文件遥感第九章 高度计g.docx

第九章 高度计

§9.1高度计几何学（AltimeterGeometry）

从卫星探测海洋动力参数主要依靠微波传感器，其中高度计(Altimeter，ALT)最为成熟。ALT通过对海平面高度、有效波高、后向散射的测量，可同时获取流、浪、潮、海面风速等重要动力参数。卫星高度计还可应用于地球结构和海域重力场研究。

最早的卫星高度计是装载在美国国家海洋大气局的 GEOS-3(1975-1978)和美国宇航局的高度计卫星SeaSAT-A(1978)。八十年代，美国海军发射的卫星Geosat(1985-1988)装载有高度计；该高度计测量海表面高度的精度可达到5厘米，目前其后续卫星GeosatFollow-On(1998/2)正在继续高度计测量地球物理参数的使命。九十年代以来，美国宇航局与法国国家空间研究中心联合发射了高度计卫星TOPEX

/POSEIDON(1992/8)；随着雷达高度计和支持设备精度的提高以及校正工作的改进OPEX/POSEIDON测量海表面高度的精度达到了4.3厘米。进入二十一世纪以后，美国宇航局与法国国家空间研究中心联合又发射了Jason-1(2001/12)，这是TOPEX/POSEIDON的第一颗后续卫星。上述卫星是专门的高度计卫星，其运行轨道遵守高度计的测量需要。九十年代，欧洲空间局发射了兼顾多种任务的环境卫星ERS-1(1991)和ERS-2(1995)；其装载的雷达高度计也获得了大量数据。进入二十一世纪以后，欧洲空间局又发射了一颗环境卫星ENVISAT（2001/12），这是ERS-1/2的后续卫星。图9-1给出了高度计观测海洋的示意图。德克萨斯大学网页/courses/ase389/sensors/alt/alt3.html给出了详细的解释。

卫星轨道

卫星轨道

大地水准面

海平面

海面地形（海面起伏）

大地水准面

起伏

参考椭球面

地球质心

图9-1：高度计观测海洋的示意图

卫星高度(Range)

卫星高度计由一台脉冲发射器、一台灵敏接收器和一台精确计时钟构成。脉冲发射器从海面上空向海面发射一系列极其狭窄的雷达脉冲，接收器检测经海面反射的电磁波信号，再由计时钟精确测定发射和接收的时间间隔Δt，便可算出由高度计质心到星下点瞬时海面的距离，即卫星高度R。其计算公式表示为

R?

式中c是光速。

位势(Potential)

c?t

2 (9-1)

U?U ?U (9-2)

g a

式中Ug是固体地球、水和地球旋转产生的离心加速度（centrifugalacceleration）的重力势（potentialofgravity），Ua是大气产生的重力势。（注意，位势U还应包括一随时间变化的潮汐分量，这个分量可以精确的计算，但通常不能明确的保留下来）。Ug与重力加速度g的关系是

?U

g? ?g

(9-3)

z

地球等势面(Geop)和大地水准面(Geoid)

地球等势面指在式(9-2)中U等于常数的任意等势面。大地水准面指与平均海平面最接近的地球重力势的等势面,它反映了地球内部质量密度分布的不均匀特性。如果没有运动，大地水准面应和平均海平面一致。

参考椭球面(ReferenceEllipsoid)

参考椭球是地球形状的一阶近似定义，在绘图法中用来代表地球的大小和形状。它是由双轴椭圆的旋转产生的，可以看作是半径为赤道半径6378.1363Km，扁率为1/298.257的椭球体。参考椭球面是对大地水准面的最平滑的近似。

大地水准面高度(GeoidHeight)或大地水准面起伏(GeoidUndulation)

大地水准面高度（又称大地水准面起伏）指大地水准面相对于参考椭球面的高度。由于地球质量分布不匀，其变化范围在－104m和＋60m之间。我们用hg表示大地水准面高度。

海面动力高度(SeaSurfaceDynamicalHeight)或海面地形(SeaSurfaceTopography)

海面动力高度（又称海面地形）指海面到大地水准面的高度。该高度是由于海水运动引起的，其

全球平均高低差为±1.5m，含有洋流、潮汐和中尺度过程等海洋动力学的信息。我们用hd表示海面地形。

§9.2高度计的主要观测对象

§9.2.1高度计对海面地形的观测

海面地形hd可通过下式计算

h ?r?R?h ?? e (9-4)

d g i

i

式中r是卫星到参考椭球面的高度（Thedistancefromthesatellitecenterofmasstothereferenceellipsoidatthealtimetersub-sa