GNSS浮標(biāo)技術(shù)標(biāo)定衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀

信息工程大學(xué) 翟振和

一、引言

衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)在全球海平面變化及海洋重力場(chǎng)反演中扮演著重要角色，星載雷達(dá)高度計(jì)至今已經(jīng)歷了Geos-3，Seasat，Geosat，TOPEX/Poseidon，ERS-1/2，Jason-1和Envisat等多代星載高度計(jì)的發(fā)展歷程。衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)的標(biāo)定是保證高精度海面高測(cè)量的前提，通過(guò)標(biāo)定能夠發(fā)現(xiàn)高度計(jì)可能存在的偏差，進(jìn)而進(jìn)行改正，衛(wèi)星高度計(jì)定標(biāo)主要包括海面高度和后向散射系數(shù)的定標(biāo)。本文主要討論海面高的標(biāo)定。

隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展，基于GNSS的浮標(biāo)測(cè)量技術(shù)逐步成熟并應(yīng)用于衛(wèi)星高度計(jì)的標(biāo)定中。Hein(1990)，Kelecy(1992)最早開展了GPS浮標(biāo)技術(shù)的概念研究，由于動(dòng)態(tài)GPS定位技術(shù)的發(fā)展，使得GPS浮標(biāo)技術(shù)可以作為獨(dú)立的檢測(cè)手段。慕尼黑天文和物理大地測(cè)量學(xué)院于上世紀(jì)90年代初在北海的Medem-Reede區(qū)域開展了浮標(biāo)試驗(yàn)。Born(1994)第一次在Harvest平臺(tái)利用GPS浮標(biāo)對(duì)T/P衛(wèi)星進(jìn)行了標(biāo)定。Key(1999)提出了一種適應(yīng)單接收機(jī)的精密單點(diǎn)定位算法，這種算法不需要陸地參考站，從而提高了浮標(biāo)測(cè)量的應(yīng)用距離。GNSS浮標(biāo)技術(shù)應(yīng)用于標(biāo)定，主要涉及浮標(biāo)設(shè)備及GNSS數(shù)據(jù)處理兩部分，本文將從這兩部分入手分析和探討GNSS浮標(biāo)技術(shù)標(biāo)定衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)的主要方法和發(fā)展現(xiàn)狀。

二、GNSS浮標(biāo)的主要類型和特點(diǎn)

現(xiàn)有的浮標(biāo)測(cè)量設(shè)備大致可以分為三類。一類是輕量騎波式浮標(biāo)（見圖1），此類浮標(biāo)一般由救生用具作為漂浮平臺(tái)，平臺(tái)上只安裝天線，天線參考點(diǎn)（ARP）大約高于海水面5～20cm，浮標(biāo)由附近的船系留和操作。這種浮標(biāo)的成本較低，容易建造和操作，能夠反映瞬時(shí)海面的變化，不需要顧及平臺(tái)的吃水深度和傾斜。這種浮標(biāo)的缺點(diǎn)在于在浮標(biāo)操作過(guò)程中需要人員和船艇的支持，觀測(cè)時(shí)間有限，且受限于海況和浪高。典型的有澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)研制的“MkI”浮標(biāo)。

第二類是自主型的輕量騎波式浮標(biāo)（見圖2），這種浮標(biāo)在輕量式浮標(biāo)基礎(chǔ)上增加了接收機(jī)設(shè)備和電池設(shè)備，因此能夠進(jìn)行數(shù)天的自主運(yùn)行，同時(shí)也避免了天線電纜對(duì)浮標(biāo)的影響，但在惡劣海況環(huán)境下仍然不能使用。典型的有澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)研制的“MkII”浮標(biāo)。

第三類是堅(jiān)固型的海洋浮標(biāo)，這類浮標(biāo)不僅有GNSS觀測(cè)系統(tǒng)，還擁有電源存儲(chǔ)、供電設(shè)備以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，能夠在任何海況下進(jìn)行長(zhǎng)期的自主觀測(cè)，天線參考點(diǎn)一般高于海平面5m～7m。這種浮標(biāo)的缺點(diǎn)在于成本較高，天線不能反映瞬時(shí)海平面的變化，很難精確確定天線相對(duì)于水平面位置。德國(guó)的慕尼黑FAF天文和物理大地測(cè)量學(xué)院、地球科學(xué)研究中心（GFZ）、德累斯頓技術(shù)大學(xué)，以及美國(guó)的國(guó)家海洋服務(wù)局（NOS）、國(guó)家大地測(cè)量局（NGS）都曾研發(fā)過(guò)這種大型海洋浮標(biāo)。

三、GNSS浮標(biāo)標(biāo)定的基本原理及地球物理改正

利用GNSS浮標(biāo)通過(guò)與岸上的GNSS參考站聯(lián)測(cè)，可以獲得浮標(biāo)所在位置的高精度海面高數(shù)據(jù)hBuoy，即該海面相對(duì)于橢球的高度（見圖3），同時(shí)測(cè)高衛(wèi)星飛過(guò)該位置的海面高測(cè)量值SSHA，也通過(guò)式（1）得到。

式中，hAlt表示衛(wèi)星相對(duì)于橢球高度；rAlt表示高度計(jì)測(cè)量獲得的衛(wèi)星相對(duì)于海面的高度；ΔRdry表示干對(duì)流層改正；ΔRwet表示濕對(duì)流層改正；ΔRion表示電離層改正；ΔRssb表示海況偏差改正。

根據(jù)以上兩個(gè)海面高的觀測(cè)量就可以得到高度計(jì)測(cè)量偏差Bias。

由于輕量型的GNSS浮標(biāo)觀測(cè)不完全連續(xù)，因此可以利用驗(yàn)潮站和海洋錨不間斷地獲得不同基準(zhǔn)下海面高數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用來(lái)作為GNSS浮標(biāo)觀測(cè)的補(bǔ)充和增強(qiáng)。除此之外，為了獲得高精度的海面高測(cè)量值，還必須考慮各種地球物理因素的影響，包括固體地球潮汐、極潮以及海洋、大氣引起的質(zhì)量負(fù)荷。

由于高度計(jì)觀測(cè)量中包含了地球潮汐的永久部分，因此浮標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)也必須顧及這個(gè)因素，永久潮汐帶來(lái)的垂直分量的改正公式（單位mm）見式（3）和式（4）。

式中，φ表示觀測(cè)點(diǎn)的地心緯度。

極潮引起的位置變化是由于地球自轉(zhuǎn)引起極區(qū)的變化，這種變化進(jìn)而引起觀測(cè)點(diǎn)離心力位的變化。極潮引起的垂直分量最大的變化達(dá)到25mm，水平分量改正最大達(dá)到7mm，極潮改正公式（單位mm）見式（5）～式（9）。

式中， Sγ，Sφ，Sλ分別表示徑向、緯度和經(jīng)度方向的改正量；m1，m2可用式（8）和式（9）表示

質(zhì)量負(fù)荷主要包括海洋潮汐負(fù)荷、大氣負(fù)荷以及陸地水文負(fù)荷三種類型。海洋潮汐負(fù)荷的影響最為明顯，在極端情況下對(duì)測(cè)站位置的影響最大可達(dá)100mm（Penna，2002）。海洋潮汐負(fù)荷的改正公式見式（10）。

式中，Acj和φcj分別表示潮汐振幅和相位；ωj表示潮汐角速度；χj表示天文幅角；fj，νj表示與月球交點(diǎn)經(jīng)度有關(guān)的量。

大氣負(fù)荷在50HPa大氣壓力環(huán)境下對(duì)位置垂直分量的影響最大可達(dá)20mm～30mm，對(duì)水平分量的影響最大可達(dá)2mm～10mm，影響最大的區(qū)域是極區(qū)。大氣負(fù)荷對(duì)位置影響可用格林函數(shù)的卷積以及一個(gè)面壓力場(chǎng)（如國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心（NCEP）的模型）表示。水文負(fù)荷的影響目前較難確定，主要是因?yàn)楦鞣N因素較難量化和建立負(fù)荷信號(hào)模型。van Dam（2001）研究發(fā)現(xiàn)水文信號(hào)的低頻部分在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)（如幾年）在大部分區(qū)域的年變化不會(huì)超過(guò)0.5mm/y，但在個(gè)別區(qū)域（如亞馬遜盆地）的年變化會(huì)達(dá)到2.5mm/y。

四、GNSS浮標(biāo)標(biāo)定技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

這里以對(duì)TOPEX/Poseidon、Jason-1兩顆測(cè)高衛(wèi)星的標(biāo)定為例介紹GNSS浮標(biāo)的應(yīng)用情況，標(biāo)定地點(diǎn)位于澳大利亞的Bass海峽（具體位置見圖4）。

如圖4所示，與美國(guó)NASA的Harvest和法國(guó)的Corsica標(biāo)定場(chǎng)不同，Bass海峽標(biāo)定點(diǎn)位于南半球，離澳大利亞大陸的兩個(gè)GPS基準(zhǔn)站分別為18km及22.7km，且處于兩顆衛(wèi)星編號(hào)為088的降弧段地面軌跡上，這是它的獨(dú)特之處。該標(biāo)定點(diǎn)使用的是增強(qiáng)型的“MkII”浮標(biāo)，從2001年9月至2002年5月共進(jìn)行了7次浮標(biāo)觀測(cè)，每次觀測(cè)持續(xù)4個(gè)小時(shí)，其中一次為試驗(yàn)，另一次因?yàn)樘鞖庠蛟斐蓴?shù)據(jù)不可用，剩余5次觀測(cè)數(shù)據(jù)用來(lái)分析處理。

實(shí)際處理時(shí)，首先將陸地參考站的參考框架和測(cè)高衛(wèi)星的參考框架統(tǒng)一到ITRF2000，參考橢球?yàn)镚RS80橢球，其次利用GLOBK，TRACK軟件解算浮標(biāo)相對(duì)于參考橢球的位置。對(duì)于每一個(gè)歷元，浮標(biāo)三維位置、接收機(jī)鐘差、大氣模型改正同時(shí)解算，大氣延遲改正參數(shù)的初始標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置為0.1m，隨機(jī)游走噪聲設(shè)定為0.0001m/ 。為了形成連續(xù)觀測(cè)序列，利用海洋錨觀測(cè)數(shù)據(jù)與GPS浮標(biāo)數(shù)據(jù)共同組成1Hz的參考時(shí)間序列，與測(cè)高衛(wèi)星的海面高序列進(jìn)行比較進(jìn)而獲得測(cè)高衛(wèi)星高度計(jì)的偏差。通過(guò)比較得到T/P衛(wèi)星高度計(jì)的絕對(duì)偏差為0±14mm，Jason-1高度計(jì)的絕對(duì)偏差為152±13mm。同時(shí)期，NASA的Harvest平臺(tái)對(duì)Jason-1高度計(jì)的檢核結(jié)果是138±17mm，比較結(jié)果說(shuō)明：GPS浮標(biāo)在Bass海峽的標(biāo)定是較為可靠的。

五、結(jié)束語(yǔ)

利用GNSS浮標(biāo)標(biāo)定衛(wèi)星高度計(jì)是浮標(biāo)技術(shù)和GNSS技術(shù)成功組合的產(chǎn)物，這也說(shuō)明了GNSS技術(shù)在海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用性和擴(kuò)展性。通過(guò)本文的分析可以看出，GNSS浮標(biāo)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)成為衛(wèi)星高度計(jì)標(biāo)定的有效手段。同時(shí)GNSS浮標(biāo)也存在很大的發(fā)展空間，首先在目前的浮標(biāo)設(shè)計(jì)中更多的是采用GPS接收機(jī)作為觀測(cè)手段，隨著歐盟Galileo、俄羅斯GLONASS及我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展成熟，兼容多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)勢(shì)必會(huì)逐漸發(fā)展起來(lái)，這為提高海面高測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量提供了良好機(jī)遇。此外，設(shè)計(jì)能夠長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的浮標(biāo)設(shè)備也將成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。我國(guó)已經(jīng)發(fā)射了海洋2號(hào)測(cè)高衛(wèi)星，后續(xù)也將規(guī)劃新一代測(cè)高衛(wèi)星，本文所做的工作將為我國(guó)自主標(biāo)定衛(wèi)星高度計(jì)提供一定的參考和借鑒。

見www.dcw.org.cn