基于GNSS浮標(biāo)和驗(yàn)潮資料的HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)絕對定標(biāo)

楊磊，周興華*，王朝陽,2，梁冠輝，唐秋華，周東旭,2，雷寧,2，楊龍，穆博

(1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 定標(biāo)檢驗(yàn)部，北京 100081)

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基于GNSS浮標(biāo)和驗(yàn)潮資料的HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)絕對定標(biāo)

楊磊1，周興華1*，王朝陽1,2，梁冠輝1，唐秋華1，周東旭1,2，雷寧1,2，楊龍1，穆博3

(1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 定標(biāo)檢驗(yàn)部，北京 100081)

為探測我國HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)海面高測量絕對偏差及其在軌運(yùn)行狀態(tài)，本文利用GNSS浮標(biāo)星下點(diǎn)同步測量和驗(yàn)潮資料海面高傳遞方法在山東千里巖和珠海擔(dān)桿島海域開展定標(biāo)研究。為驗(yàn)證GNSS浮標(biāo)定標(biāo)方法的準(zhǔn)確性，還對國外衛(wèi)星Jason-2和Saral進(jìn)行了定標(biāo)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明GNSS浮標(biāo)絕對海面高測量精度達(dá)2 cm，對Jason-2和Saral高度計(jì)多個(gè)周期定標(biāo)得到的海面高偏差均值分別為5.7 cm和-2.3 cm，與國際專門定標(biāo)場的結(jié)果符合較好。2014年9月和2015年5月HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)浮標(biāo)定標(biāo)結(jié)果分別是-65 cm和-91 cm，因兩次結(jié)果差異顯著，故又利用千里巖驗(yàn)潮站資料對HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)第56至73周期進(jìn)行了定標(biāo)分析，結(jié)果證明HY-2A衛(wèi)星海面高存在約-51 cm/a的漂移，置信度為95%的回歸分析表明浮標(biāo)和驗(yàn)潮定標(biāo)結(jié)果符合。本文研究結(jié)果表明在我國尚無專門定標(biāo)場的情況下，可利用GNSS浮標(biāo)對我國高度計(jì)實(shí)施靈活、精準(zhǔn)的在軌絕對定標(biāo)，在有高度計(jì)軌跡經(jīng)過驗(yàn)潮站的情況下可使用驗(yàn)潮資料結(jié)合精密大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行絕對定標(biāo)。

GNSS浮標(biāo)；絕對定標(biāo)；HY-2A；Saral/AltiKa；Jason-2

1 引言

精確測定全球海平面變化對于研究海洋對全球氣候變化的影響具有重要意義，隨著衛(wèi)星測高技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星海面高測量的精度已達(dá)到2～3 cm[1—2]，已成為全球海平面監(jiān)測的重要的手段。2011年我國發(fā)射了首顆HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)，并計(jì)劃發(fā)射后續(xù)的系列高度計(jì)衛(wèi)星，這對于提升我國的海洋監(jiān)測能力具有重要意義[3—4]。除了HY-2A衛(wèi)星，目前主要的在軌衛(wèi)星高度計(jì)還有Jason-2和 2013年印度法國合作的Saral/AltiKa高度計(jì)[5]，另外于2016年1月17日J(rèn)ason-2的后續(xù)星Jason-3也已成功發(fā)射并在軌運(yùn)行。多顆衛(wèi)星高度計(jì)同步觀測可顯著提高海面高時(shí)空分辨率，對研究中小尺度的全球和局部海洋變化具有重要的意義[6-7]。然而各高度計(jì)可能存在不同的系統(tǒng)偏差，同一顆高度計(jì)也可能出現(xiàn)因儀器老化帶來的漂移現(xiàn)象[8]，因此為了保證不同測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)的長期一致性和可靠性，通常在衛(wèi)星運(yùn)行期間需要在專門的海上定標(biāo)場進(jìn)行在軌絕對海面高(SSH)定標(biāo)，以確定其SSH觀測的系統(tǒng)性偏差，并通過改正引起偏差的誤差源來提高數(shù)據(jù)的觀測精度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)融合和精密銜接[8]。

國外衛(wèi)星高度計(jì)(如Jason-2&3和Saral/AltiKa等)通過國際專門定標(biāo)場獲取了海面高絕對偏差，對于了解衛(wèi)星在軌工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)改進(jìn)起到積極作用，這些定標(biāo)場主要位于美國Harvest石油平臺[9—11]、澳大利亞Bass海峽[12—14]、法國Corsica島[7,15—16]，以及希臘Crete島[17—18]，多數(shù)定標(biāo)場已經(jīng)跟隨不同的衛(wèi)星任務(wù)持續(xù)運(yùn)行了數(shù)十年。目前我國公開了HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)IGDR數(shù)據(jù)，但國內(nèi)外對其開展的絕對定標(biāo)研究仍然不足，對HY-2A 數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用和誤差改正都有一定的限制。由于我國尚未建立專門的高度計(jì)定標(biāo)場，因此通過國際合作，希臘Crete島定標(biāo)場給出了對HY-2A 第54至62周期SGDR的定標(biāo)結(jié)果為(-27±3)cm[18]，然而由于定標(biāo)時(shí)間長度較短，該結(jié)果并未探測到Wan等利用有源定標(biāo)器在陸地發(fā)現(xiàn)的HY-2A USO漂移現(xiàn)象[19]。此外彭海龍等利用全球驗(yàn)潮網(wǎng)絡(luò)對早期的HY-2A IGDR第1至30周期數(shù)據(jù)進(jìn)行了相對定標(biāo)分析[20]，并對HY-2A 第44周期的IGDR數(shù)據(jù)與Jason-2同期數(shù)據(jù)進(jìn)行了差異的統(tǒng)計(jì)分析[21]，然而研究表明HY-2A第51周期之前的數(shù)據(jù)可靠性較差[18,22]，且其研究屬于星間交叉分析，故仍未確定HY-2A的絕對偏差結(jié)果以及漂移現(xiàn)象。

研究表明在無專門定標(biāo)場的情況下可利用GNSS浮標(biāo)開展衛(wèi)星標(biāo)定研究[23-24]，該方法是將GNSS浮標(biāo)直接布放到衛(wèi)星星下點(diǎn)進(jìn)行同步海面高觀測，和傳統(tǒng)的驗(yàn)潮站定標(biāo)方式比較具有靈活、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，并可減小大地水準(zhǔn)面梯度誤差的影響，Harvest平臺、Bass海峽和Corsica定標(biāo)場均使用過GNSS浮標(biāo)定標(biāo)[25—27]。國內(nèi)關(guān)于高精度海面測高的GNSS浮標(biāo)研究依然較少[28]，其中陳春濤等利用其研制的浮標(biāo)開展了高度計(jì)定標(biāo)試驗(yàn)，但浮標(biāo)測高偏差有7.40 cm[29—30]。另一種無定標(biāo)場情況下的定標(biāo)方法是利用衛(wèi)星軌跡附近的驗(yàn)潮資料進(jìn)行定標(biāo)[31]，主要是利用GPS測量和水準(zhǔn)測量對驗(yàn)潮數(shù)據(jù)的參考基準(zhǔn)面進(jìn)行統(tǒng)一，對驗(yàn)潮站的地理位置和大地水準(zhǔn)面精度有特定要求。故針對我國HY-2A IGDR數(shù)據(jù)絕對定標(biāo)的問題，本文對HY-2A開展了多期的GNSS浮標(biāo)的星下點(diǎn)同步觀測，為驗(yàn)證HY-2A浮標(biāo)定標(biāo)的精度，還對已知絕對偏差的Jason-2和Saral高度計(jì)進(jìn)行定標(biāo)試驗(yàn)。另外由于浮標(biāo)測量試驗(yàn)獲得的HY-2A定標(biāo)數(shù)據(jù)較少，因此在千里巖海洋站開展了水準(zhǔn)連測，統(tǒng)一潮位基準(zhǔn)面，利用驗(yàn)潮資料對HY-2A第56周期至73周期的歷史觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了定標(biāo)分析。

2 定標(biāo)海域

千里巖附近的衛(wèi)星軌跡分布情況以及GNSS浮標(biāo)布放點(diǎn)如圖1a所示，經(jīng)過該海域的衛(wèi)星軌跡有Jason-2的第153軌跡、Saral的第735軌跡和HY-2A的第147軌跡，均為上升軌跡，即海面高觀測時(shí)間序列與緯度增大方向?qū)?yīng)，衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)質(zhì)量受陸地影響小。其中Jason-2和Saral衛(wèi)星軌跡距離千里巖島的最近距離約2 km，HY-2A軌跡距離千里巖最近約為20 km，因此千里巖定標(biāo)場具有一島監(jiān)控多星的特點(diǎn)。另外千里巖遠(yuǎn)離大陸，星載微波輻射計(jì)不受陸地影響，對高度計(jì)距離測量提供的大氣濕延遲改正也相對準(zhǔn)確。通過分析Jason-2和Saral衛(wèi)星高度計(jì)的SGDR波形數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該島對雷達(dá)波形數(shù)據(jù)無影響，符合開闊海域的波形特征，因此千里巖在空間位置上是前述系列高度計(jì)的一個(gè)理想定標(biāo)地點(diǎn)。另一處定標(biāo)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于香港南側(cè)的擔(dān)桿島，HY-2A的第203軌跡從此經(jīng)過，同樣該軌跡為升軌。

在2014年7月至10月期間選擇了衛(wèi)星集中過境的3次時(shí)間窗口，共進(jìn)行了7次有效定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，圖1a中圓點(diǎn)表示GNSS浮標(biāo)布放在Jason-2和Saral衛(wèi)星軌跡交叉點(diǎn)，HY-2A的定標(biāo)點(diǎn)則選擇了離島最近點(diǎn)。2015年5月在珠海擔(dān)桿島海域開展了一次HY-2A的定標(biāo)試驗(yàn)，GNSS浮標(biāo)為圖1b中黃點(diǎn)所示，基站位于圖中五角星表示的擔(dān)桿尾。另外由于HY-2A浮標(biāo)定標(biāo)次數(shù)偏少，本文還利用千里巖驗(yàn)潮資料對數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的HY-2A 第56周期至73周期進(jìn)行定標(biāo)分析。

3 現(xiàn)場測量與數(shù)據(jù)處理

3.1 浮標(biāo)測量方案設(shè)計(jì)

用于本次實(shí)驗(yàn)的浮標(biāo)設(shè)計(jì)吸收了波浪騎士浮標(biāo)和桿狀浮標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，能夠高精度測量所在海域的瞬時(shí)海面高，而且能夠?qū)y量的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償。浮標(biāo)GNSS天線高經(jīng)近岸同步驗(yàn)潮檢驗(yàn)精度可達(dá)1 cm，動態(tài)海面高測高精度達(dá)到2 cm[32]。

圖1 定標(biāo)千里巖海域(a)和珠海擔(dān)桿島海域(b)衛(wèi)星軌跡分布和浮標(biāo)布放點(diǎn)，等值線為DTU平均海面高度Fig.1 Satellite ground tracks and GNSS buoy locations at the Qianliyan (a) and Dangan (b) calibration sites，the isoline is from the DTU MSS model

日期過境時(shí)間衛(wèi)星軌道周期號定標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度2014-07-0805:33SaralP735A1436.250°N,121.350°E2014-07-0819:00Jason-2P153A22136.250°N,121.350°E2014-09-1605:33SaralP735A1636.250°N,121.350°E2014-09-1604:53Jason-2P153A22836.250°N,121.350°E2014-09-1817:41HY-2AP147A7836.241°N,121.185°E2014-10-1522:50Jason-2P153A23136.070°N,121.240°E2014-10-1617:41HY-2AP147A8036.070°N,121.240°E2015-05-0218:23HY-2AP203A9421.877°N,114.187°E

本文將GNSS浮標(biāo)接收機(jī)的采樣頻率設(shè)置為1 Hz，在衛(wèi)星過境之前2小時(shí)利用測量船移至定標(biāo)點(diǎn)。由于千里巖GNSS連續(xù)運(yùn)行站的采樣頻率為30 s，不利于解算1 Hz的浮標(biāo)數(shù)據(jù)，因此在千里巖山頂一處控制點(diǎn)布設(shè)一臺GNSS參考站，采樣率設(shè)置為1 Hz，為獲得其精確三維坐標(biāo)持續(xù)觀測超過4 d時(shí)間。該參考站將用于解算浮標(biāo)動態(tài)坐標(biāo)，并與千里巖驗(yàn)潮井進(jìn)行精密水準(zhǔn)連測，使驗(yàn)潮的水位觀測基準(zhǔn)統(tǒng)一到WGS-84橢球參考面。在珠海擔(dān)桿島的定標(biāo)試驗(yàn)中GNSS參考站架設(shè)在擔(dān)桿尾，觀測時(shí)長超過5 d，其參數(shù)設(shè)置同千里巖參考站。

3.2 GNSS數(shù)據(jù)解算

GNSS數(shù)據(jù)處理分為2部分，首先將GNSS參考站的絕對位置坐標(biāo)在與測高衛(wèi)星(Jason-2，Saral和HY-2A)一致的ITRF2008框架下進(jìn)行解算，這一步主要為解算GNSS浮標(biāo)SSH定義基準(zhǔn)，其次是采用GNSS動態(tài)解算技術(shù)計(jì)算GNSS浮標(biāo)的SSH連續(xù)觀測結(jié)果。

GNSS參考站坐標(biāo)利用麻省理工學(xué)院開發(fā)的GAMIT/GLOBK[33—34]解算，參與千里巖參考站解算的區(qū)域IGS(International GNSS Service)站分布如圖2所示。由于GAMTI解算方案已經(jīng)趨于標(biāo)準(zhǔn)化[12,35]，本次試驗(yàn)的GNSS數(shù)據(jù)處理也采用標(biāo)準(zhǔn)化的處理策略，主要參數(shù)設(shè)置為：基線處理模式RELAX(松弛解)，電離層延遲模型為LC-HELP觀測值，對流層模型為Saastamoninen，光壓模型為BERN模型，固體潮改正IERS03，考慮到海洋潮汐對解算結(jié)果的影響，數(shù)據(jù)解算時(shí)引入全球海潮模型FES2004改正。GLOBK分析得到的GNSS參考站的大地高精度為±9.3 mm。

圖2 參考站解算所用IGS站點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of the IGS sites used in processing reference station

GNSS浮標(biāo)的解算采用麻省理工學(xué)院開發(fā)TRACK軟件[36]，它屬于GAMIT/GLOBK軟件包中的一個(gè)動態(tài)雙差定位模塊，可以解算每一個(gè)歷元的GNSS天線相位中心三維坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差以及大氣延遲改正等，通過TRACK解算得到的GNSS浮標(biāo)SSH精度估計(jì)可優(yōu)于20 mm[7]。利用其解算浮標(biāo)動態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)選擇的數(shù)據(jù)處理策略為：選擇一個(gè)穩(wěn)固且坐標(biāo)精確已知的基準(zhǔn)站，基于GNSS雙差定位模型消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等未知參數(shù)，采用雙頻無電離層組合方法消除電離層一階項(xiàng)的折射影響，并在處理過程中加入接收機(jī)和衛(wèi)星天線相位中心位置偏差、固體潮及大氣延遲等多項(xiàng)改正，最后采用卡爾曼濾波法逐歷元進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，得到GNSS浮標(biāo)和參考站之間的坐標(biāo)差值，并進(jìn)一步得到ITRF2008框架下的GNSS浮標(biāo)1 Hz海面高度。

利用TRACK解算浮標(biāo)數(shù)據(jù)獲得的瞬時(shí)海面高時(shí)間序列包含長周期潮位變化、中長周期的潮波、海浪的變化以及短周期的浮標(biāo)上下起伏變化，本文采用姿態(tài)改正和“滑動平均”低通濾波方法消除這些因素的影響，其中姿態(tài)改正數(shù)據(jù)來自浮標(biāo)姿態(tài)傳感器，浮標(biāo)SSH的解算結(jié)果例子如圖3所示。

圖3 GNSS浮標(biāo)解算結(jié)果示例Fig.3 Example of the GNSS buoy SSH solutionsa.4 h時(shí)長的浮標(biāo)SSH時(shí)間序列，曲線表示濾波后的浮標(biāo)SSH序列，豎線表示衛(wèi)星過境時(shí)刻; b.衛(wèi)星過境前后5 min的時(shí)間序列a. Four hours’ time series of GNSS buoy measured SSH, in which the curve line shows the filtered SSH and the vertical line shows the satellite passing time；b. five minutes’ time series of SSH before and after satellite passing through

3.3 驗(yàn)潮資料

本文采用的驗(yàn)潮數(shù)據(jù)為10 min采樣數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為2013年11月至2014年7月，覆蓋了HY-2A第56周期至73周期觀測區(qū)間。由于千里巖驗(yàn)潮站高程基準(zhǔn)面是獨(dú)立參考面，本研究通過精密水準(zhǔn)連測獲得了驗(yàn)潮基本水準(zhǔn)點(diǎn)和GPS控制點(diǎn)之間的高差，將驗(yàn)潮海面高歸算到WGS-84參考橢球。基本水準(zhǔn)點(diǎn)和GPS點(diǎn)的距離約100 m，水準(zhǔn)測量閉合差為1 mm，具有較高的精度。由于927大地水準(zhǔn)面模型主要是通過船測重力以及測高數(shù)據(jù)反演得到，是我國近海高精度大地水準(zhǔn)面模型，且通過和GNSS浮標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)的比較，二者的一致性要優(yōu)于DTU模型，因此本文將利用該模型用于驗(yàn)潮資料定標(biāo)方法中的高程傳遞。

3.4 GNSS浮標(biāo)測量與模型精度評定

利用在千里巖海洋觀測站設(shè)立的長期驗(yàn)潮儀對GNSS浮標(biāo)觀測的海面高做了精度驗(yàn)證，由于千里巖海域大地水準(zhǔn)面具有顯著梯度變化，本文分別利用平均海面高模型DTU10和我國927測繪工程提供的我國近岸大地水準(zhǔn)面模型(927模型)進(jìn)行海面梯度改正，并且通過多點(diǎn)浮標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)兩種模型的相對精度。圖4表示放置在Jason-2和Saral交叉點(diǎn)位置以及HY-2A星下點(diǎn)的浮標(biāo)SSH與驗(yàn)潮站的比較，二者分別距離千里巖驗(yàn)潮站約2 km和20 km。圖5表示驗(yàn)潮站與GNSS浮標(biāo)SSH具體的差異時(shí)間序列，其中圖5a表示2 km處的浮標(biāo)與驗(yàn)潮站差異，統(tǒng)計(jì)表明采用DTU10模型改正后的二者差異為(3.6±2)cm，采用927模型改正則二者差異為(2.2±2)cm。圖5b為20 km處的SSH差異分布，顯然是有趨勢變化的，這主要是由于20 km的距離將帶來顯著的潮汐特征差異(2 km處的差異在毫米級，因此影響可忽略不計(jì))，因此必須進(jìn)行潮汐改正才可以比較。本文利用了中國近海精度較高的NAO.99Jb潮汐預(yù)報(bào)模型進(jìn)行潮汐差異分析與改正，圖5c表示對浮標(biāo)SSH進(jìn)行潮汐差異的補(bǔ)償改正結(jié)果，其中曲線表示浮標(biāo)SSH原始值，兩側(cè)豎線表示潮汐差異的改正量，改正之后浮標(biāo)和驗(yàn)潮站的差異分布變?yōu)閳D5d，可見加改正之前存在的趨勢已得到消除，統(tǒng)計(jì)表明經(jīng)過DTU10模型改正后的二者差異為(-2±2)cm，采用927模型則差異為(1.2±2)cm。結(jié)論表明20 km和2 km處的浮標(biāo)SSH測量均具有約2 cm的精度，與驗(yàn)潮站測量較好符合。另外研究發(fā)現(xiàn)采用DTU模型改正后2 km和20 km處的差異均值之差為5.6 cm，若采用927模型二者差異僅為1 cm，說明在我國近岸927大地水準(zhǔn)面模型精度優(yōu)于DTU10模型。

圖4 驗(yàn)潮站和GNSS浮標(biāo)SSH比較Fig.4 The SSH time series of tide gauge and the GNSS buoy

4 高度計(jì)數(shù)據(jù)處理與定標(biāo)方法

4.1 高程基準(zhǔn)統(tǒng)一

GPS衛(wèi)星采用的參考橢球是WGS-84參考橢球(長軸6 378 137m，扁率1/ 298. 257 223 563)，HY-2A、Jason-2和Saral衛(wèi)星則采用的T/P橢球參數(shù)(長軸6 378 136.3 m，扁率1/298.257)，因此需要將衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)與GNSS浮標(biāo)以及驗(yàn)潮資料統(tǒng)一參考橢球。

由參考橢球參數(shù)不一致引起的海面高差異可利用下面的計(jì)算公式計(jì)算：

(1)

4.2 測高數(shù)據(jù)處理與絕對偏差計(jì)算

基于驗(yàn)潮站或者GNSS浮標(biāo)定標(biāo)的測高數(shù)據(jù)處理方法基本一致，衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理主要包括沿軌最近點(diǎn)(PCA)的位置確定和PCA點(diǎn)SSH的內(nèi)插確定，其中PCA點(diǎn)指距GNSS浮標(biāo)或者驗(yàn)潮站最近的沿軌星下點(diǎn)。國外研究者對高度計(jì)定標(biāo)中的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與絕對偏差計(jì)算方法做了深入研究，制定了較為優(yōu)化的處理策略，本文的測高數(shù)據(jù)處理(包括內(nèi)插方法、改正項(xiàng)處理等)主要參考Mertikas發(fā)表的研究成果[18,37]，計(jì)算高度計(jì)星下點(diǎn)PCA位置的SSH與高度計(jì)絕對偏差的主要流程如下：

(1)讀取GDR數(shù)據(jù)集中的1 Hz干延遲、濕延遲、電離層延遲和海況偏差的位置和數(shù)值。對于HY-2A，由于第73周期后的干濕延遲值無效，故在浮標(biāo)定標(biāo)方法中采用GNSS浮標(biāo)反演的大氣對流層總延遲替代，而基于驗(yàn)潮資料的定標(biāo)方法中則選擇HY-2A第56至73周期數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的IGDR數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

圖5 驗(yàn)潮站與GNSS浮標(biāo)的SSH差異和潮汐改正(a表示2 km處差異，b表示20 km處差異，c表示對20 km處浮標(biāo)的潮汐改正，d表示正后的20 km處差異)Fig. 5 SSH difference between the tide gauge and the GNSS buoy deployed 2 km (a) and 20 km (b) from the island; tide correction for the GNSS buoy at the 20 km location (c);SSH difference between tide gauge and GNSS buoy after corrected by tide model (d)

(2)讀取定標(biāo)點(diǎn)兩側(cè)高頻的Ku(20 Hz)或Ka波段(40 Hz)測距值和衛(wèi)星高度值。

(3)參考(I)GDR產(chǎn)品手冊，過濾異常值。

(4)通過統(tǒng)計(jì)分析消除1 Hz改正參數(shù)數(shù)據(jù)中可靠性較差的部分。

(5)對1 Hz地球物理改正參數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并內(nèi)插出20 Hz或者40 Hz的改正參數(shù)。

(6)使用20 Hz或者40 Hz的改正參數(shù)對高頻距離值進(jìn)行改正。

碼頭拆除前，施工船舶在碼頭附近開挖拋錨較為困難，可采用拋設(shè)備用錨的方式：乘高潮時(shí)用錨艇將備用錨拋至碼頭后方，將錨上的鋼絲繩引至碼頭海側(cè)放置，并設(shè)置浮標(biāo)標(biāo)示，抓斗船拋錨時(shí)，將船上錨纜與已拋備用錨錨纜對接即可。在碼頭沉箱拆除一段后，錨艇可正常出入碼頭后方，此時(shí)可直接采用錨艇將錨拋至碼頭后方，不再需要拋設(shè)備用錨。

(7)對高頻距離值進(jìn)行分析，消除異常值和不可靠值。

(8)對高頻的距離值進(jìn)行平滑處理，內(nèi)插出PCA點(diǎn)的距離值。

(9)讀取(I)GDR中高頻衛(wèi)星軌道高度，并進(jìn)行平滑處理，內(nèi)插出PCA點(diǎn)軌道高度。

(10)讀取(I)GDR中1 Hz潮汐相關(guān)改正參數(shù)，包括固體潮、極潮、海洋載荷潮，并內(nèi)插到PCA位置。

(11) 高度計(jì)PCA點(diǎn)的SSH可用式(2)計(jì)算：

SSHAlt=hAlt-(rAlt+rCorr+TLCorr)，

(2)

式中，hAlt為高度計(jì)軌道的橢球高；rAlt為高度計(jì)的距離觀測量；rCorr為距離總改正(干濕延遲、電離層延遲、SSB)；TLCorr為潮汐相關(guān)改正(固體潮、極潮、Ocean Loading Tide等)。

(13)浮標(biāo)和PCA點(diǎn)距離較近，因此不對海洋潮汐差異特征進(jìn)行改正。利用驗(yàn)潮資料定標(biāo)時(shí)需要利用NAO.99Jb模型對潮汐差異進(jìn)行改正。

(14)按照下面的公式可獲得衛(wèi)星測高的絕對偏差：

SSHbias=SSHAlt-SSHinsitu，

(3)

式中，SSHAlt表示衛(wèi)星測高PCA點(diǎn)的海面高度；SSHinsitu表示衛(wèi)星過境時(shí)刻的GNSS浮標(biāo)海面高或者驗(yàn)潮海面高；SSHbias表示高度計(jì)的絕對偏差。

5 定標(biāo)結(jié)果

通過2014-2015年的GNSS浮標(biāo)定標(biāo)試驗(yàn)，得到了HY-2A以及Jason-2、Saral衛(wèi)星高度計(jì)多個(gè)周期的絕對偏差。表2為浮標(biāo)定標(biāo)結(jié)果，其中Jason-2采用的數(shù)據(jù)版本是GDR-d，試驗(yàn)得到了3個(gè)周期的絕對偏差，其均值為5.7 cm，與希臘定標(biāo)場2013年公布的結(jié)果2 cm[38]差異為3.7 cm。Saral的數(shù)據(jù)版本是GDR-T，試驗(yàn)共獲得了2個(gè)周期的絕對偏差，其均值為-2.2 cm，與希臘定標(biāo)場2015年公布的結(jié)果-4.6 cm[18]相差約2.4 cm。本文試驗(yàn)中的GNSS參考站大地高精度約為±9 mm，浮標(biāo)動態(tài)雙差解算精度為20 mm，最終GNSS浮標(biāo)海面高觀測精度估計(jì)為±22 mm，另外考慮衛(wèi)星測高SSH的測量精度估計(jì)為2～3 cm，因此浮標(biāo)定標(biāo)結(jié)果精度約為3.0～3.7 cm，得到的Jason-2和Saral高度計(jì)絕對偏差與希臘定標(biāo)場的結(jié)果差異基本在觀測誤差影響之內(nèi)。

表2 高度計(jì)定標(biāo)結(jié)果

注：“-”表示無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6 基于驗(yàn)潮資料和GNSS浮標(biāo)的HY-2A定標(biāo)結(jié)果Fig.6 Calibration result of HY-2A based on tide gauge data and GNSS buoy

本文中HY-2A采用的是國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心公布的臨時(shí)地球物理數(shù)據(jù)IGDR，使用浮標(biāo)定標(biāo)方法得到了2個(gè)周期的有效定標(biāo)結(jié)果，分別是第78周期的絕對偏差-65 cm，第94周期的絕對偏差-91 cm。本文利用千里巖驗(yàn)潮資料對HY-2A第56至73周期的定標(biāo)結(jié)果如圖6所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在顯著的漂移，其漂移速率為-51 cm/a，圖6繪出了基于驗(yàn)潮資料計(jì)算的置信度為95%的HY-2A絕對偏差線性回歸分析結(jié)果，結(jié)果表明HY-2A的GNSS浮標(biāo)定標(biāo)值均在預(yù)測區(qū)間內(nèi)，其中第78周期浮標(biāo)定標(biāo)值與驗(yàn)潮資料預(yù)測值相差-4.7 cm，第94周期相差1.7 cm，兩種不同定標(biāo)方法得到的結(jié)果具有一致性。經(jīng)過與國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心和國家空間科學(xué)中心溝通，確定SSH漂移主要原因是由于高度計(jì)星上的超穩(wěn)振蕩器(ultrastable oscillator，簡稱USO)漂移造成的，USO的漂移對衛(wèi)星高度計(jì)測距產(chǎn)生了直接影響，進(jìn)而影響SSH。Wan等利用陸地有源定標(biāo)器觀測到HY-2A的USO漂移導(dǎo)致的衛(wèi)星測距漂移速率為-40 cm/a[19]，與本文的定標(biāo)結(jié)果基本符合，差異原因可能在于所用數(shù)據(jù)時(shí)間長度不同，另外高度計(jì)偏差除了USO漂移外還存在其他誤差源帶來的疊加效應(yīng)(如星載微波校正輻射計(jì))。本文結(jié)果與希臘專門定標(biāo)場對HY-2A 第54至62周期的SGDR數(shù)據(jù)定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行比較，但由于其采用的HY-2A數(shù)據(jù)時(shí)間較短，其論文未對HY-2A的漂移進(jìn)行定量計(jì)算，僅給出了HY-2A絕對偏差均值為(-27±3) cm[18]，若統(tǒng)計(jì)本研究第56周期至62周期HY-2A 絕對偏差則為(-24.1±6.7) cm，二者差異小于3 cm。

6 結(jié)論

本文利用GNSS浮標(biāo)和千里巖驗(yàn)潮資料對HY-2A等多顆高度計(jì)進(jìn)行定標(biāo)研究，通過同步驗(yàn)潮站檢驗(yàn)表明GNSS浮標(biāo)的SSH測量精度在2 cm左右，滿足高度計(jì)的定標(biāo)需求。本文首先利用GNSS浮標(biāo)對已知海面高偏差的國外高度計(jì)Jason-2和Saral做了定標(biāo)研究，結(jié)果與希臘Crete定標(biāo)場結(jié)果符合較好，差異在測量誤差范圍內(nèi)。由于利用GNSS浮標(biāo)獲得的HY-2A定標(biāo)結(jié)果較少，本文又利用千里巖驗(yàn)潮資料分析了HY-2A IGDR第56周期至73周期的絕對偏差，回歸分析結(jié)果表明HY-2A IGDR數(shù)據(jù)的SSH存在約-51 cm/a的漂移，且浮標(biāo)和驗(yàn)潮資料得到的HY-2A漂移具有一致性，其海面高偏差從2013年11月的-14 cm變?yōu)?015年5月的-91 cm，并在該時(shí)期內(nèi)呈現(xiàn)出顯著的線性規(guī)律。結(jié)合已發(fā)表的地面有源定標(biāo)器定標(biāo)結(jié)論，確定USO漂移是造成HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)SSH線性漂移的主要原因。由于SSH觀測誤差的多元性，HY-2A的SSH漂移可能包含其他因素，例如星載微波校正輻射計(jì)觀測的大氣濕延遲，因此在未來的工作中需對此開展研究，進(jìn)一步的量化各SSH誤差源。

由于目前我國仍未建立專門的高度計(jì)定標(biāo)場，本研究利用了GNSS浮標(biāo)和驗(yàn)潮資料對HY-2A IGDR定標(biāo)，開展了相關(guān)的現(xiàn)場測量工作，首次通過海上絕對定標(biāo)獲得了HY-2A衛(wèi)星高度計(jì)的測高偏差以及漂移速率，將為HY-2A 測高數(shù)據(jù)的誤差修正和升級提供依據(jù)，對我國后續(xù)海洋衛(wèi)星高度計(jì)的定標(biāo)以及未來定標(biāo)場的建設(shè)提供參考。

致謝：感謝千里巖海洋觀測站工作人員在試驗(yàn)期間給予的生活幫助，法國AVISO提供Jason-2和Saral/AltiKa的GDR數(shù)據(jù)，國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供HY-2A的IGDR數(shù)據(jù)。與希臘克里特理工大學(xué)Mertikas教授的討論也對本文非常有益，在此表示感謝。

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Absolute calibration of sea surface height for HY-2A Satellite altimeter by GNSS buoy and tide gauge data

Yang Lei1, Zhou Xinghua1, Wang Zhaoyang1,2, Liang Guanhui1, Tang Qiuhua1,Zhou Dongxu1,2, Lei Ning1,2, Yang Long1, Mu Bo3

(1.FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China; 2.CollegeofGeodesyandGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China；3.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100081,China)

In order to determine the absolute bias of HY-2A sea surface height (SSH) and monitor the on-orbit working conditions of HY-2A Satellite altimeter, we conducted the absolute calibration experiments in the Qianliyan and Dangan area of China. In this study we adopted two independent methods which are deploying the GNSS buoy under satellite tracks for simultaneous observation and using the tide gauge data combined with the precise geoid model. In addition, for verifying the accuracy of the GNSS buoy calibration method, the Jason-2 and Saral Satellite altimeters, which were already calibrated by international calibration sites, were also calibrated using the same GNSS buoy. The SSH accuracy of the GNSS buoy is estimated to be about 2 cm by comparison with the tide gauge data. The absolute biases of Jason-2 and Saral calibrated by the GNSS buoy are 5.7 cm and -2.3 cm, which are in accordance with the results of the international calibration sites. According to the GNSS buoy the SSH absolute biases for HY-2 are determined to be -65 cm in September 2014 and -91 cm in May 2015, which are changed significantly for the two experiments. Thus in order to quantify the drift velocity of HY-2A SSH and assess the on-orbit working conditions of HY-2A Satellite altimeter more accurately, we used long time series of tide gauge data of the Qianliyan oceanic station to calibrate the cycles 56 to 73 of HY-2A. The drift phenomenon of HY-2A SSH is confirmed by the long-time series altimeter data and the drift velocity is estimated to be -51 cm/a. By the regression analysis with 95% confidence coefficient, the GNSS buoy calibration result of HY-2A is in good accordance with the result from the tide gauge data. From the result of this paper, we conclude that under the condition of no dedicate calibration site the altimeter absolute bias could be determined by GNSS buoy with flexibility and high accuracy and the drift of absolute bias could be quantified by the tide gauge data combined with the precise geoid mode.

GNSS buoy； absolute calibration； HY-2A； Saral/AltiKa；Jason-2

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.012

2016-04-15；

2016-07-14。

國家國際科技合作專項(xiàng)“自主星載高度計(jì)海面測高在軌絕對定標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2014DFA21710);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(GY0214G21, GY0214G23,GY02-2011T05)；開展衛(wèi)星海洋測繪應(yīng)用(WX0316005)。

楊磊(1988—)，男，山東省鄆城縣人，工程師，主要從事海洋測繪研究。E-mail：leiyang@fio.org.cn

*通信作者：周興華(1964—)，男，博士生導(dǎo)師，研究員，主要從事海洋測繪研究。E-mail：xhzhou@fio.org.cn

P715.6

A

0253-4193(2017)01-0111-10

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