外海大地水準(zhǔn)面逐漸增大。結(jié)果顯示，從擔(dān)桿島向外20 km余，大地水準(zhǔn)面變化也達(dá)到約40 cm，即沿軌跡方向每千米大地水準(zhǔn)面變化2 cm，而高度計(jì)觀測的精度要求是幾個厘米，這也對定標(biāo)場區(qū)的大地水準(zhǔn)面精度提出更高的要求，該場區(qū)的大地水準(zhǔn)面測量正在進(jìn)一步細(xì)化。

3.2 場區(qū)水文氣象條件分析

水文氣象要素主要包括潮汐、海流、波浪和風(fēng)場的影響，這些因素共同特點(diǎn)是具有顯著的時空變化特征，都會影響海面高度的現(xiàn)場觀測，進(jìn)而影響現(xiàn)場定標(biāo)的結(jié)果，這些外在的環(huán)境因素都是高度計(jì)現(xiàn)場定標(biāo)必須考慮的因素。

為定量化分析潮汐對高度計(jì)定標(biāo)的影響，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，分別選取3個數(shù)據(jù)點(diǎn)：距離擔(dān)桿島5 km的高度計(jì)星下點(diǎn)、距離擔(dān)桿島10 km的高度計(jì)星下點(diǎn)和距離擔(dān)桿島20 km的高度計(jì)星下點(diǎn)，以2 d的潮位變化數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和統(tǒng)計(jì)(圖3)。顯然，在距離擔(dān)桿島20 km處的高度計(jì)星下點(diǎn)和擔(dān)桿島之間在高高潮時刻的潮位差最大超過5 cm，即使在更普遍情況下也在1 cm以上(平均為1.61 cm，其中60%以上的時間大于1 cm)；在距離擔(dān)桿島10 km處的星下點(diǎn)同時刻潮位差最大為2 cm(平均為6.9 mm)；而距離擔(dān)桿島5 km處和沿島同時刻的水位差最大值也小于1 cm(平均為3.1 mm)。根據(jù)以上模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，以及之前對高度計(jì)有效采樣點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，有效高度計(jì)采樣點(diǎn)距離擔(dān)桿島20 km；如果采用岸基驗(yàn)潮儀對高度計(jì)觀測，則會由于不同地方同時刻潮差帶來最多5 cm的誤差，而在近岸5 km范圍內(nèi)高度計(jì)和驗(yàn)潮儀觀測的一致性很好，此時用岸基驗(yàn)潮儀就可對高度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

圖3 距離擔(dān)桿島20 km、10 km和5 km點(diǎn)處的同時刻潮差

海水的流動會對高度計(jì)現(xiàn)場定標(biāo)產(chǎn)生影響，根據(jù)對200余天沿岸流的數(shù)據(jù)觀測，典型的沿岸流流速約為5 cm/s，極值能到10 cm/s以上，按照20 km的距離來計(jì)算，極端情況下由于海流引起的水位差約為1.5 cm，而10 km和5 km遠(yuǎn)的距離帶來的誤差小于1 cm，在更普遍情況下小于5 mm，因此對于距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)對比點(diǎn)來說，海流的觀測將會非常重要。

水文氣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異之外，風(fēng)增水也是一個重要考慮因素。風(fēng)增水就是在風(fēng)應(yīng)力作用下海面高度升高的一種現(xiàn)象。根據(jù)擔(dān)桿島定標(biāo)場特性統(tǒng)計(jì)風(fēng)應(yīng)力對定標(biāo)結(jié)果的影響，其中從海島向外海水深逐漸增加，距離擔(dān)桿島20 km處水深約為40 m，近岸5 km處水深約為20 m，認(rèn)為水深隨距離線性增加，則不同風(fēng)應(yīng)力下海面高度測量之差在風(fēng)應(yīng)力最大月份1月、在20 km遠(yuǎn)處可達(dá)1 cm，而在其他月份都遠(yuǎn)小于1 cm，完全可以忽略不計(jì)。

在開闊海域?qū)Ω叨扔?jì)進(jìn)行定標(biāo)，海浪是必須考慮的因素，波浪對高度計(jì)海面高度現(xiàn)場定標(biāo)的影響體現(xiàn)在兩方面：①在利用GNSS浮標(biāo)進(jìn)行星地?cái)?shù)據(jù)匹配對比時，海浪的大小會影響現(xiàn)場觀測，較高海況會降低GNSS解算精度，同時海況高度在一定范圍時GNSS浮標(biāo)將不適宜工作。②海面存在波浪時，高度計(jì)的觀測也會帶來誤差即海況偏差，目前業(yè)務(wù)化高度計(jì)數(shù)據(jù)所使用的海況偏差主要是水深較深的開闊海域數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，在近岸地區(qū)勢必會對高度計(jì)海面高度的反演帶來誤差。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，擔(dān)桿島10年的有效波高分布，距離擔(dān)桿島20 km星下點(diǎn)處有33.63%的時間是有海況高于3級，說明該海域適合做高度計(jì)定標(biāo)的有效時間比較多。

4 萬山定標(biāo)場基本建設(shè)思路

根據(jù)上述對萬山高度計(jì)定標(biāo)場的分析以及觀測需求，同時考慮到長期的高度計(jì)海面高度定標(biāo)的效率，即最大可能獲取更多的有效觀測數(shù)據(jù)，在較短的時間之內(nèi)更有效精確地確定時鐘漂移和雷達(dá)高度計(jì)測距偏差，同時采用直接法與間接法高度計(jì)定標(biāo)方案建設(shè)萬山海上定標(biāo)場。

對4種不同高度計(jì)現(xiàn)場定標(biāo)方案進(jìn)行對比，可看出：①實(shí)施基礎(chǔ)為GNSS浮標(biāo)。優(yōu)點(diǎn)是定標(biāo)實(shí)施過程簡單，觀測點(diǎn)在星下位置，受地球物理參數(shù)影響較弱；缺點(diǎn)是必須有人值守，受制于海況，獲取海面高度的方式單一，總體而言獲得有效樣本數(shù)較少。②實(shí)施基礎(chǔ)為離岸壓力驗(yàn)潮儀。優(yōu)點(diǎn)是多種途徑實(shí)現(xiàn)海面高度的觀測，可實(shí)現(xiàn)無人值守的自動觀測運(yùn)行；缺點(diǎn)是儀器配置復(fù)雜，海上自動浮標(biāo)等設(shè)備需要定期進(jìn)行維護(hù)和定標(biāo)。③實(shí)施基礎(chǔ)為岸基驗(yàn)潮站。優(yōu)點(diǎn)是儀器配置、運(yùn)行、維護(hù)均非常簡單，不受制于海況。缺點(diǎn)是受約束于區(qū)域潮汐、大地水準(zhǔn)面模型、水下地形數(shù)據(jù)以及近海水文氣象參數(shù)差異。④實(shí)施基礎(chǔ)為有源定標(biāo)器。優(yōu)點(diǎn)是儀器配置簡單，有效標(biāo)定測距偏差和時鐘漂移，無需考慮海況偏差；缺點(diǎn)是對軌道預(yù)報(bào)精度要求高，由于軌道預(yù)報(bào)而導(dǎo)致有效樣本數(shù)量較少。

4種方案中優(yōu)點(diǎn)最為明顯的是離岸壓力驗(yàn)潮儀(典型應(yīng)用：澳大利亞巴士海峽定標(biāo)場)，其顯著的特點(diǎn)是更多有效的觀測數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)無人值守，更有利于長期業(yè)務(wù)化的高度計(jì)海面高度標(biāo)定；同時單次定標(biāo)觀測中能獲取較多的觀測樣本，即通過GNSS浮標(biāo)、通過星下點(diǎn)壓力驗(yàn)潮設(shè)備和通過岸基的驗(yàn)潮井，并且通過后期技術(shù)的進(jìn)一步提升，利用岸基的驗(yàn)潮儀可提供分布式定標(biāo)(典型應(yīng)用：法國科西嘉島定標(biāo)場和希臘加夫多斯定標(biāo)場)。

基于GNSS浮標(biāo)和岸基驗(yàn)潮站的方案儀器配置都比較簡單，但是較少的觀測儀器不利于長期業(yè)務(wù)化定標(biāo)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，場區(qū)多復(fù)雜的大氣以及海洋動力環(huán)境的影響會帶來一定的誤差?；谟性炊?biāo)器的定標(biāo)方案對于軌道預(yù)報(bào)精度要求較高，直接的影響是有效的觀測數(shù)據(jù)獲取概率較低，現(xiàn)階段快速提高軌道預(yù)報(bào)精度存在較大困難。

觀測設(shè)備的配置主要是兩個方面：一是數(shù)量配置，即不同或者相同的觀測儀器數(shù)量上的多寡，在很多情況下僅用一臺設(shè)備無法滿足精確觀測的需求，尤為典型的是水位觀測設(shè)備和GNSS基站；二是各個觀測設(shè)備的地理位置以及安放，高度計(jì)定標(biāo)場現(xiàn)場觀測的目標(biāo)是更精確更有效地進(jìn)行高度計(jì)海面高度的標(biāo)定，儀器的位置很大程度上影響定標(biāo)的精確性和有效性，以GNSS基站以及驗(yàn)潮設(shè)備、浮標(biāo)等影響最為顯著。

由于不同觀測的需求，不同的觀測設(shè)備需要進(jìn)行合理的布放和組合，通過地理位置的合理布局來減少相應(yīng)的誤差。其中最為典型的為GNSS基站的位置，在萬山定標(biāo)場布設(shè)4個基站、1個浮動的GNSS接收機(jī)，其布局如圖4所示。這樣的布局充分考慮到已有的海島分布，高度計(jì)觀測點(diǎn)自20 km處向擔(dān)桿島靠近再到遠(yuǎn)離擔(dān)桿島，基本能保證最短基線長度維持在10 km之內(nèi)。高度計(jì)海面高度是通過GNSS動態(tài)差分解計(jì)算的，通過多條基線(沿軌跡有多個GNSS基站)差分解的平差，可提高GNSS浮標(biāo)海面高度測量的精度。

圖4 GNSS基站地理位置

除擔(dān)桿列島之外其他觀測儀器比較集中的地方為離岸約20 km遠(yuǎn)的高度計(jì)星下點(diǎn)，此位置配置了眾多的海面以及海底等觀測設(shè)備(圖5)：①氣象浮標(biāo)，主要作用為常規(guī)氣象參數(shù)測量，提供表面觀測設(shè)備固定平臺，其上還配置一個GNSS接收機(jī)，以期能觀測星下點(diǎn)位置垂向積分水汽和電離層電子含量。②GNSS浮標(biāo)，主要作用為直接測量海面高和監(jiān)視壓力驗(yàn)潮儀狀態(tài)，浮標(biāo)通過輕質(zhì)纜繩與氣象浮標(biāo)相連。③壓力驗(yàn)潮儀，主要作用為星下點(diǎn)長期無人值守的海面高度測量，通過GNSS浮標(biāo)來實(shí)現(xiàn)壓力驗(yàn)潮儀的基準(zhǔn)面確定，同時壓力驗(yàn)潮儀需要與GNSS浮標(biāo)進(jìn)行定期協(xié)同觀測來精確和定量確定壓力驗(yàn)潮儀底座隨海床基發(fā)生的沉降。④錨系的輔助參數(shù)觀測設(shè)備，主要包括溫度、鹽度和海流以及波浪，萬山高度計(jì)定標(biāo)場處于珠江口河口地區(qū)，是淡水和海水交匯的地區(qū)，海水的鹽度和溫度造成的海水密度變化影響水下驗(yàn)潮儀的壓力和表面浮標(biāo)的浮力，最終影響海面高度的測量精度，而海流會帶來海面壓力梯度。

圖5 萬山高度計(jì)定標(biāo)場離岸星下點(diǎn)觀測設(shè)備配置

5 結(jié)論

本文分析雷達(dá)高度計(jì)的絕對定標(biāo)內(nèi)容和方法，調(diào)研比較國際上業(yè)務(wù)化運(yùn)行的高度計(jì)定標(biāo)場，分析萬山定標(biāo)場周邊海區(qū)對高度計(jì)定標(biāo)影響較大的地球物理參數(shù)和水文氣象參數(shù)，確定萬山定標(biāo)場可以滿足現(xiàn)階段我國海洋衛(wèi)星高度計(jì)的定標(biāo)需求，并借鑒國外定標(biāo)場的成功經(jīng)驗(yàn)，提出萬山海洋衛(wèi)星高度計(jì)定標(biāo)場建設(shè)的基本思路，計(jì)劃將萬山定標(biāo)場建設(shè)成一個直接法和間接法結(jié)合定標(biāo)的綜合站點(diǎn)，同時開展高度計(jì)有源定標(biāo)器同期對比試驗(yàn)。

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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地面應(yīng)用系統(tǒng)；國家國際科技合作專項(xiàng)課題(2014DFA21710).

蔣興偉，研究員，博士，研究方向?yàn)楹Ｑ筮b感應(yīng)用，電子信箱：xwjiang@mail.nsoas.org.cn

宋慶君，副研究員，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ筮b感輻射校正與真實(shí)性檢驗(yàn)，電子信箱:kingdream@mail.nsoas.org.cn

P71

A

1005-9857(2016)05-0008-08