利用多源衛(wèi)星測(cè)高資料確定海洋重力異常的研究

張勝軍

東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

利用多源衛(wèi)星測(cè)高資料確定海洋重力異常的研究

張勝軍

東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

海洋重力場(chǎng)探測(cè)是人類認(rèn)知海洋的重要組成部分，相關(guān)探測(cè)信息廣泛應(yīng)用于地球重力場(chǎng)模型構(gòu)建、海底地形反演、油氣資源勘探等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的海洋重力場(chǎng)探測(cè)手段依托于海底布設(shè)或艦船搭載的測(cè)量?jī)x器，受限于測(cè)量成本高、周期長、數(shù)據(jù)稀疏、重復(fù)性差等缺點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)快速獲取全球尺度的海洋重力場(chǎng)信息。自20世紀(jì)70年代衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)出現(xiàn)以來，時(shí)空尺度上的優(yōu)勢(shì)促使其成為海洋重力場(chǎng)恢復(fù)的主要數(shù)據(jù)源。盡管理論方法相對(duì)成熟，但如何進(jìn)一步提升海洋重力場(chǎng)的反演精度和分辨率仍是衛(wèi)星測(cè)高應(yīng)用研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，近年來國際上實(shí)施的測(cè)高衛(wèi)星通過軌道調(diào)整、改進(jìn)測(cè)量模式以及提升脈沖信號(hào)工作波段的方式，兼顧精度和分辨率兩方面因素補(bǔ)充了新的高質(zhì)量測(cè)高資料，為探測(cè)更加精細(xì)的海洋重力場(chǎng)結(jié)構(gòu)提供了契機(jī)。

論文聯(lián)合Geosat、ERS-1、ERS-2、Envisat、T/P、Jason-1、CryoSat-2和SARAL/AltiKa等多顆測(cè)高衛(wèi)星波形資料獲取垂線偏差信息，反演了全球南北緯85度之間海域1′×1′格網(wǎng)分辨率的重力異常。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：

(1) 基于衛(wèi)星測(cè)高波形重跟蹤理論完成了OCOG算法、Davis閾值法、改進(jìn)閾值法、β參數(shù)擬合法和加權(quán)最小二乘兩步擬合法的算法實(shí)現(xiàn)，實(shí)際算例分析表明：①除OCOG外其余算法重跟蹤改正值序列間的相關(guān)系數(shù)均在0.91以上，驗(yàn)證了不同算法的有效性；②各種重跟蹤算法改正后的海面高交叉點(diǎn)不符值統(tǒng)計(jì)表明，重跟蹤后的不符值均方根減小4 cm以上，除OCOG外不同算法的改進(jìn)效果均非常顯著且差異很?。虎刍谥馗櫢恼蟮难剀墭?biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，加權(quán)最小二乘兩步擬合法的距離改正值更加有效地降低了噪聲水平，優(yōu)于其他算法的結(jié)果2 cm以上。根據(jù)不同測(cè)高任務(wù)的加權(quán)最小二乘兩步擬合法改正結(jié)果進(jìn)行沿軌標(biāo)準(zhǔn)差分析，SARAL/AltiKa數(shù)據(jù)重跟蹤后的精度水平優(yōu)于3 cm，顯著高于其他測(cè)高任務(wù)。

(2) 分析了兩種計(jì)算沿軌垂線偏差方法的差異，一是沿軌大地水準(zhǔn)面梯度計(jì)算沿軌垂線偏差；二是采用測(cè)高衛(wèi)星地面軌跡處的位置和速度近似公式和沿軌觀測(cè)值一次差分計(jì)算沿軌垂線偏差。基于Jason-1 GM數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明兩者的計(jì)算差異均方根約為0.02 μrad，極少數(shù)差異大于0.1 μrad，通常位于島嶼周邊海域，主要原因是觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致第一種方法計(jì)算涉及的沿軌球面距離的計(jì)算精度下降。此外，在海面高觀測(cè)數(shù)據(jù)中模擬加入標(biāo)準(zhǔn)差不同的隨機(jī)噪聲，分析了沿軌垂線偏差計(jì)算精度的變化，結(jié)果表明計(jì)算精度隨噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的增加而呈現(xiàn)規(guī)律性地下降趨勢(shì)，近似滿足線性關(guān)系。

(3) 分析了不同測(cè)高誤差源的改正項(xiàng)對(duì)于沿軌垂線偏差計(jì)算的影響量級(jí)。盡管儀器誤差、干對(duì)流層延遲、固體地球潮和極潮改正自身量級(jí)差別較大，但其沿軌的規(guī)律變化對(duì)于沿軌垂線偏差計(jì)算的影響很小；濕對(duì)流層延遲、電離層延遲、海況偏差、海潮以及大氣負(fù)荷效應(yīng)等對(duì)于沿軌垂線偏差計(jì)算的影響顯著。在對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，海面高觀測(cè)值優(yōu)先考慮添加微波輻射計(jì)提供的濕對(duì)流層延遲改正、CSR4.0海潮模型改正、大氣逆壓改正以及沿軌噪聲平滑處理后的雙頻電離層延遲改正值和海況偏差校正項(xiàng)；針對(duì)單頻高度計(jì)的觀測(cè)值，則采用數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供的模型電離層延遲改正，無需平滑處理。

(4) 基于直接平均和距離加權(quán)兩種方法，將初始采樣頻率為20 Hz的Jason-1 GM數(shù)據(jù)重采樣為10、5、2 Hz和1 Hz，并將1 Hz校正項(xiàng)分別插值至相應(yīng)重采樣頻率的觀測(cè)值。通過統(tǒng)計(jì)交叉點(diǎn)處海面高的不符值評(píng)定重采樣結(jié)果，計(jì)算方法和校正項(xiàng)插值引起的差異很小，可以忽略不計(jì)，而沿軌5 Hz的重采樣頻率能夠最為高效地抑制原始采樣率數(shù)據(jù)包含的隨機(jī)噪聲。為了抑制初始密集波形中高頻噪聲的影響，根據(jù)0.5增益值對(duì)應(yīng)6.7 km波長的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，10、20 Hz和40 Hz的測(cè)高資料重采樣時(shí)使用長度分別為49、99和199的FIR濾波器。

(5) 聯(lián)合多星測(cè)高資料反演得到了中國近海及鄰近海域(100°～140°E,0°～40°N)1′×1′分辨率的海洋重力異常。采用DTU10、DTU13、V23.1和NGDC船測(cè)數(shù)據(jù)檢核，表明反演模型與DTU13和V23.1模型的精度水平相當(dāng)，優(yōu)于EGM2008和DTU10模型，且開闊海域反演精度優(yōu)于近岸淺水區(qū)2 mGal左右。對(duì)比GOCO03S、EIGEN6C4、GECO和EGM2008模型分別作為移去恢復(fù)過程的參考場(chǎng)，結(jié)果表明采用高階重力場(chǎng)模型反演的精度更高，高階模型間優(yōu)先選用EGM2008或EIGEN6C4。在此基礎(chǔ)上，論文依托EGM2008作為參考場(chǎng)最終反演了1′×1′分辨率的全球海洋重力場(chǎng)。在全球范圍內(nèi)，與DTU10、DTU13和V23.1模型檢核的格網(wǎng)點(diǎn)差值均方根分別為3.45 mGal、3.37 mGal和1.84 mGal；示例海域內(nèi)模型檢核的均方根范圍為1.7 mGal～3.6 mGal，NGDC船測(cè)數(shù)據(jù)檢核的均方根大約為4 mGal。

E-mail： zhangshengjun@whu.edu.cn

Research on Determination of Marine Gravity Anomalies from Multi-satellite Altimeter Data

ZHANG Shengjun

School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

his doctoral degree from Wuhan University on June 2016，majors in satellite geodesy.

張勝軍.利用多源衛(wèi)星測(cè)高資料確定海洋重力異常的研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(8)：1071.

10.11947/j.AGCS.2017.20170187. ZHANG Shengjun.Research on Determination of Marine Gravity Anomalies from Multi-satellite Altimeter Data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(8):1071. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170187.

P228.3

D

1001-1595(2017)08-1071-01

國家自然科學(xué)基金(41210006，41304003)

2017-04-13

張勝軍(1987—)，男，2016年6月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：李建成教授)，研究方向?yàn)樾l(wèi)星大地測(cè)量。