0 引言

卫星测高技术的发展为人类研究海洋提供了一种十分有效的手段，得益于近年来高精度的高度计测量以及卫星精密定轨等技术的发展，卫星测高结果被有效应用于全球海面变化等研究领域.卫星高度计系统的测量偏差与漂移对这些研究具有直接影响，而它们无法通过高度计自身确定，只能通过外定标来实现(Christensen et al., 1994)，因而通过定标场实施的绝对定标工作对于测高任务而言至关重要.通过高度计的定标，能够快速向项目组反馈测量数据的质量，在数据产品发布前进行必要的数据质量评估；通过精细的定标工作，还能够发现测高系统中可能存在的系统或误差模型缺陷(Bonnefond et al., 2003a, 2010a, b; Haines et al., 2010; Wan et al., 2015).

与绝对定标对应的概念为相对定标，它指的是确定两颗或两颗以上测高卫星测量海面高之间的相对偏差.本文主要讨论单颗卫星高度计的绝对定标方法，后文中如无特别说明，定标专指绝对定标.确定卫星高度计系统绝对偏差的参考基准通常为由定标场设备测量的海面高，根据参考海面高基准的获取方式不同，绝对定标方法可分为直接绝对定标方法(简称为直接定标方法)与间接绝对定标方法(简称为间接定标方法).

截至目前，全世界已经实施了十余次卫星测高任务，2016年年初Jason-3与Sentinel-3A相继发射入轨，卫星测高技术在海洋学、大地测量学等领域发挥着并将长期发挥重要作用.我国也实施了自主的海洋测高卫星项目，HY-2A卫星于2011年8月成功发射(Jiang et al., 2012)，后续还将发射多颗测高卫星.HY-2A卫星的高度计定标工作主要通过位于希腊Crete岛的定标场实施(Mertikas et al., 2016)，目前我国还未建设自己的卫星高度计专用定标场.对不同定标方法的分析与比较，对于我国建设自己的专用定标场具有一定的借鉴意义.

1 绝对定标方法的基本原理

卫星高度计绝对定标的目的是确定卫星系统测量海面高的偏差，主要通过高度计测量得到的海面高(SSH_Alt)与定标场设备测量得到的参考海面高(SSH_{in situ})进行比较来求取，将定标场海域离岸比较点处的SSH_Alt与SSH_{in situ}作差，即得海面高的测量偏差Bias_Alt为

(1)

根据卫星高度计的测高原理(Watson et al., 2004; Watson, 2005; Dumont et al., 2011)，卫星高度计测量的海面高SSH_Alt为

(2)

其中，h为卫星的轨道高度，R为卫星到海面的高度计测距值，R_dry表示干对流层延迟改正，R_wet表示湿对流层延迟改正，R_iono表示电离层延迟改正，R_ssb表示海况偏差改正.

在通过海面高比较的定标方法之外，近年来还有通过微波应答器(microwave transponder)进行高度计定标的研究，其原理为：使用应答器接收、放大并返回雷达高度计脉冲，卫星重新对返回的脉冲信号进行接收并记录，通过测量脉冲的往返时间测得卫星与应答器之间的距离，将该距离与星站之间的距离相比较，从而估计高度计的测距值偏差(Mertikas et al., 2010; Hausleitner et al., 2012).然而该方法目前仍处于试验研究阶段，在2010年10月至2012年1月之间对Jason-2的26次定标任务中，其定标结果与其他业务定标场的结果之间存在约8 cm的系统偏差(Hausleitner et al., 2012)，本文不对此方法进行讨论.

通过定标场设备获取SSH_{in situ}有直接与间接两种方法.直接方法中获取SSH_{in situ}的定标场设备布设于卫星星下点轨迹附近、距离离岸比较点不远，SSH_{in situ}可以直接通过物理手段观测(Christensen et al., 1994)；而间接方法中获取SSH_{in situ}的定标场测量设备通常在海岸附近，测量设备以沿岸验潮站为主(Watson et al., 2003; Pavlis and Mertikas, 2004; Bonnefond et al., 2010a)，通过精确的区域海洋水准面模型及潮汐模型将海岸测量的海面高“传递”或“外推”至离岸比较点，该方法并不直接测量比较点海面高，故称为间接方法.根据SSH_{in situ}获取的不同方式，可将定标方法分为直接定标方法与间接定标方法两类.鉴于世界上主要的卫星高度计专用定标场大都采用了直接定标方法，本文对典型的直接定标方法进行介绍并讨论.

2 直接定标方法的典型示例

目前世界上海洋测高卫星的专用定标场中，Harvest石油平台定标场与Bass海峡定标场是较为典型的采用直接定标方法的定标场，投入运行时间均在十年以上，这里将它们作为直接定标方法的典型示例进行介绍；同时，基于GPS浮标的定标方法也是一种基础的直接定标方法，本节也对该方法的应用进行介绍.

2.1 Harvest石油平台定标场

Harvest石油平台位于美国加洲中部海岸以西19 km，其位置沿Jason卫星升轨第43弧段的轨迹到加洲海岸约11.5 km，所处海域为典型的开放海域，水深约200 m，涌浪与风浪平均为2 m.该平台建造于1985年，1991年投入使用(Haines et al., 2003)，1991年始，被选作为Topex/Poseidon(T/P)卫星高度计的定标场，同年JPL(Jet Propulsion Laboratory)开始在该平台安装设备(Christensen et al., 1994).

Harvest石油平台定标场自投入使用开始，先后实施了对T/P(Christensen et al., 1994)、Jason-1(Haines et al., 2003)、Jason-2(Haines et al., 2010)以及Jason-3卫星所搭载高度计的定标，后续还将服务于其他任务，该定标场采用的定标原理如图 1所示.

将平台上GPS(Global Positioning System)测站作为参考站，通过参考站的高度H_gps，根据参考站与平台参考点之间的高差H_gp、平台参考点与验潮设备参考点的高差H_pt以及验潮设备测量的设备参考点相对于海面的高差H_tg，加上负载潮、地球固体潮以及极潮对平台高度的影响改正(合计为H_st)，得到参考海面高SSH_{in situ}；高度计测量的海面高SSH_Alt由式(2)算得，即将卫星轨道高H_sat与经过测距误差改正后的高度计测距值R_gdr相减得到，图 1中体现为H_sat-R_gdr.将SSH_{in situ}与SSH_Alt相减，再考虑到平台与卫星轨迹之间水准面高差的改正量H_gg，即得绝对偏差Bias，Bias的完整计算公式为(Christensen et al., 1994)：

(3)

Harvest石油平台用于卫星高度计定标的优势包括(Haines et al., 2010)：首先，它离海岸足够远(大于10 km)，卫星过顶时高度计的雷达脉冲所照射的区域全为海面，没有陆地对高度计雷达信号的污染，并且该平台足够小而不影响雷达信号的反射；同时，因为它位于典型波高为2~3 m的开阔海域，正好与卫星测高系统的测量模式相匹配；最后，该平台距离加州以及美国西海岸的卫星跟踪站较近，这对于卫星精密定轨具有重要意义.

Harvest石油平台定标场具有二十余年连续观测数据的积累，已经成为由空间研究海平面变化的关键资源，它还将继续对卫星高度计的数据验证发挥重要的作用.

2.2 基于GPS浮标的定标试验

通过GPS浮标能够实现高度计直接绝对定标，然而由于第4节中将提到的多种原因，该种定标方法的应用大多具有试验性质，并未作为主要的定标手段，这里对其进行简要介绍.将GPS浮标用于卫星高度计定标有较长的历史，Born等(1994)于1993年10月即在Harvest石油平台附近对T/P卫星高度计进行了基于GPS浮标的定标试验.2000年之后，Corsica岛定标场(Bonnefond et al., 2003a)与Bass海峡定标场(Watson et al., 2003)均使用了GPS浮标进行T/P卫星的定标，其定标原理如图 2所示.

在岸上设立GPS测站作为GPS浮标的参考站，卫星过顶前后将浮标布设在卫星地面轨迹附近的海域(离岸约10~25 km)，由通过GPS浮标测量的海面高序列记为SSH_Buoy；将卫星过顶时高度计测得的SSH_Alt^Buoy与SSH_Buoy进行比较，即得绝对偏差Bias_Alt^Buoy，公式为

(4)

长期运行的GPS参考站受到日月引力与不同质量负载的影响，由此其区域GPS网所在地壳不断发生着弹性形变，因而参考站坐标解算时需要进行这些影响改正，改正后解算得到的参考站坐标定义在无潮汐参考框架中(Watson, 2005).SSH_Buoy通过GPS参考站的坐标解算得到，从而同样定义在在无潮汐参考框架中，高度计测量海面高与之相比时需要统一到同一基准下，具体实现时可以对高度计海面高进行包括海洋潮汐负载、地球固体潮、极潮(合记为TL_Corr)在内的潮汐改正(Watson, 2005)，同时考虑轨迹法向水准面梯度改正量CTGG_Corr(同式(3)中H_gg)，因而SSH_Alt^Buoy可以表示为(Watson et al., 2003)：

(5)

式中，h与R的意义同前，R_Corr是式(2)中各改正量之和.

Corsica岛定标场根据T/P卫星过顶期间所布设的10次GPS浮标得到了10次定标结果，其结果与通过验潮站的间接定标方法得到的定标结果具有高度一致性，差别在几mm量级.Frappart等(2015)于2013年9月15日及16日在地中海西岸Ibiza进行的Jason-2与SARAL卫星(Verron et al., 2015)高度计定标试验中，也采用了基于GPS浮标的定标方法.两次定标试验中将5个GPS浮标分散布设在比较点周围，根据5组海面高测量值通过内插的方法得到卫星过顶时比较点的SSH_Buoy.

2.3 Bass海峡定标场

在Bass海峡设定卫星高度计定标场的最初原因是对T/P卫星测高系统的性能评估大都位于北半球，而南半球对于系统的评估很欠缺，从而考虑在南半球也建设一个定标场.最后，该定标场选定在Bass海峡的Burnie建设，Burnie位于T/P卫星降轨第88弧段东侧约2 km处.

该定标场最初试验中采用的方法为间接定标方法(White et al., 1994)，主要通过将验潮站测量的海面高“传递”至比较点从而得到SSH_{in situ}，然而考虑到所用水准面模型或潮汐模型精度对定标精度的制约，后续Watson等人采用了基于GPS浮标测定海面高(Watson et al., 2003)以及基于海洋锚泊阵列测定海面高的直接定标方法(Watson et al., 2004)，并将后者固定下来作为该定标场的主要定标方法(Watson et al., 2011)，本节主要对后者进行介绍.

该定标场在Jason系列卫星地面轨迹经过的海域布设了远、中、近三组锚泊阵列，它们距离海岸的距离各不相同，海水深度约为30~60 m.离岸相对较近的两组锚泊阵列包含流速计，位于远海区域的锚泊阵列包含水压仪、温度与盐度记录仪、流速计，用于测定SSH_{in situ}的仪器主要是远海阵列中的水压仪、温度与盐度记录仪.

海洋锚泊阵列所测量出的海面高序列没有高度基准，需要通过GPS浮标为其提供高度基准.通过将同时测量的浮标测定的海面高SSH_buoy与锚泊阵列测量的水深d_mooring进行比较，其差值的均值可作为d_mooring的高度基准，从而锚泊阵列测量的海面高SSH_mooring(即SSH_{in situ})的表达式为(Watson et al., 2004)：

(6)

如前所述，SSH_buoy定义在在无潮汐参考框架中，因而，最终通过式(6)得到的SSH_mooring定义在不随时间变化的无潮汐参考框架中.于是，由式(2)得到的SSH_Alt在与之进行比较的时候，同样需要经过TL_Corr改正，并考虑前述轨迹法向水准面梯度改正量CTGG_Corr，则有改正后的SSH_Alt，记为SSH_Alt^mooring(Watson et al., 2004)，公式为

(7)

其中h、R、R_Corr的意义同式(5).

SSH_mooring与SSH_Alt^mooring均为无潮汐框架下的海面高，可以进行直接比较，绝对偏差Bias_Alt^mooring的计算公式为

(8)

3 直接定标方法的最新应用

根据卫星测高定标任务的需要，1997年以位于地中海西岸Corsica岛的两个大地测量站为基础建设了又一高度计专用定标场，名为Corsica岛定标场.Corsica岛定标场与Harvest石油平台定标场、Bass海峡定标场一样，均为目前世界上主要的卫星高度计专用定标场，与另外两个定标场不同的是，该定标场主要选用的是间接定标方法(Bonnefond et al., 2003a, 2010a).

Corsica岛的面积较大，其陆地对雷达信号的反射影响较大，进行定标时只能使用离岸10 km外的测高数据；同时，该岛周边海洋水准面变化复杂，水准面梯度达6 cm/km，因而确定海岸与比较点之间的水准面高差一直是该定标场关注的焦点(Bonnefond et al., 2013).

印度和法国合作研制并于2013年2月发射的SARAL卫星，搭载了首颗Ka频段雷达高度计AltiKa.Corsica岛定标场是AltiKa的主要定标场之一，在AltiKa的定标过程中，该定标场采用了一种基于GPS船筏系统(GPS-zodiac system, GZS)直接测定参考海面高的直接定标方法(Bonnefond et al., 2015).

GZS系统如图 3所示，它由一只搭载GPS接收机(含天线)及供电设备的船筏组成，于2012年开始投入使用.选择GZS替换该定标场之前使用的“波浪骑士”GPS浮标(Bonnefond et al., 2003a, b)的主要原因是：“波浪骑士”GPS浮标不能用船拖曳，转运过程中仅能将其放在船上，当它在船与海面之间转移时，不可避免地会发生GPS信号的失锁，影响数据处理时的模糊度解算，进而影响定位精度.此外，受复杂海况的影响，浮标自身的较大倾斜也会引起信号失锁.通过船筏搭载的GPS测量系统可以由船拖曳，几乎不受以上问题的影响，GZS可以提供连续的1 Hz海面高测量值.

利用GZS，该定标场采用了不同方法进行定标试验.其一是间接定标方法，即将局部范围内卫星高度计测得的SSH_Alt序列分别通过水准面高改正，再将改正后的序列均值在卫星星下点与GZS测量的海面高SSH_GZS进行比较，得到绝对偏差(记为GPS-mean法)；其二是直接定标方法，它是直接将卫星星下点的SSH_Alt与SSH_GZS进行比较(记为GPS-PCA法，与2.2节定标原理一致)；在AltiKa的定标过程中，该定标场还使用了传统基于验潮站的间接定标方法.

对比三种定标方法的计算结果，通过GPS-mean法与GPS-PCA法得到的两组结果颇为一致，所得绝对偏差之间的差值在数mm内，然而，传统间接定标方法得到的结果与之相比，却有约80 mm的差别.Corsica岛定标场给出的相关分析认为，该差异产生的可能原因包括验潮站与GZS之间约30.5 mm仪器误差、水准面高误差等，其中前者很可能源于验潮站测量误差，基于此，Corsica定标场更加信赖通过GZS得到的AltiKa绝对偏差，同时该结果与其他定标任务给出的偏差也更为一致(Bonnefond et al., 2015).

4 不同直接定标方法的特点

不同直接定标方法之间的区别为获取比较点参考海面高的技术手段不同，这些技术手段大致可以分为三类，即：依托海中固定平台、布设固定于海底的锚泊阵列、在海面布设可移动GPS测量设备.

依托海中固定平台进行定标的典型示例即Harvest石油平台定标场，该种定标方式的优点十分突出(见2.1节)，然而相似的海上石油平台并不易获取，即使在卫星地面轨迹附近有可用平台，还存在着维护成本高昂等现实问题，因而到目前为止，只有Harvest石油平台被用于卫星高度计定标.该类定标场面临的另一个关键问题是要精确确定平台相对于地球质心的运动.Harvest平台长期的GPS观测结果显示该平台以年均速度1 cm/a进行沉降，并且受负载与温度变化的影响存在周期性的运动.因而，当使用平台上的验潮仪等设备确定海面高时，不仅需要得到海面与平台的相对距离，而且还需要确定平台相对于地球质心的运动(Haines et al., 2010).

在海底布设锚泊阵列进行定标的典型示例即Bass海峡定标场，该种定标方式需要借助GPS浮标以获取锚泊阵列测量值的海面高基准，其优点在于：首先，不需要通过水准面模型或潮汐模型对测量海面高进行改正，而该改正项是间接定标方法精度受限的瓶颈；其次，在布设多次GPS浮标获取了锚泊阵列的海面高基准后，每次卫星过顶期间的定标过程并不需要太多人工作业(相对于布设移动GPS海面测量设备的方法)；再次，锚泊阵列布设一次的持续工作时间较长，在此期间可以进行多次定标而不受海洋环境恶劣程度的影响.该方法的缺点在于持续工作一段时间后，锚泊阵列需要上岸维护，维护期间需要通过其他定标手段来维持定标工作的连续性.

通过在海面布设可移动GPS测量设备的方法，其优点在于原理简单、容易实施，不足之处在于易受恶劣海况因素的影响、定标工作的连续性不易保证等.因而，该方法一般不作为卫星高度计专用定标场的主要(或唯一)定标方法而通常结合间接定标方法共同实现定标，如Corsica岛定标场的工作(Bonnefond et al., 2003a, 2015).该类方法中，通过GPS浮标进行定标易受外界环境因素的影响，精度与连续性相对较差，正因为如此，Corsica岛定标场才使用基于船筏的GZS系统替换之前定标过程采用的GPS浮标.

不同直接定标方法的区别在于获取参考海面高的测量方式不同，不同方法各有其优缺点，与它们相比，间接定标方法的优点体现在逻辑上实现简单、每个重复周期都能够稳定地实现一次定标，缺点在于所用的水准面模型或潮汐模型的精度是该类方法的瓶颈.使用间接定标方法时，需要考虑到潮汐与大气压等因素的影响，这些影响不仅与当地的环境因素相关，而且与定标场设备到比较点的距离相关(Bonnefond et al., 2010b).

定标方法的选择只是定标工作的一个方面，为提高定标精度，不同定标方法都需要尽可能地提高SSH_alt的获取精度，这其中需要许多其他技术手段的支持，它们的作用主要体现在提高式(2)中各误差改正项的精度.例如，为提高卫星轨道高度h的精度，在定标场附近可以安装激光测量设备，如Corsica岛定标过程中使用的FTLRS(Gourine et al., 2008)；为提高R_wet的精度，除星载水汽辐射计外，也可以在定标场附近安装相关的测量设备，以减少湿对流层延迟观测值受定标场区域陆地污染的影响；另外，还需要获取各种环境参数以提高R_invb等改正项的精度.只有多种数据来源的精密合作与配合，才能获取有效的、高精度的绝对定标结果.

5 结论 5.1

绝对定标工作对于卫星测高任务至关重要，是任务实施的基础.目前世界上主要的专用定标场大都在定标中使用了直接定标方法，说明了该类方法的有效性与可靠性.本文主要介绍了几大专用定标场使用的直接定标方法，以及直接定标方法在Corsica岛定标场的最新应用，并对不同直接定标方法的特点进行了评述.

5.2

不同定标方法各有其优缺点，如何选择需要做到因地制宜.Corsica岛定标场传统上以间接定标方法为主，然而近些年，也开始尝试直接定标方法，并取得了有效的定标效果，对该定标场实验结果的分析表明，传统通过水准面模型进行海面高传递的间接定标方法存在一些不可靠的因素.从该定标场定标工作的发展来看，直接定标方法比间接定标方法更为有效.综合前文的分析，笔者建议，我国卫星高度计专用定标场的建设使用直接定标方法，或是类同于Corsica岛定标场的直接与间接相结合的定标方法.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！