出版日期: 2019-05-25
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DOI: 10.11834/jrs.20198262
2019 | Volumn23 | Number 3
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综述 
卫星高度计定标现状
expand article info 杨磊1 , 周兴华1 , 徐全军2 , 柯宝贵3 , 穆博4 , 朱琳5,6
1. 国家海洋局第一海洋研究所，青岛 266061
2. 中国人民解放军海洋环境专项办公室，北京 100081
3. 中国测绘科学研究院，北京 100830
4. 国家卫星海洋应用中心，北京 100081
5. 中国科学院安徽光学精密机械研究所，合肥 230031
6. 中国科学技术大学，合肥 230027
收稿日期: 2018-07-09; 预印本: 2019-01-12
基金项目: 国家自然科学基金(编号：41806214，41706115)；山东省自然科学基金(编号：ZR2017QD011)；山东省支持青岛海洋科学与技术试点国家实验室重大科技专项(编号：2018SDKJ0102)
第一作者简介: 杨磊，1988年生，男，工程师，研究方向为海洋遥感和测绘。E-mail：leiyang@fio.org.cn

摘要

定标是卫星高度计数据精度的重要保障，随着高度计卫星HY-2A的发射及后续卫星组网规划，中国将获取长时间序列的自主高度计观测资料，定标对数据精度和长期一致性的重要性日益凸显。总结了卫星高度计定标常用技术方法的国内外研究进展和现状，阐述了中国自主海上定标场的建设和应用情况，重点对青岛千里岩定标场的大地基准测量、地壳沉降监测及HY-2A等多颗卫星高度计的定标结果进行总结分析，并对规划建设中的珠海万山海上综合定标场和中国沿海定标场网做了介绍。此外利用GNSS水汽反演技术对星载微波辐射计观测的大气湿延迟开展了精度检核实验，得到了Jason-2卫星2010年—2016年微波辐射计大气湿延迟观测精度，证明了利用中国沿海GNSS连续运行站标定星载微波辐射计大气湿延迟的可行性，对于充分了解和认识卫星高度计定标的研究现状和发展趋势有一定的借鉴和指导意义。

关键词

卫星高度计, 水汽辐射计, 定标, 海洋二号, 千里岩, 综述

Research status of satellite altimeter calibration
expand article info YANG Lei1 , ZHOU Xinghua1 , XU Quanjun2 , KE Baogui3 , MU Bo4 , ZHU Lin5,6
1.First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China
2.Marine Environment Special Office of the Chinese People’ Liberation Army, Beijing 100081, China
3.Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China
4.National Satellite Ocean Application Service, Beijing 100081, China
5.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Science, Hefei 230031, China
6.University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China

Abstract

Satellite altimetry is one of the most important remote sensing technologies used over oceans, and it can dramatically promote ocean science in different disciplines. Since 2011, China has launched the HY-2A and HY-2B satellite altimeters to provide spatially dense data with a 14 day–time frequency to the international altimetry community. Calibration is an important work to maintain the high accuracy of the satellite altimeter data. Following the launch of HY-2A and HY-2B, as well as new satellites to be launched in the near future, the long time series of altimetry data will likely be achieved. The importance of altimeter calibration in guaranteeing the accuracy of satellite data and the consistency of long time series measurements will also likely become prominent. This paper summarizes the research progress and the status of the main calibration technology at the global level. The calibration methods are generally categorized into absolute and relative sets. Each method is briefly described along with its calibration principle and its merits and demerits. The instructions for the methods of tide gauge, GNSS buoy, and the crossover calibration between different satellites are given in detail, especially since they have been discussed comprehensively in the operational calibration literature. The calibration methods based on the transponder, ARGO, and tide gauge networks are briefly described given their supplementary roles. The existing progress and application of Chinese calibration sites are also presented. The geodetic survey and the surface subsidence over the Qianliyan calibration site and the calibration results for HY-2A, Jason-2 and Jason-3, Saral, and Sentinel-3A are demonstrated in detail. Then, the Wanshan sites and the planning calibration network in the Chinese coastal area are introduced. Furthermore, the wet delay of the troposphere, as measured by Jason-2 AMR in 2010—2016, is evaluated by considering one site from the Chinese coastal GNSS network, thus proving the feasibility of calibrating the microwave radiometer wet delay through the Chinese coastal GNSS network. In the last section, we summarize the problems obtained from the present research and provide suggestions for calibrating and correcting the domestic satellite altimeter data. This section is relevant because, in the near future, the surface water and ocean topography (popularly known as SWOT) and the Chinese " Guan Lan” and HY-3C missions, which adopt the new altimetry concept by using the sensors of the synthetic aperture radar interferometer, and which can provide 2D oceanic topography, will likely bring new challenges to present-day altimetry calibration technologies. The paper ends with a brief discussion on the anticipated new challenges on altimeter calibration. This work will bring remarkable contribution to the understanding of the present situation, considering that the paper focuses on the development trend of satellite altimeter calibration.

Key words

satellite altimeter, microwave radiometer, calibration, HY-2, Qianliyan, review

1 引　言

卫星雷达高度计可直接测量全球海面高度，自TOPEX/Poseidon(1992年—2006年)以来测高精度已达2—3 cm，随后欧美等国家发射多个系列的高度计卫星，包括ENVISAT(2002年—2012年)、Jason-1(2001年—2013年)、Jason-2(2008年—)、Jason-3(2016年—)、Saral/AltiKa(2013年—)、Sentinel-3A(2016年—)等，至今已获得了全球海洋的长时间序列海面高度数据，极大地促进了海洋动力学、地球物理学、海洋大地测量学等诸多领域的发展(Fu和Cazenave，2001；杨磊 等，2013)。2011年中国成功发射首颗高度计卫星HY-2A，HY-2A采用与国外卫星不同的独立轨道参数，不仅实现了卫星测高资料的自主化观测，对提高全球测高资料的时空分辨率也具有重要意义(蒋兴伟 等，2013；许可 等, 2007, 2013；郭伟 等，1999)。根据中国《海洋卫星业务发展“十三五”规划》，2018年10月25日又成功发射了中国第2颗高度计卫星HY-2B，2019年还将计划发射HY-2C，未来将实现多颗高度计卫星的组网观测，为中国海洋科技发展提供更强的支撑。随着越来越多的高度计卫星发射，全球海面测高资料的覆盖密度会越来越大，时间长度越来越长，如何实现诸多卫星测高资料的无缝融合以及测高基准的长期维持成为一项重要的研究课题。

卫星测高基本原理是测距，则必然产生距离测量偏差，若不进行定标改正则导致卫星测高结果无统一的基准，难以实现不同时期、不同卫星高度计的数据融合以及长期的基准一致性，直接影响卫星产品质量和相关领域的应用(Fu和Haines，2013)，例如HY-2A发射至今已积累多年的测高数据，在海洋防灾减灾、海洋动力研究等领域发挥了显著作用(徐广珺 等，2013；Chen 等，2014；Lillibridge 等，2013)，但由于未精确掌握卫星在轨测量偏差和误差源，HY-2A数据在海洋大地测量等对测高精度有较高要求领域的应用受到了限制。为解决该问题，应开展卫星高度计定标，并且定标工作应该贯穿卫星运行始终，目前国内外卫星高度计的定标主要由专门的海上定标场实现。HY-2A发射后，中国开始积极建设卫星高度计海上定标场，先后在南海石油平台、国内业务化海洋观测站以及卫星过境的海岛等开展了大量的调研工作，经过系列的现场勘查和基准测量工作，形成了青岛千里岩和珠海万山南北分布的定标场布局，其中千里岩已经开始为HY-2A、Jason-2、Jason-3等国内外卫星提供在轨绝对定标结果，成为中国首个投入使用的卫星高度计海上定标场，珠海万山作为中国海上卫星综合定标场，不仅可以对高度计定标，也可以对其他系列的海洋卫星进行定标，目前万山定标场仍在建设之中。除千里岩和万山外，依托中国业务化海洋站的卫星高度计沿海定标场网也在规划之中。

本文首先对目前国内外卫星高度计定标技术现状及发展进行归纳总结，主要阐述业务化海上定标场、GNSS浮标定标、有源定标器定标、全球验潮和Argo观测网定标等常用卫星高度计定标方法，总结各种方法的优点和缺点；然后主要对中国卫星高度计海上定标场的发展现状和建设计划进行阐述，对定标场建设涉及的主要关键技术如大地基准测量、地壳沉降监测等做了研究分析，通过千里岩定标场首次给出2011年—2018年HY-2A等多颗国内外卫星高度计定标结果；利用山东成山头GNSS连续运行站对Jason-2星载微波辐射计AMR观测的对流层大气湿延迟开展了精度检核，证明了中国沿海GNSS连续运站系统用于星载微波辐射计定标的潜力；最后针对中国卫星高度计海上定标现状和新的卫星测高技术发展趋势，提出尚待解决的关键问题、研究重点与难点，以期能为中国高度计定标工作提供借鉴和指导。

2 卫星高度计定标技术发展现状

卫星高度计定标是指利用准确的地面独立测量值比对卫星测量值，获取卫星海面高度测量偏差的过程。高度计定标方法可以分为绝对定标和相对定标，绝对定标是指用统一到卫星参考基准下的实测数据检核卫星海面高度测量偏差，包括业务化海上定标场、GNSS浮标和有源定标器定标方式；相对定标是指用未统一到卫星参考基准下的实测数据实施定标，包括利用全球分布的验潮网络分析卫星测高系统性漂移，或利用星—星交叉定标检核不同卫星之间的相对测量偏差。表1统计归纳了常用的卫星高度计定标方法及其优缺点，后文结合实际研究工作对各个方法进行具体分析。

表 1 主要卫星高度计定标方法及特点
Table 1 Features of the main satellite altimeter calibration methods

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方法分类 概要 优缺点
相对定标 星—星交叉定标 计算交叉点卫星测量不符值，进行全球性统计分析 优点：可评估全球范围的数据质量，除海面高度之外还可评估有效波高、海况偏差、湿延迟、电离层延迟等参数
缺点：无绝对基准
全球验潮站与Argo观测网 计算卫星测高与全球分布的验潮站和Argo浮标观测的海面高之差异 优点：数据易获取，可计算卫星系统性漂移
缺点：无绝对基准，实测数据精度不可控
绝对定标 业务化海上定标场 星下点附近同步验潮，结合精密大地水准面进行海面高传递 优点：可持续性监测卫星偏差，实现业务化定标
缺点：海面高度的海上传递误差与大地水准面精度和传递距离有关，误差存在不确定性
GNSS浮标 星下点位置布放GNSS测高浮标，进行星地同步观测 优点：无需其他配套设备或辅助模型
缺点：受海况影响明显，数据后处理较复杂，可持续性较差
有源定标器 星下点对星观测时间延迟，计算卫星测距的偏差 优点：设备可以灵活移动，测距精度高
缺点：需要改变卫星观测模式，且只能标定距离观测量

2.1 业务化海上定标场

业务化海上定标场是卫星高度计定标的主要方式，一般指具备对卫星进行业务化定标能力的海上平台、沿海或海岛观测站等。业务化海上定标场最早可追溯到20世纪70年代对GEOS-3和Seasat卫星高度计的定标，由于该时期卫星没有GNSS定轨和DORIS定轨装置，精密定轨依赖激光反射器，并缺少精准的大地水准面，因此卫星定标场选择位于星下点的百慕大激光跟踪站，Tapley等(1979)及Martin和Kolenkiewicz(1981)用星下点激光跟踪站分别发现GEOS-3测高偏差为–5.51 m，Seasat卫星测高偏差为–0.5 m。随着GNSS定轨、大地水准面模型以及地球物理改正模型的精度提升，T/P(TOPEX/Poseidon)高度计及之后的业务化海上定标场不再使用激光跟踪定轨装置，而是在卫星地面轨迹附近建立验潮站实施星地海面高度同步测量。由于验潮站一般和卫星星下点存在一定距离，需结合区域大地水准面进行海面高度传递，另外验潮站可能存在地面沉降，还需有长期GNSS连续运行站监测垂直位移、维护验潮基准。目前国内外主要业务化海上定标场均采用同步验潮定标方式，如美国Harvest平台(Haines 等，2003)、希腊Crete岛(Mertikas 等，2010)以及法国Corsica岛的海上定标场(Bonnefond 等，2010)，中国已开始运行的千里岩海上定标场也采用了该方法(Yang 等，2017)。

以位于美国西海岸的Harvest高度计定标场为例介绍其发展过程。如图1所示，为便于开展定标，NASA设计T/P高度计第43号轨迹经过Harvest平台，在平台上安装了声学验潮仪、GNSS连续运行站和水汽辐射计等测量设备，1991年运行至今已经持续近30年(Haines 等，2003)。Christensen等(1994)首先利用Harvest定标场对T/P初期36个周期的测高数据进行了研究，表明TOPEX海面测高绝对偏差为145 mm±29 mm，后来发现该偏差是数据处理程序错误造成的，随后进行计算程序的纠正和升级，提高了数据精确性(Nerem 等，1997)。2003年Haines等(2003)利用Harvest定标场对T/P和后续卫星Jason-1高度计进行定标，发现T/P绝对偏差已接近0 mm，表明新版本T/P数据已纠正先前定标发现的测高偏差，但Jason-1存在138 mm±18 mm的绝对偏差。2010年Haines等(2010)又利用Harvest定标场对Jason-1和Jason-2定标，其中Jason-1绝对偏差降为94 mm ±15 mm，表明Jason-1的数据产品精度有所提高，Jason-2定标结果是178 mm±16 mm，后来数据生产机构根据该定标结果对误差源进行了定位和改正，目前Jason-2的绝对偏差约为±2 cm，但Jason-1的测高绝对偏差依然较高。Harvest定标场的近30年定标工作，实现了卫星高度计测高偏差的持续性监测，更重要的是为数据偏差的改正提供依据。


图 1 美国Harvest石油平台卫星高度计定标主要设施分布(Haines 等，2003)
Fig. 1 Distribution of facilities at Harvest platform for satellite altimetry calibration(Haines et al., 2003)

2.2 GNSS浮标

GNSS浮标可以直接布放在卫星星下点测量海面瞬时高度，与卫星测高结果进行直接比较，从而可避免引入大地水准面、潮汐等模型误差，但由于该方法持续性较差，并且在实际测量时受海况以及基站距离影响较为显著，存在较大的测量不确定性，因此主要是作为一种辅助定标手段。该方法一般选择在卫星过境前后4 h进行星下点海面高度测量，利用岸基GNSS基站进行浮标数据的差分后处理，通过数据滤波消除海况影响，并对WGS-84椭球和卫星高度计参考椭球进行基准统一，最终可得到卫星高度计的测高绝对偏差，图2为在青岛千里岩海域得到的GNSS浮标测高时间序列和卫星高度计定标示例(周东旭 等，2015；杨磊 等，2017)。


图 2 基于GNSS浮标的卫星高度计海面高度定标示例(杨磊 等，2017)
Fig. 2 Example of altimeter calibration using GNSS buoy(Yang et al., 2017)

该方法最早由George等在美国Harvest平台附近用于T/P卫星的定标，通过与Harvest业务化定标场结果互相对比(Born 等，1994)，验证了GNSS浮标用于卫星高度计定标的可行性，此外Watson等(2003)在澳大利亚Bass海峡也采用GNSS浮标对T/P、Jason-1等卫星定标，取得了和其他定标场一致的结果。由于该方法经济成本较低，且在现场实施过程中具备较强灵活性，中国对HY-2A高度计卫星的定标中主要采用了浮标方法，如翟万林等(2012, 2014)在GNSS浮标定标技术领域开展了大量研究，在千里岩海域获得Jason-2一个周期的测高偏差，结果和国际定标场结果符合；杨磊等(2017)在青岛千里岩和珠海担杆岛海域开展了GNSS浮标试验，研究了浮标天线高的精密检验方法，分析了基站距离对海面高解算精度的影响以及不同海况下的测量精度，获取了HY-2A、Jason-2和Saral等卫星高度计星下点测高绝对偏差，同时验证在稳定海况及基站靠近浮标情况下，GNSS浮标测高与验潮仪差异标准差仅为8 mm(图3)，并发现浮标测高不确定度随基站距离增加而增加。此外因为GNSS浮标海面测高时间序列还可以反应海面波动，Zhou等(2015)基于GNSS浮标测高数据，通过4倍中误差方法反演了有效波高(SWH)，验证了Jason-2和Saral卫星的SWH精度，结果表明星地测量相对差异约为7%，图4为GNSS浮标反演SWH的结果。


图 3 GNSS浮标和验潮站在静水状态下的同步观测海面高度比对
Fig. 3 Comparison of the simultaneous SSH from GNSS buoy and the tide gauge data over the calm water


图 4 基于GNSS浮标的高度计有效波高精度检验(曲线表示滤波后浮标测量结果)
Fig. 4 Calibration of altimetry measured SWH by GNSS buoy

2.3 星—星交叉定标

星—星交叉定标是一种普遍使用的相对定标和质量评估方法(Ablain 等，2010)，该方法指通过计算不同卫星观测轨迹的交叉点测量不符值，进行全球或者局部海区的交叉点不符值统计，获得星间测量的系统性差异特征。该方法可探测系统异常和地域性误差，评估系统性能和测量精度, 并且不需要实测数据，不存在地域限制，可对多种观测参数进行全球数据质量分析，如海面高度、后向散射系数、有效波高、海况偏差、大气湿延迟改正、电离层改正等。国内学者利用交叉定标技术研究了HY-2A和Jason-2之间海面高度、有效波高等多参数的差异，并进行了系统差异统计分析(杨磊 等，2016)，图5表示HY-2A和同期Jason-2观测的交叉点有效波高SWH时间序列，统计表明二者相关系数为0.84，星间日均值的差异为–3.8 cm±7.1 cm，具有很好的一致性，表明HY-2A反演SWH的精度较高。通过交叉定标还发现HY-2A海面高度异常存在漂移现象，速率约为每年–60 cm，与千里岩定标场结果较为一致(杨磊 等，2016)。Saral高度计发射后，也有学者也利用Jason-2数据对Saral高度计资料进行了星—星交叉定标，图6为二者交叉点海面高度差异的空间分布特征，发现了两颗卫星之间存在–5.8 cm±6.7 cm的系统性差异，结果和国际专门定标场的绝对定标结果一致(杨磊 等，2014)。此外，Cheng等(2014)利用交叉点方法分析了HY-2A和Saral、Cryosat卫星在北极海域的海面高度星间差异，彭海龙(2015)分析了HY-2A第44周期数据和Jason-2同期资料的差异，对于快速认识HY-2A的误差分布特征具有重要的意义。


图 5 HY-2A与Jason-2的SWH全球日均值序列(杨磊 等，2016)
Fig. 5 The daily mean of SWH for HY-2A and Jason-2(Yang et al., 2016)


图 6 Saral/AltiKa与Jason-2交叉点空间分布及海面高度差异空间特征(杨磊 等，2014)
Fig. 6 Distribution of crossover points and spatial features of the SSH difference at crossover points for Saral/AltiKa and Jason-2(Yang et al., 2014)

2.4 有源定标器、全球验潮和Argo观测网

有源定标器定标是卫星高度计绝对定标的一种经典方法，它通过接受卫星雷达信号并放大信号返回至卫星，可以精确测量星地距离，确定高度计测距偏差，该方法可在陆地进行卫星定标，从而避免了海上波浪、潮汐、海况等影响，但由于存在较多的测量不确定性，在卫星高度计绝对定标中并未业务化使用(Zhen，1993；Denys 等，1995；Pesec 等，1996)。目前国内外的有源定标器定标研究主要是试验性质，还存在较多未解决的问题，如ESA利用有源定标器在希腊Crete岛开展了Jason-2定标试验，表明测量标准偏差为3 mm，较传统的验潮方式(标准偏差1 cm)显著提升了精度，同时也发现有源定标器自身可能存在8 cm的系统偏差，Hausleitner等(2012)推断这是因为实验室对有源定标器自身的标定结果不适用于野外。此外中国国家空间科学中心针对HY-2A定标研发了车载移动式重构有源定标器，在中国沿海开展多次定标试验，获取了HY-2A高度计测距偏差和漂移速率，对了解HY-2A高度计的工作性能具有重要价值(Wan 等，2015；Wang 等，2016)。

利用全球分布的验潮站和Argo观测网也可探测卫星测高长时间序列漂移，但全球验潮站和Argo资料均未统一参考基准，故不能得到高度计绝对偏差。因大部分验潮站未配置长期GNSS运行站，故验潮时间序列还存在地壳沉降或上升的影响，导致高度计定标不准确(Ray 等，2010)。Chambers等利用全球验潮站和全球Argo浮标两种资料对T/P的测高漂移做了研究，两种资料获得了相对一致的结论，估计T/P存在每年约–2.6 mm±1.5 mm的漂移，并推断是微波辐射计TMR产生了系统性漂移，之后美国JPL实验室确认TMR漂移并对其进行了改正(Chambers 等，1998)，然后Mitchum利用全球验潮站数据再次分析了T/P的多年海面高观测时间序列，并利用有限的全球沿海GNSS资料改正地壳沉降，发现T/P卫星的系统漂移已降低为每年约–0.5 mm(Mitchum，2000)。

3 中国卫星高度计定标场

为了对HY-2A卫星高度计实施绝对定标，中国在卫星发射前后积极寻找合适的海上定标场所，并与希腊克里特定标场开展卫星定标国际合作，引进国外先进定标技术。在中国卫星高度计定标场的选址和建设过程中，以避免重复建设、充分利用已有海洋台站资源、快速形成业务化卫星高度计绝对定标能力以及一站多星为原则，选择青岛千里岩海洋站及周边海域为中国卫星高度计海上定标场，通过开展验潮基准测绘、地壳形变监测、海上大地水准面模型精化与检验、GNSS浮标测量等工作，目前千里岩已具备为国内外多颗卫星高度计提供绝对定标的业务化能力。中国还在珠海担杆岛拟建设一处海上综合卫星定标场，建成之后也将具备对卫星高度计业务化定标的能力，目前担杆岛还在规划施工阶段。

3.1 千里岩定标场

2011年开始国家海洋局在千里岩岛及周边海域进行外业勘查，并开展卫星定标现场实验研究，经过数年的场地建设和测量工作，千里岩岛已成为中国首个永久的卫星高度计业务化海上定标场，也是目前国内唯一可为国内外多颗卫星高度计提供定标结果的定标场。图7为千里岩地理位置、卫星地面轨迹分布以及定标场主要设施，该定标场距大陆约48 km，面积仅0.2 km2，该岛距离Jason-2和Saral卫星交叉点约2.5 km，距离HY-2轨迹最近点约19 km，距离Sentinel-3A轨迹最近点约25 km，研究证明该海域的雷达回波波形呈现开阔海域波形特征，微波辐射计观测的亮度温度也未受到陆地或者岛屿影响，各卫星高度计数据质量均正常。千里岩有国家海洋局建立的长期海洋观测站，验潮站已记录了超过20年的潮位数据，2013年建立了与验潮站相邻的并址GNSS连续运行站，用于监测验潮站的地壳垂直形变，并改正地壳形变引入的潮位测量误差，此外千里岩站还具备完善的气象设备以及专门的数据传输链路，因此综合考虑千里岩海上定标场地理位置、卫星过境情况、硬件设施及数据资源条件，均满足国内外卫星高度计的绝对定标需求，且多颗卫星同时过境使其成为国内理想定标地点。


图 7 千里岩定标场地理位置、过境卫星轨迹以及主要设施分布(Yang 等，2017)
Fig. 7 Geographical location of the Qianliyan calibration site, main altimetry satellites tracks and the distribution of the main facilities(Yang et al., 2017)

千里岩业务化海上定标场采用的定标方法与其他国际定标场一致，为同步验潮方式结合大地水准面进行海面高度传递，因此构建千里岩定标场的主要外业工作包括基准统一测量和大地水准面现场精度检核。目前已通过GNSS大地测量和精密水准连测，实现了验潮基准和卫星基准的统一，通过多次GNSS浮标定点观测验证了大地水准面模型的精度(杨磊 等，2017)。内业的卫星高度计绝对偏差计算使用Mertikas等人推荐的定标公式(Yang 等，2017)，其中表2为千里岩过境的卫星高度计主要配置参数，图8表示千里岩定标场获得的Jason-2、Jason-3、Saral和Sentinel-3A卫星高度计多年的连续定标结果，图9表示千里岩定标场获得的HY-2A连续定标结果，表3为千里岩定标结果与主要国外定标结果的比较，结果表明千里岩定标场与国际定标场的结果基本一致，但对于HY-2A的定标结果与Crete定标场有较为显著的差异，其原因是Crete定标场采用HY-2A数据跨度较短，未探测漂移现象。

表 2 千里岩定标场卫星高度计配置参数
Table 2 Main parameters of satellite altimeters over the Qianliyan site

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HY-2A Jason-2 Jason-3 Saral/AltiKa Sentinel-3A
卫星轨迹 P147 P153 P153 P735 P447
PCA距离/km 19 2 2 3 25
高度计波段 Ku\C Ku\C Ku\C Ka Ku\C
重访周期/d 14 9.9 9.9 35 27
数据高频/Hz 20 20 20 40 20
微波辐射计及频率/GHz ACMR 18.7, 23.8, 37 AMR 18.7, 23.8, 34 AMR 18.7, 23.8, 34 DMR23.8, 37 WMR 23.8, 36.5
数据版本 IGDR GDR-D GDR-D GDR-T Level2 SAR模式 Marine中心后处理产品
参考椭球 T/P T/P T/P T/P WGS-84


图 8 千里岩定标场的国外卫星高度计绝对定标结果
Fig. 8 Absolute calibration results of the foreign satellite altimeters based on Qianliyan site


图 9 千里岩定标场的HY-2A卫星高度计绝对定标结果(杨磊 等，2017)
Fig. 9 Absolute calibration results of HY-2A based on Qianliyan site(Yang et al., 2017)

表 3 千里岩与国际定标场的结果对比
Table 3 Comparison of calibration results between Qianliyan and international sites

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/cm
千里岩 Crete Bass Corsica Harvest
HY-2A –51 cm/a
(漂移速率) 		–27.8±2.7 — — —
Saral –4.6±0.6 –4.7±0.6 — –7.4±0.4 —
Jason-2 1.9±0.3 0.7±0.3 1.9±0.2 –0.8±0.2 2.0±0.2
Jason-3 1.0±0.5 –4.0±0.5 –0.2±0.4 –3.1±0.4 –0.1±0.4
Sentinel-3A –3.9±1.3 0.8±0.5 3.7±0.4 2.2±0.7 —

千里岩GNSS连续运行站主要目的是进行站址的地壳形变监测，探明地壳形变速率，改正验潮数据，提高定标精度，但由于千里岩GNSS接收机故障，数据丢失较为严重，故本文采用了临近的小麦岛站(图7 XMD表示)进行地表运动分析。小麦岛距千里岩约88 km，二者配置的GNSS连续运行站同属于中国沿海GNSS连续运行系统，并皆为基岩型GNSS站，基岩地表位移和沉降主要是板块活动造成，千里岩和小麦岛属于同一大陆板块，可近似认为二者遵循一致的地壳运动。通过GNSS组网解算，获得了小麦岛GNSS站的逐日解，图10表示地面垂直方向的2010年—2015年形变时间序列，由于故障问题中间存在两次数据中断，但从整体结果分析，可判断站址在垂直方向未发生显著的形变，因此在定标中使用的验潮资料不必加入地壳沉降改正。


图 10 基于青岛小麦岛GNSS连续运行站的定标场垂向形变时间序列
Fig. 10 Vertical deformation of the calibration site based on the Xiaomaidao GNSS continuous station

3.2 万山定标场

万山定标场由国家卫星海洋应用中心负责建设，主要设计为HY-2高度计提供绝对定标，目前还在建设之中。该定标场选址位于珠江口门最外侧的香港南侧海域，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，较为适宜开展高度计海面高度定标。图11(a)表示2015年进行的万山海洋动力环境首次海上综合勘察航迹，对万山海域的海洋动力环境、海洋光学等进行了综合考察，并同步开展了HY-2A星下点定标试验，通过浮标获取了HY-2A在该海域的单周期绝对偏差，通过和千里岩定标结果比较，验证了HY-2A的系统漂移现象(杨磊 等，2017)。如图11(b)所示，根据规划设计该场区将配置验潮站、GNSS基站，设置大气微波辐射计、GNSS浮标、波浪仪以及有源定标器等定标设备，构建中国首个业务化运行的综合海上卫星定标场。


图 11 万山HY-2卫星高度计定标场
Fig. 11 HY-2 satellite altimeter calibration site of Wanshan

3.3 定标场网规划

鉴于当前卫星高度计均采用星下点观测，单个海上定标场难以同时实现多个组网卫星的定标，因此结合中国卫星高度计海上定标场现状，计划从中国沿海已有的业务化海洋观测站中选取约5个站点，开展大地水准面精化以获取cm级的大地水准面模型实现海面高度传递，开展GNSS大地测量以统一星地海面高度测量基准，最终形成中国沿海均匀分布的卫星高度计定标场网。

目前中国沿海已建立100多处业务化海洋观测站，具备验潮、气象等观测设备，2010年后在56处站点建立了GNSS连续运行系统(图12红三角)，这些海洋站可为卫星高度计定标提供长期连续验潮和GNSS数据等基本资料，为构建中国沿海卫星高度计定标场网提供关键的基础条件。为满足卫星高度计绝对定标需求，制定如下海洋站选取策略：(1) 验潮、气象观测设施以及测量标志点完好；(2) 具备并址GNSS连续运行站；(3) 陆地或者海岛对高度计回波影响较小；(4) 卫星地面轨迹距离验潮点的最近距离在35 km以内。据此标准筛选海洋站分布见图12中圆点，最终选择芷锚湾、成山头、千里岩、东山和三亚等站试验区，初步设计为中国沿海定标场网，各站点卫星过境情况见表4。


图 12 中国海洋观测站分布及定标场网计划(红、黑、绿线分别表示HY-2、Jason、Saral地面轨迹)
Fig. 12 Distribution of the Chinese oceanic observation sites and the plan of satellite altimeter calibration network(The red, black and green lines represent the HY-2, Jason and Saral ground tracks)

表 4 中国卫星高度计定标场网站点的卫星过境轨迹
Table 4 Satellite tracks passed the Chinese satellite altimeter calibration network

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HY-2轨迹/PCA* Jason轨迹/PCA Saral轨迹/PCA Sentinel-3A轨迹/PCA Sentinel-3B轨迹/PCA
芷锚湾 P147/2 P138/0 P735/20 P634/18 P447/9
成山头 P009/4 — P722/14 P320/30 P675/3；P320/10
千里岩 P147/20 P153/2 P735/3 P447/24 P206/7；P447/15
嵊 山 P147/7 P62/0 P735/13 P548/15 P447/0；P548/27
东 山 P313/25 P88/14；P229/6 P163/4；P808/15 P92/30；P305/13 P206/33
三 亚 P231/10 P77/7 P221/15 P64/4 P705/33
　注：* PCA表示卫星轨迹至验潮站的最近点距离，单位为km。

4 星载微波辐射计大气湿延迟精度检验

高度计卫星平台除搭载高度计载荷进行距离测量，还搭载微波辐射计进行大气湿延迟观测，并用于校正高度计测距。由于微波辐射计观测可能存在系统偏差或系统漂移，且大气湿延迟是目前影响测高精度的主要因子，利用地面实测资料检核星载微波辐射计测量精度，对于维持测高数据长期一致性、消除测高误差十分重要(Brown 等，2009)。目前GNSS观测站除观测地心三维坐标、监测地壳沉降以及维护定标场基准之外，还在水汽反演方面发挥了巨大作用(张双成 等，2009)，并在微波辐射计检验中取得了较好应用(Desai和Haines，2004)，本文使用中国沿海业务化GNSS观测资料计算天顶湿延迟，对过境卫星的Jasan-2微波辐射计进行精度检验，分析其大气湿延迟观测误差。

雷达高度计脉冲传播速率受大气干、湿分量影响而变慢，其中干延迟分量基本保持在2.3 m，变化小且可用模型准确估计，湿延迟分量可产生约6—40 cm的测距影响，且和大气水汽含量密切相关，变化较显著，研究证明湿延迟是影响卫星测高精度的最大误差源之一(Sibthorpe 等，2011)。星载微波辐射计直接观测海面亮度温度，进而通过多通道的亮度温度计算大气湿延迟(王振占和李芸，2004；王振占 等，2013)，研究表明微波辐射计对于较小的系统性漂移敏感，可对长期的测高数据带来显著影响(Keihm 等，2000)。GNSS作为一种微波测距定位系统，GNSS天线接受的卫星信号也受到大气对流层延迟影响，陆地GNSS接收机的每颗卫星路径对流层总延迟可通过映射函数(mapping function)转换为接收机天顶总延迟。与卫星高度计相同，GNSS天顶对流层总延迟也包括干分量和湿分量，通过高精度GNSS分析软件计算获取总延迟后，还需利用实测或者模型气压数据计算大气干延迟分量，本研究使用的气压数据为欧洲中尺度气象预报中心(ECWMF)发布的0.25°空间分辨率、每日4次的再分析资料(下载地址为 http://apps.ecmwf.int/datasets/[2018-03-05])，确定总延迟和干延迟分量后便可做差求得湿延迟分量，GNSS干、湿延迟计算公式(王朝阳 等，2016)分别为采用式(1)和式(2)

$P{D_{{\rm{dry}}}} = 2.2779{P_{\rm{s}}}/\left({1 - 0.00266\cos \left({2\varphi } \right) - 0.00028{H_{\rm{s}}}} \right)$ (1)

式中，PDdry为天顶干延迟(mm)，Ps为地面气压(hPa)， $\varphi $ 为地理纬度(rad)；Hs为测站海拔高度(km)。

$P{D_{{\rm{wet}}}} = PD - P{D_{{\rm{dry}}}}$ (2)

式中，PDwet为天顶湿延迟，PD为GNSS天顶总延迟，由Bernese GNSS分析软件解算获得。

本文从中国沿海GNSS观测网选取山东威海成山头站点2010年—2016年观测数据，通过Bernese软件得到天顶方向每小时的PD时间序列，干延迟由ECWMF再分析气压资料计算，总延迟PD和干延迟的时间序列结果如图13(a)所示，均表现出显著季节性变化。进一步通过式(2)可获得GNSS天顶湿延迟，结果如图13(b)所示，图13(b)同时绘制了Jason-2 AMR(第55周期—第303周期)对流层湿延迟时间序列，二者具有高度一致性，图13(c)图表示春夏秋冬4季代表月份的GNSS湿延迟时间序列，基本特征是夏季值最大且变化性强，冬季最小且变化性小。前人研究表明50 km空间尺度、1 h的天顶对流层延迟变化小于5 mm(Brown 等，2004)，因此本研究通过插值获取卫星过境时刻的GNSS大气湿延迟，以及高度计卫星轨迹距GNSS站最近点的AMR湿延迟，可忽略二者空间上的差异(小于50 km)。通过做差得到Jason-2 AMR对流层湿延迟偏差时间序列(图14)，偏差较大的周期均出现在夏季，可能与夏季大气可降水量增加，且存在剧烈的时空变化有关，另外夏季水汽分布的时空差异对插值结果也可能带来较明显的误差。统计表明Jason-2高度计有效周期数为244个，湿延迟差异均值为–6.9 mm(AMR-GNSS)，标准差为15.4 mm，趋势项为0.16 mm/a。图14还给出了GNSS湿延迟与ECWMF湿延迟模型值的差异，结果表明二者差异均值为–2.7 mm，标准差15.8 mm。两组比较结果表明AMR微波辐射计的大气湿延迟偏小(短)，精度较ECWMF模型值略高。最后对Jason-2 第153轨迹全部海洋测区的AMR湿延迟和ECWMF湿延迟模型值进行了比较，结果如图15所示，二者差值均值7.4 mm，标准差6.7 mm，同样表明AMR观测的大气湿延迟偏小。


图 13 Jason-2微波辐射计与成山头GNSS连续运行站反演的大气湿延迟
Fig. 13 Wet troposphere delay from GNSS continuous station at Chengshantou site and the Jason-2 microwave radiometer AMR


图 14 成山头GNSS湿延迟和Jason-2 AMR湿延迟差值时间序列, GNSS湿延迟和ECWMF模型值差值时间序列
Fig. 14 Difference of wet delay between the Jason-2 AMR and Chengshantou GNSS, and the difference of wet delay between Chengshantou GNSS and ECWMF model


图 15 Jason-2第153轨迹的辐射计湿延迟和模型值差值时间序列
Fig. 15 Difference of wet delay between ECWMF model and the AMR measurement of the Jason-2 pass 153

5 结　语

HY-2A卫星高度计发射后，中国开展了多种定标技术的研究工作，在GNSS浮标、有源定标器、业务化定标场、星—星交叉定标等技术领域积累了一定经验。本文对国内外主要高度计定标技术研究现状进行总结，介绍近年来中国在卫星高度计定标方面的主要进展，利用中国首个业务化运行的千里岩海上定标场给出了HY-2A、Jason-2、Jason-3、Saral、Sentinel-3A等多颗国内外卫星高度计海面高度测量偏差，通过与国外定标场的比较验证了中国定标结果的可靠性。利用中国沿海业务化GNSS站对Jason-2星载微波辐射计进行了精度分析，结果表明沿海业务化GNSS系统可为星载微波辐射计定标提供重要的数据支撑，为掌握高度计大气湿延迟误差提供参考依据，这是该系统除监测业务化定标场地壳形变外的又一重要应用。基于本文研究可判断当下定标技术已不是限制中国海洋高度计卫星应用的主要因素，结合中国HY-2A测高资料的处理和应用现状，定标后的误差溯源与改正工作相对欠缺，已成为制约中国海洋高度计卫星应用的关键因素。最后结合卫星高度计新技术的发展趋势以及当下中国卫星高度计定标存在的主要问题，提出以下几方面的研究难点与趋势：

(1)误差溯源与改正。通过定标可以获得高度计的测量偏差，然而寻找造成测量偏差的原因、确定误差源的量化值是获得定标偏差之后的另一重要研究工作，并是一项相对困难的研究，因为测量偏差的产生原因可能多种多样，可以是硬件系统也可以是软件系统，可以是地球物理改正模型误差也可以是高度计测距偏差，可能是由太空环境变化造成的也可能是发射前实验室定标的不确定性造成。

(2)远海GNSS浮标定标技术。目前卫星高度计定标场主要分布在近岸，因此陆地背景辐射对微波辐射计有显著污染，影响湿大气路径延迟校正项计算，进而造成高度计数据在近岸质量较低，影响定标结果。远海GNSS浮标(离岸大于50 km)可以有效消除该误差，目前NASA正研发可用于卫星高度计定标的小型化、低功率、实时传输的业务化GNSS观测浮标系统，直接布放在远离大陆的开阔海域，避免陆地对高度计回波和微波辐射计带来影响。由于远离陆地的GNSS浮标数据解算难以进行差分计算，需采用精密单点定位PPP技术分析浮标GNSS数据，基于PPP技术的动态GNSS海面高以及电离层和对流层延迟计算将达到何种精度，是未来一个重要研究课题。

(3)定标场网构建。受制于卫星轨道设计、海上定标场的选址因素，单一海上定标场难以同时兼顾组网多星高度计的定标需求，同时考虑综合的海上定标场建设成本高，因此为节约建场经费，定标场网应充分考虑已有海洋站设施和资料的共享利用，将适合卫星高度计定标的海洋业务化观测站纳入定标网，通过海洋站观测设备升级、建立定标观测标准，开发多站误差一致性评估技术，进一步丰富海洋站“一站多能”内涵，并实现定标场之间的结果互相检核。

(4)新型体制宽刈幅高度计定标技术。宽刈幅高度计是综合了偏离天底点观测技术与高度跟踪测量技术、合成孔径技术和干涉技术发展起来的新型卫星测高仪器，主要观测海洋中尺度和亚中尺度现象，同时也对内陆水系进行水位测量(张杰 等，2015)。目前欧美正在研制宽刈幅高度计卫星SWOT，计划于2021年左右发射，通过星上10 m长基线两端的高度计天线进行干涉测量，可覆盖120 km的地面宽度(Dibarboure 等，2012)，中国也在积极研发此类高度计卫星(如“观澜号”成像雷达高度计)。根据其测量原理，1 mm的天线基线长度误差将带来40 cm测高偏差，1弧秒的基线横滚误差将带来35 cm的测高偏差，因此相比传统星下点高度计，其测量原理复杂性，需要考虑卫星平台姿态、干涉技术引入的偏差校正，其误差敏感性以及厘米级精度要求将更加突出卫星定标的重要性(Dibarboure 等，2012)。目前NASA已规划专门的SWOT卫星测高定标试验区，宽刈幅高度计数据的绝对定标技术是未来的重要研究趋势。

志 谢 感谢王朝阳博士和周东旭博士处理中国沿海GNSS连续运行站数据，感谢千里岩海洋站工作人员在外业测量时给与的协助，感谢国家卫星海洋应用中心提供HY-2A IGDR数据，法国AVISO网站提供Jason-2、Jason-3、Saral高度计GDR数据，欧洲EUMETSAT数据中心提供Sentinel-3高度计Level-2 SAR模式海洋数据，欧洲ECWMF提供气压数据，感谢希腊克里特理工大学Mertikas教授提供中国HY-2A卫星的克里特定标场结果，本文绘图和交叉点计算使用了开源GMT通用绘图工具，在此特别感谢GMT开发者。

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