雙星伴飛衛(wèi)星測(cè)高模式及其軌道設(shè)計(jì)

鮑李峰,許厚澤

中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所,湖北武漢 430077

雙星伴飛衛(wèi)星測(cè)高模式及其軌道設(shè)計(jì)

鮑李峰,許厚澤

中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所,湖北武漢 430077

為達(dá)到提高反演海洋重力場(chǎng)分辨率的要求,提出一種雙星伴飛的測(cè)高衛(wèi)星模式,并根據(jù)衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)的基本要求,給出相應(yīng)的衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方案。仿真分析表明,該方案可在衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命內(nèi)完成反演1′×1′空間分辨率海洋重力場(chǎng)的要求,且觀測(cè)數(shù)據(jù)覆蓋了全球大部分海洋區(qū)域。該模式可實(shí)現(xiàn)星下點(diǎn)海平面梯度的實(shí)時(shí)測(cè)量,提出了改進(jìn)測(cè)高反演海洋重力場(chǎng)精度的新思路。

衛(wèi)星測(cè)高;測(cè)高重力場(chǎng);海平面梯度

1 引 言

海洋衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型的衛(wèi)星遙感測(cè)量技術(shù),隨著空間技術(shù)、光電技術(shù)和微波技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展,在空間大地測(cè)量領(lǐng)域產(chǎn)生了一場(chǎng)深刻的革命。衛(wèi)星測(cè)高提供了海洋區(qū)域統(tǒng)一的高程基準(zhǔn),高精度、高分辨率的大地水準(zhǔn)面起伏,以及全球海域高精度、高分辨率的重力異常。

目前,已有Geosat、ERS-1、ERS-2和T/P等主要測(cè)高衛(wèi)星的資料,以及正在運(yùn)行的主要接替衛(wèi)星Envisat、Jason、GFO、Cryosat2也可利用,并將陸續(xù)發(fā)射Altika、HY-2B和SWOT等新一代測(cè)高衛(wèi)星。利用目前多顆測(cè)高衛(wèi)星的融合,已獲得全球海洋區(qū)域2′×2′分辨率及毫伽級(jí)精度的海洋重力場(chǎng)分布[3-14],這已是現(xiàn)有傳統(tǒng)高度計(jì)觀測(cè)模式下反演海洋重力場(chǎng)的極限。

隨著衛(wèi)星測(cè)高資料的不斷補(bǔ)充和積累,以及新數(shù)據(jù)處理手段的提出和改進(jìn),衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫竭M(jìn)一步拓寬和深化。就大地測(cè)量領(lǐng)域而言,利用衛(wèi)星測(cè)高資料反演重力異常的主要工作,將著重于更高精度和高分辨率以及時(shí)變重力場(chǎng)的確定。

依靠單顆測(cè)高衛(wèi)星同時(shí)滿(mǎn)足反演全球高精度和高分辨率海洋重力場(chǎng)的要求,需要很長(zhǎng)時(shí)間的高精度海面高度觀測(cè)積累,以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道交叉點(diǎn)高密度的要求(在由逆Vening-Meinesz公式反演海洋重力場(chǎng)過(guò)程中,海洋重力場(chǎng)由沿軌海面高梯度計(jì)算的軌道交叉點(diǎn)垂線偏差資料得到。因此,測(cè)高海洋重力場(chǎng)的空間分辨率主要是由軌道交叉點(diǎn)的空間分布決定的)。對(duì)于這種長(zhǎng)重復(fù)周期的衛(wèi)星軌道,經(jīng)過(guò)衛(wèi)星軌道交叉點(diǎn)的升軌和降軌時(shí)間間隔可能相差幾個(gè)月,甚至幾年?？紤]到長(zhǎng)時(shí)間間隔情況下,復(fù)雜的星下點(diǎn)海面變化,衛(wèi)星升降軌海面高梯度觀測(cè)精度已不能滿(mǎn)足軌道交叉點(diǎn)高精度垂線偏差計(jì)算的需要。為提高測(cè)高反演海洋重力場(chǎng)的空間分辨率和精度,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)聯(lián)合多顆測(cè)高衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行重力場(chǎng)反演計(jì)算,其主要目的是為了提高軌道交叉點(diǎn)的分布密度,縮短經(jīng)過(guò)軌道交叉點(diǎn)不同沿軌海面高梯度的時(shí)間間隔。但從衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看,絕大多數(shù)衛(wèi)星高度計(jì)主要用于海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)研究,只有Geosat的GM(geodetic mission)任務(wù)和ERS-1的168天重復(fù)周期任務(wù)是為了實(shí)現(xiàn)測(cè)高反演海洋重力場(chǎng)——這一大地測(cè)量學(xué)研究?jī)?nèi)容而設(shè)計(jì)的。現(xiàn)有的測(cè)高反演海洋重力場(chǎng)結(jié)果中,其高頻/短波部分主要依靠Geosat/GM和ERS-1/168days期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)。這兩顆測(cè)高衛(wèi)星,分別與20世紀(jì)80年代和90年代初期在軌運(yùn)行,受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制,軌道確定精度和高度計(jì)的觀測(cè)精度都無(wú)法滿(mǎn)足高精度重力場(chǎng)反演的要求,同時(shí)兩顆衛(wèi)星交叉點(diǎn)的空間覆蓋也滿(mǎn)足不了高分辨率(優(yōu)于2′×2′)的要求。

在國(guó)外測(cè)高高度計(jì)發(fā)展過(guò)程中,實(shí)際上也有雙星伴飛模式的雛形,例如Topex/Poseidon和Jason-1兩顆衛(wèi)星在軌重疊任務(wù)期間,進(jìn)行了雙星伴飛的組合試驗(yàn),其主要目的是為了兩顆高度計(jì)觀測(cè)資料的數(shù)據(jù)標(biāo)定/校驗(yàn),以及提高中尺度海洋動(dòng)力環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力。但通過(guò)這樣的兩顆衛(wèi)星組合方式,已證明了雙星伴飛模式可以用來(lái)提高數(shù)據(jù)觀測(cè)的空間分辨率。

同時(shí),新的測(cè)高觀測(cè)技術(shù)也正用于提高測(cè)高重力場(chǎng)反演精度和分辨率中,例如,美國(guó)宇航局(NASA)提出利用先進(jìn)的干涉合成孔徑高度計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)星下點(diǎn)海平面的掃描式觀測(cè),以大幅縮短單顆衛(wèi)星全球覆蓋的重復(fù)周期,進(jìn)而提高交叉點(diǎn)垂線偏差的計(jì)算精度。歐空局(ESA)計(jì)劃利用新型合成孔徑高度計(jì)技術(shù)提高沿軌海面高及海面高梯度的觀測(cè)精度。除了多顆測(cè)高衛(wèi)星的觀測(cè)組合,以及新型高度計(jì)(合成孔徑高度計(jì)、干涉合成孔徑高度計(jì)等)的應(yīng)用之外,還有許多學(xué)者對(duì)測(cè)高數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行了深入探討,發(fā)展諸如波形恢復(fù)技術(shù)等方法[15-16],以提高衛(wèi)星測(cè)高海面高觀測(cè)精度。

本文在已有的衛(wèi)星高度計(jì)精度指標(biāo)基礎(chǔ)上,根據(jù)測(cè)高衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)的基本要求,以及測(cè)高重力場(chǎng)反演重力場(chǎng)空間分辨率的需求,筆者提出一種雙星伴飛模式的測(cè)高衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方案。并給出相應(yīng)的軌道設(shè)計(jì),利用該方案,可在較短時(shí)間內(nèi),實(shí)現(xiàn)高分辨率全球大部分海域的海面高梯度測(cè)量,為海洋測(cè)高重力場(chǎng)的精確確定提供了高分辨率的數(shù)據(jù)?？蓪y(cè)高反演海洋重力場(chǎng)的分辨率提高到1′×1′。

2 測(cè)高衛(wèi)星的雙星伴飛模式

衛(wèi)星測(cè)高雙星伴飛模式,是指為滿(mǎn)足提高反演海洋重力場(chǎng)空間分辨率以及海平面高梯度計(jì)算精度的要求,采用類(lèi)似于Topex/Poseidon和Jason1組合的衛(wèi)星軌道運(yùn)行模式,見(jiàn)圖1。其主要思想是,兩顆衛(wèi)星采用相同的軌道參數(shù),僅在入軌時(shí),在赤道上空,東西間隔2 km。在兩顆衛(wèi)星有效觀測(cè)期間,兩顆衛(wèi)星始終同時(shí)處于相同緯度。僅經(jīng)度方向上有固定的距離。這樣處理的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)海平面高度進(jìn)行測(cè)量時(shí),可以同時(shí)給出星下點(diǎn)海平面東西方向和南北方向上的梯度值。而且由雙星模式計(jì)算的海面高梯度的精度優(yōu)于傳統(tǒng)單顆衛(wèi)星得到的結(jié)果。

圖1 測(cè)高衛(wèi)星的雙星伴飛模式設(shè)計(jì)Fig．1 Twin-satellites altimetry design

這種雙星伴飛模式將具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)太陽(yáng)同步軌道:可以避免太陽(yáng)能帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)姿態(tài)的影響。

(2)空間覆蓋:全球絕大部分海域,空間分辨率高,衛(wèi)星壽命期間可以實(shí)現(xiàn)多次覆蓋。

(3)雙星組合:實(shí)時(shí)計(jì)算星下點(diǎn)海面高梯度,包括南北方向和東西方向。通過(guò)雙星組合,可以大幅提高計(jì)算精度。

(4)反演重力場(chǎng)方法:既可以利用海面高度觀測(cè),也可以利用海面高梯度信息反演海域重力場(chǎng)。

(5)降低地球物理改正項(xiàng)的要求:利用海面高梯度反演重力場(chǎng),通過(guò)雙星位置的關(guān)系與地球物理改正時(shí)空特征,可以降低地球物理改正的要求。

(6)可快速形成多種分辨率的重力場(chǎng)產(chǎn)品:得益于雙星伴飛模式的優(yōu)點(diǎn),可以利用不同時(shí)間段的衛(wèi)星觀測(cè)資料反演不同分辨率的重力場(chǎng),可以進(jìn)行重力場(chǎng)時(shí)變監(jiān)測(cè),可以監(jiān)測(cè)全球海平面變化。

3 雙星伴飛模式測(cè)高衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)

3．1 軌道需求分析

為滿(mǎn)足衛(wèi)星高度計(jì)的任務(wù)需求,衛(wèi)星經(jīng)過(guò)同一地區(qū)時(shí)的光照條件應(yīng)基本一樣,星下點(diǎn)軌跡應(yīng)周期性重復(fù),故應(yīng)選擇太陽(yáng)同步兼回歸軌道。為滿(mǎn)足全球南北緯度±80°的覆蓋觀測(cè)范圍,決定了軌道傾角應(yīng)在90°～100°之間?？紤]到星載儀器的工作環(huán)境要求,以及其他因素。衛(wèi)星軌道高度設(shè)定在800 km左右。

在高度及資料反演重力場(chǎng)過(guò)程中,由于軌道設(shè)計(jì)通常采用近似極軌的方式運(yùn)行,因此高度計(jì)計(jì)算的海面高梯度中,南北方向上海面高梯度分量計(jì)算精度明顯優(yōu)于東西方向上梯度分量計(jì)算精度。為提高重力場(chǎng)反演精度。理論上,應(yīng)盡可能采用類(lèi)似T/P或Jason-1/2的近似66°傾角的觀測(cè)軌道。但考慮到太陽(yáng)同步設(shè)計(jì)和軌道高度的要求,雙星伴飛模式的衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)采用大約98°的傾角。

3．2 軌道設(shè)計(jì)計(jì)算

衛(wèi)星的運(yùn)行軌道由軌道傾角i、近地點(diǎn)幅角ω、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、偏心率e、軌道半長(zhǎng)軸a以及衛(wèi)星經(jīng)過(guò)近地點(diǎn)的時(shí)刻tp共6個(gè)經(jīng)典軌道要素決定。只要確定了某一時(shí)刻的衛(wèi)星軌道6要素,衛(wèi)星的軌道即衛(wèi)星的位置和速度矢量也就確定了。其中,i 和Ω決定了軌道面在慣性空間的位置;ω決定了軌道本身在軌道面內(nèi)的指向;a和e決定了軌道的大小和形狀;tp決定了衛(wèi)星在軌道上的位置[17-19]。

太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星的軌道平面繞地球極軸進(jìn)動(dòng)的角速度,等于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的平均角速度(0．985 647°)。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)同步,可使太陽(yáng)矢量與軌道平面的夾角基本保持不變。太陽(yáng)同步軌道的主要優(yōu)點(diǎn)是衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)基本保持不變,衛(wèi)星每天可在相同的光照條件下定時(shí)獲取相應(yīng)地區(qū)的觀測(cè)資料。衛(wèi)星太陽(yáng)同步軌道特性利用了地球形狀攝動(dòng)中的主要部分J2項(xiàng),使衛(wèi)星軌道Ω的長(zhǎng)期變化率等于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的平均角速度,從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)同步。在地球非球形J2項(xiàng)攝動(dòng)的影響下,升交點(diǎn)赤經(jīng)的長(zhǎng)期變化率為

式中,Re為地球赤道平均半徑,且Re＝6 378．137 km; n為軌道平均角速度。在太陽(yáng)同步條件下,近地軌道的軌道傾角與半長(zhǎng)軸應(yīng)有如上相互約束的條件。

凍結(jié)軌道使衛(wèi)星地面高度在同一地區(qū)幾乎保持不變,軌道的拱線靜止,即軌道半長(zhǎng)軸指向不變。凍結(jié)軌道的形狀保持不變,亦即˙e＝˙ω＝0,這可通過(guò)相應(yīng)的小偏心率和對(duì)ω進(jìn)行約束而實(shí)現(xiàn)?？紤]J2、J3項(xiàng),并把攝動(dòng)函數(shù)代入拉格朗日攝動(dòng)方程,則有

因?yàn)镴3＜0,所以當(dāng)tan2i＞e時(shí),ω＝90°;當(dāng)tan2i＜e時(shí),ω＝270°。因此,對(duì)高度低于1000 km的近地軌道,只有當(dāng)i＜2°時(shí),才有ω＝270°,在其余傾角下均取ω＝90°。整理式(4),略去e的高階小量,并代入ω＝90°,可得

由式(5)可知,凍結(jié)軌道的偏心率e取決于半長(zhǎng)軸a和軌道傾角i。

降交點(diǎn)地方時(shí)的選取考慮兩種因素,一是對(duì)光照和陰影區(qū)的要求;二是太陽(yáng)引力對(duì)衛(wèi)星的攝動(dòng),特別是對(duì)軌道傾角的攝動(dòng)影響。影響降交點(diǎn)地方時(shí)TDN主要有太陽(yáng)引力引起i的變化,以及大氣阻力引起Ω的改變兩個(gè)因素。若TDN＝6:00或18:00時(shí),則軌道平面大致與太陽(yáng)射線垂直;若TDN＝12:00或0:00時(shí),則軌道平面大致與太陽(yáng)射線平行。

升交點(diǎn)赤經(jīng)為春分點(diǎn)至軌道升交點(diǎn)的角距。太陽(yáng)同步軌道Ω一年的變化量為360°,在地球J 2項(xiàng)的作用下,Ω的變化率接近于0．985 6°/d。在發(fā)射時(shí)間和降交點(diǎn)地方時(shí)確定后,發(fā)射點(diǎn)的Ω也就相應(yīng)確定了。如發(fā)射選在春分日,則當(dāng)TDN為0:00時(shí),該點(diǎn)的Ω＝180°;當(dāng)TDN為6:00時(shí),該點(diǎn)的Ω＝90°;當(dāng)TDN為12:00時(shí),該點(diǎn)的Ω＝0°; 當(dāng)TDN為18:00時(shí),該點(diǎn)的Ω＝270°。

常用的軌道周期有恒星周期Ts和交點(diǎn)周期Tφ。因衛(wèi)星軌道在不斷變化,對(duì)應(yīng)瞬時(shí)軌道的周期亦隨時(shí)間t而變。恒星周期Tφ為

式中,μ為地球引力常數(shù)。

恒星周期是理想的周期,未計(jì)入攝動(dòng)對(duì)軌道的影響,而且它無(wú)法直接測(cè)定。但衛(wèi)星在實(shí)際運(yùn)行時(shí),會(huì)受到多種攝動(dòng)的影響,尤其是由地球非球形J2項(xiàng)攝動(dòng)引起的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)的長(zhǎng)期變化,會(huì)使衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的升交點(diǎn)在赤道上產(chǎn)生漂移。交點(diǎn)周期Tφ是對(duì)應(yīng)衛(wèi)星星下點(diǎn)連續(xù)兩次(升段或降段)通過(guò)同一標(biāo)準(zhǔn)緯圈φ的時(shí)間間隔。Ts與Tφ存在以下關(guān)系

式中,交點(diǎn)周期Tφ主要取決于半長(zhǎng)軸a,受軌道傾角i的影響較小。

3．3 雙星伴飛模式衛(wèi)星高度計(jì)軌道參數(shù)

根據(jù)對(duì)衛(wèi)星軌道應(yīng)用的初步分析,星下點(diǎn)軌跡應(yīng)周期性地重復(fù),因此軌道設(shè)計(jì)需要選擇太陽(yáng)同步回歸軌道。衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況,選擇多個(gè)軌道的高度H和傾角i以滿(mǎn)足既定約束條件,再?gòu)倪@些軌道中挑選出滿(mǎn)足要求的軌道。測(cè)高高度計(jì)衛(wèi)星計(jì)劃同時(shí)發(fā)射兩顆衛(wèi)星,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1′×1′重力場(chǎng)空間分辨率,因此,雙星組合的空間覆蓋分辨率需優(yōu)于1′×1′,考慮到衛(wèi)星沿軌速度通常在7 km/s左右,傳統(tǒng)模式下高度計(jì)觀測(cè)沿軌頻率通常高于每秒20次,20 Hz的高度計(jì)沿軌觀測(cè)間隔約為350 m。如果高度計(jì)采用SAR(synthetic aperture radar)模式,通過(guò)多視觀測(cè),沿軌空間分辨率約為320 m[參考Cryosat2 SAR/ SARin(synthetic aperture radar interfere)模式]。此外,考慮到衛(wèi)星設(shè)計(jì)傾角選擇90°～100°的太陽(yáng)同步軌道,因此,雙星組合在沿軌方向上(或轉(zhuǎn)換成子午線方向上)的空間分辨率可以滿(mǎn)足重力場(chǎng)反演的需要。在東西方向上,當(dāng)采用設(shè)計(jì)軌道,相鄰衛(wèi)星觀測(cè)軌跡間距在赤道上小于1′時(shí),即可滿(mǎn)足空間分辨率的要求。軌道空間分辨率設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于,如何設(shè)計(jì)一種雙星觀測(cè)模式,使得衛(wèi)星軌跡在赤道上的相鄰軌跡間距優(yōu)于1′(1海里)。同時(shí),這樣的軌道回歸周期需盡可能短,軌道傾角需盡量避免極軌。避免極軌的原因是為了在由高度計(jì)資料計(jì)算海平面梯度時(shí),盡可能提高東西方向上海平面梯度的觀測(cè)精度[8]。不同軌道傾角東西方向、南北方向海平面梯度示意見(jiàn)圖2。

圖2 不同軌道傾角東西方向、南北方向海平面梯度示意圖Fig．2 Components of deflections of verticals vs．inclination

由于采用雙星同時(shí)觀測(cè),通過(guò)雙星組合,對(duì)其中任意一顆衛(wèi)星,只需滿(mǎn)足赤道上相鄰軌道間距優(yōu)于2′,再通過(guò)另一顆衛(wèi)星的空間覆蓋補(bǔ)充(類(lèi)似T/P和Jason1項(xiàng)目標(biāo)定期間的組合模式),即可實(shí)現(xiàn)赤道上1′軌道間距的要求。

為此,可先給出回歸圈數(shù)N,再由N計(jì)算出回歸周期D,然后在多種組合中選擇合適的軌道傾角i,根據(jù)a和i關(guān)系,通過(guò)解方程可得到軌道的高度。

當(dāng)Re取6 378．137 km;K取2′(約3．6 km);η為軌道刈幅重疊率,考慮到無(wú)論是傳統(tǒng)LRM (low resolution mode)模式還是SAR模式的高度計(jì)觀測(cè),其單點(diǎn)觀測(cè)的星下點(diǎn)足跡寬度都超過(guò)2 km,因此在計(jì)算回歸周期時(shí),η可設(shè)為0,通過(guò)計(jì)算可得N＝10 800。即兩顆高度計(jì)衛(wèi)星各需圍繞地球觀測(cè)10 800圈,再通過(guò)數(shù)據(jù)融合處理,即可實(shí)現(xiàn)全球海平面1′×1′空間分辨率的觀測(cè)。

綜合考慮衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命、大氣阻力、電離層等各種因素,高度計(jì)衛(wèi)星的軌道高度大致設(shè)定在800 km左右。在太陽(yáng)同步軌道的前提下,軌道高度越高,可以獲得更好的軌道傾角。由軌道高度與交點(diǎn)周期的關(guān)系可知,800 km高度的衛(wèi)星軌道,其軌道交點(diǎn)周期Tφ大致約為6060 s,由此可先估算D值的大小。

已知Tφ＝6056 s,則解上述方程可求出a－Re,即軌道高度為796．795 km。上述方程式的解算可以利用Mathmatics軟件或采用數(shù)值逼近方法解算。

軌道傾角計(jì)算:由太陽(yáng)同步軌道條件可由計(jì)算所得軌道高度,通過(guò)式(1)計(jì)算軌道傾角:當(dāng)軌道高度為796．795 km時(shí),軌道傾角i＝98．589 2°。

軌道偏心率計(jì)算:根據(jù)凍結(jié)軌道條件,式(5)可得偏心率e＝0．001 028 87;式中,J3?。?．534 553 38E-006。

考慮到衛(wèi)星的工作壽命較長(zhǎng)(至少5年),軌道設(shè)計(jì)計(jì)算中考慮了地球的二階長(zhǎng)期攝動(dòng)。兼顧了太陽(yáng)同步、回歸,全球覆蓋3種軌道特性,表1給出了衛(wèi)星和軌道設(shè)計(jì)有關(guān)的衛(wèi)星總體參數(shù)。

表1 雙星伴飛模式衛(wèi)星軌道參數(shù)Tab．1 Orbit design of twin-satellites altimetry

根據(jù)表1的軌道參數(shù),經(jīng)仿真分析,可計(jì)算出如下的星下點(diǎn)軌跡圖(圖3—圖6),并表明軌道方案中的軌道具有良好的回歸特性。

圖3 單星1 d地面軌跡示意圖Fig．3 Ground track in one day of new mode

圖4 單顆衛(wèi)星5 d地面軌跡分布圖Fig．4 Ground track in five days of new mode

圖5 單顆衛(wèi)星15 d地面軌跡分布圖Fig．5 Ground track in fifteen days of new mode

圖6 單顆衛(wèi)星30 d地面軌跡分布圖Fig．6 Ground track in thirty days of new mode

4 設(shè)計(jì)軌道對(duì)空間觀測(cè)的覆蓋特性

從衛(wèi)星地面軌跡分布來(lái)看,對(duì)雙星伴飛模式測(cè)高衛(wèi)星中任意一顆衛(wèi)星,每天至少有4 d升軌和降軌通過(guò)我國(guó)海域。測(cè)高衛(wèi)星的有效觀測(cè)范圍覆蓋了全球海洋絕大部分區(qū)域,在極區(qū)也有部分觀測(cè)值。衛(wèi)星軌道空間分布大致均勻,從15 d和30 d衛(wèi)星地面軌跡分布圖來(lái)看,利用15 d和30 d大致全球均勻分布的觀測(cè)數(shù)據(jù),就可以得到全球較低分辨率的海面高觀測(cè)結(jié)果。粗率估算,在一個(gè)完整的回歸周期757 d內(nèi),大約可實(shí)現(xiàn)2．6×109個(gè)獨(dú)立的海面高觀測(cè),在2 km×2 km單元格內(nèi),約有22個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)。這樣密集的數(shù)據(jù)采樣,為實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度的海洋重力場(chǎng)反演提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?？晒浪?衛(wèi)星正常運(yùn)行N天即可獲得較低分辨率的重力場(chǎng)。衛(wèi)星運(yùn)行周期和反演海洋重力場(chǎng)分辨率見(jiàn)表2。

表2 衛(wèi)星運(yùn)行周期和反演海洋重力場(chǎng)分辨率Tab．2 Days and resolution of twin-satellites altimetry

5 結(jié) 論

根據(jù)測(cè)高衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)的基本要求,以及測(cè)高重力場(chǎng)反演重力場(chǎng)空間分辨率的需求,筆者提出的測(cè)高衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方案可在較短時(shí)間內(nèi),實(shí)現(xiàn)高分辨率全球大部分海域的海面高梯度測(cè)量,為海洋測(cè)高重力場(chǎng)的精確確定提供了高分辨率的數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)單星測(cè)高模式相比,雙星伴飛模式的測(cè)高衛(wèi)星不僅能提供雙星星下點(diǎn)海面高度的信息,其最大的優(yōu)勢(shì)還在于能夠?qū)崟r(shí)給出星下點(diǎn)海面梯度觀測(cè)信息,這是傳統(tǒng)單星測(cè)高模式無(wú)法比擬的。

該測(cè)高衛(wèi)星軌道對(duì)海洋重力場(chǎng)反演精度的影響,主要體現(xiàn)在獲取的星下點(diǎn)海平面梯度數(shù)據(jù)精度的提升上面。傳統(tǒng)測(cè)高反演海洋重力場(chǎng)中,在軌道交叉點(diǎn)上,可以利用升軌和降軌的沿軌跡海面高梯度兩個(gè)觀測(cè)量來(lái)解算交叉點(diǎn)處的垂線偏差,在非交叉點(diǎn)上,通過(guò)不同衛(wèi)星的數(shù)據(jù)累積,或者通過(guò)相鄰交叉點(diǎn)上解算值的內(nèi)插,獲得沿軌垂線偏差計(jì)算值。雙星伴飛模式的測(cè)高衛(wèi)星不僅能提供星下點(diǎn)海面高度信息,還可以實(shí)時(shí)給出星下點(diǎn)海面梯度觀測(cè)信息,與傳統(tǒng)測(cè)高模式相比,大大提高了海面梯度觀測(cè)分布密度和精度。進(jìn)而,由海平面梯度信息推算的海洋重力場(chǎng)結(jié)果(包括垂線偏差、重力異常等)的精度也會(huì)得到提高。

在雙星伴飛模式測(cè)高衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,由于各項(xiàng)地球物理改正項(xiàng)在小尺度空間范圍內(nèi),變化都比較平緩,通過(guò)差分的方法,可以有效地降低地球物理改正對(duì)最終梯度計(jì)算的影響。另外,由于兩顆衛(wèi)星星間距始終保持在一定范圍內(nèi)(大約2 km),因此,兩顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,各項(xiàng)大氣、地球物理改正項(xiàng)也幾乎一致。當(dāng)采用海面高梯度方法通過(guò)逆Vening-Meinesz公式反演海洋重力場(chǎng)時(shí),可以降低高度計(jì)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中各項(xiàng)大氣、地球物理項(xiàng)改正的精度要求。

[1] FU L L,CAZENAVE A．Satellite Altimetry and Earth Sciences:a Handbook of Techniques and Applications [M]．San Diego:Academic Press,2001．

[2] FAIRHEAD J D,GREEN C M,ODEGARD M E．Satellitederived Gravity Having an Impact on Marine Exploration [J]．Leading Edge,2001,20:873-876．

[3] ANDERSEN O B,KNUDSEN P．Global Marine Gravity Field from the ERS-1 and GEOSAT Geodetic Mission Altimetry[J]．Journal of Geophysics Research,1998, 103:8129-8137．

[4] ANDERSEN O B,KNUDSEN P．The DNSC08 Mean Sea Surface and Mean Dynamic Topography[J]．Journal of Geophysics Research,2009,DOI:10．1029/2008JC005179．

[5] HWANG C,PARSONS B．An Optimal Procedure for Deriving Marine Gravity from Multi-satellite Altimetry[J]．Geophysical Journal International,1996,125:705-719．

[6] HWANG C．Analysis of Some Systematic Errors Affecting Altimeter Derived Sea Surface Gradient with Application to Geoid Determination over Taiwan[J]．Journal of Geodynamic,1997,71:113-130．

[7] SANDWELL D T,SMITH W H F．Marine Gravity Anomaly from Geosat and ERS-1 Satellite Altimetry[J]．Journal of Geophysics Research,1997,102:10039-10054,DOI: 10．1029/96JB03223．

[8] SANDWELL D T,SMITH W H F．Retracking ERS-1 Altimeter Waveforms for Optimal Gravity Field Recovery [J]．Geophysical Journal International,2005,163,79-89,DOI:10．1111/j．1365-246X．2005．02724．x．

[9] SANDWELL D T,SMITH W H F．Global Marine Gravity from Retracked Geosat and ERS-1 Altimetry:Ridge Segmentation Versus Spreading Rate[J]．Journal of Geophysics Research,2009,114,B01411,DOI:10．1029/2008 JB006008．

[10] LI Jiancheng,CHEN Junyong,Ning Jinsheng,et al．Theory of Earth Gravity Field Approach and Determination of China Quasi-geoid 2000[M]．Wuhan:Wuhan University Press,2003．(李建成,陳俊勇,寧津生,等．地球重力場(chǎng)逼近理論與中國(guó)2000似大地水準(zhǔn)面的確定[M]．武漢:武漢大學(xué)出版社,2003．)

[11] XU Houze,WA NG Haiying,LU Yang,et al．Geoid Undulations and Gravity Anomalies from T/P and ERS-1 Altimeter Data in the China Sea and Vicinity[J],Chinese Journal of Geophysics,1999,42(4):465-471．(許厚澤,王海瑛,陸洋,等．利用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)推求中國(guó)近海及鄰域大地水準(zhǔn)面起伏和重力異常研究[J]．地球物理學(xué)報(bào), 1999,42(4):465-471．)

[12] HUANG Motao,ZHAI Guojun,GUAN Zheng,et al．On the Recovery of Gravity Anomalies from Altimeter Data[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2001,30(2):179-184．(黃謨濤,翟國(guó)君,管錚,等．利用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)反演海洋重力異常研究[J],測(cè)繪學(xué)報(bào),2001,30(2):179-184．)

[13] LI Jiancheng,NING Jinsheng,CHEN Junyong,et al．Determination of Gravity Anomalies over the South China Sea by Combination of TOPEX/Poseidon,ERS2 and Geosat Altimeter Data[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2001,30(3):197-202．(李建成,寧津生,陳俊勇,等．聯(lián)合TOPEX/Poseidon,ERS2和Geosat衛(wèi)星測(cè)高資料確定中國(guó)近海重力異常[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào), 2001,30(3):197-202．)

[14] JIN Taoyong,LI Jiancheng,JIANG Weiping,et al．The New Generation of Global Mean Sea Surface Height Model Based on Multi-altimetric Data[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2011,40(6):723-729．(金濤勇,李建成,姜衛(wèi)平,等．基于多源衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的新一代全球平均海面高模型[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào),2011,40(6):723-729．)

[15] WANG Haihong,LUO Zhicai,YANG Yuande,et al．An Adaptive Retracking Method for Coastal Altimeter Data Based on Waveform Classification[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2012,41(5):729-734．(汪海洪,羅志才,楊元德,等．基于波形分類(lèi)的近海衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)自適應(yīng)重跟蹤方法[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào),2012,41(5):729-734．)

[16] VIGNUDELLI S,KOSTIANOY A G,CIPOLLINI P,et al．Coastal Altimetry[M]．Berlin:Springer,2011．

[17] XI Xiaoning,WANG Wei,GAO Yudong．Fundamentals of Near-earth Spacecraft Orbit[M]．Changsha:National University of Defense Technology Press,2003．(郗曉寧,王威,高玉東．近地航天器軌道基礎(chǔ)[M]．長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,2003．)

[18] LIU Lin．Orbit Theory of Spacecraft[M]．Beijing:National Defence Industry Press,2000．(劉林,航天器軌道理論[M]．北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000．)

[19] CARL W．A Program of Geosat Exact Repeat Mission[J]．Journal of the Astronautical Sciences,1991,39(3):313-326．

(責(zé)任編輯:陳品馨)

Twin-satellites Altimetry Mode and Its Orbit Design

BAO Lifeng,XU Houze
Institute of Geodesy and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430077,China

To enhance the resolution of recovery of marine gravity field from satellite altimeter,a new twin-satellites altimetry mode is proposed in this paper．A detailed orbit design is also presented following the basic requirements of satellite’s orbit design．It is also demonstrated that the 1 minute marine altimetry gravity field can be derived to satisfy the requirement of high resolution．The observation of twin-satellite will cover most of the oceans and seas of the earth．Besides the sea surface height observations,the new model will provide two components of deflection of verticals along the track,which will contribute to the improvement of accuracy of marine altimetry gravity field．

satellite altimetry;marine altimetry gravity field;sea surface slope

BAO Lifeng(1979—),male,professor, majors in earth gravity field and satellite altimetry．

P228．3

A

1001-1595(2014)07-0661-07

2013-01-22

鮑李峰(1979—),男,研究員,研究方向?yàn)榈厍蛑亓?chǎng)模型及衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。

E-mail:baolifeng＠whigg．a(chǎn)c．cn

BAO Lifeng,XU Houze．Twin-satellites Altimetry Mode and Its Orbit Design[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014,43(7):661-667．(鮑李峰,許厚澤．雙星伴飛衛(wèi)星測(cè)高模式及其軌道設(shè)計(jì)[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào),2014,43(7):661-667．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0109

國(guó)家自然科學(xué)基金(41274050);海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(2014418027-2);國(guó)家測(cè)繪地理信息局對(duì)地觀測(cè)技術(shù)中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(K201101)

修回日期:2013-09-27