海洋衛(wèi)星測高及其反演全球海洋重力場和海底地形模型研究進(jìn)展

孫中苗,管 斌,翟振和,歐陽明達(dá)

1.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安測繪研究所，陜西 西安 710054

衛(wèi)星測高技術(shù)于1969年在威廉斯敦固體地球和海洋物理會議上被提出，經(jīng)太空實驗室Skylab、地球動力學(xué)實驗海洋衛(wèi)星Geos-3及海洋衛(wèi)星Seasat試驗驗證，自20世紀(jì)90年代初在大地測量學(xué)、海洋學(xué)、冰川學(xué)、氣候研究、大氣、風(fēng)、波浪、生物學(xué)及導(dǎo)航等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。衛(wèi)星測高界大致每5年舉辦一次國際會議，以研討雷達(dá)測高技術(shù)取得的進(jìn)展。2018年，第25屆雷達(dá)測高進(jìn)展研討會在葡萄牙亞速爾群島舉行，會議主題非常廣泛，全球28個國家的近500名科學(xué)家、工程師及管理人員與會。會議活動之一是收集全球測高界所做貢獻(xiàn)，以更清晰地描述測高現(xiàn)狀，并對未來測高提出建議。文獻(xiàn)[2]對此作了全面總結(jié)，并針對衛(wèi)星測高高時空分辨率、高精度、高連續(xù)性要求所面臨的挑戰(zhàn)凝練出需要開展的優(yōu)先事項，包括大中尺度海洋變化的連續(xù)觀測、極地海洋和海冰的連續(xù)監(jiān)測、新任務(wù)概念的研發(fā)和在軌演示、新處理技術(shù)研究和開發(fā)等。

在大地測量學(xué)中，衛(wèi)星測高主要用于研究地球形狀和大小、海平面、海洋重力場、構(gòu)造板塊運動、測深、自然災(zāi)害等。據(jù)谷歌學(xué)術(shù)搜索不完全統(tǒng)計，截至2021年初，有8萬余份出版物討論或包含微波雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)、技術(shù)或產(chǎn)品[3]，其中包含大地測量內(nèi)容的有3萬余份，不乏各階段關(guān)于衛(wèi)星測高技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的評述類論文(如文獻(xiàn)[3—4])。本文試圖結(jié)合我國正在開展的大地測量類測高衛(wèi)星的研究與發(fā)展，在扼要介紹海洋微波測高衛(wèi)星發(fā)展歷程，以及衛(wèi)星測高在全球海洋重力場和海底地形建模等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀后，重點評述海洋測高衛(wèi)星的發(fā)展趨勢。

1 海洋微波測高衛(wèi)星發(fā)展歷程

自20世紀(jì)70年代，全球已成功發(fā)射20余顆海洋微波測高衛(wèi)星。根據(jù)采用的不同技術(shù)手段，衛(wèi)星測高技術(shù)大致分為3個發(fā)展階段。

第1階段從第1顆測高實驗衛(wèi)星(Skylab)到Topex/Poseidon(T/P)衛(wèi)星發(fā)射前，即1973—1991年。期間，Skylab攜帶S-193微波高度計共執(zhí)行3次任務(wù)，主要為演示測高概念，獲取設(shè)計精密高度計所需信息。Geos-3載有首臺可有效測量海平面及其變化的高度計，并首次使用脈沖壓縮技術(shù)，測高總體精度達(dá)50 cm。Seasat配有星載磁帶記錄儀，因故障僅運行了99 d，獲取了約1684 h的測高數(shù)據(jù)，相當(dāng)于Geos-3在3年半累計運行時長的90%；測高精度達(dá)20 cm左右，首次采用全去斜技術(shù)，分辨率顯著提升。Geosat主要為美國海軍測量海洋大地水準(zhǔn)面，并提供海軍作戰(zhàn)所需海況和海風(fēng)測量，是首顆提供長期高質(zhì)量測高數(shù)據(jù)的衛(wèi)星，標(biāo)志著衛(wèi)星測高技術(shù)趨于成熟。ERS-1是歐洲首顆搭載雷達(dá)高度計的衛(wèi)星，用于全球范圍重復(fù)性環(huán)境監(jiān)測，包括全球海面風(fēng)場及其變化、海浪動態(tài)情況及全球海平面變化等。

第2階段以T/P衛(wèi)星測高任務(wù)于1992年的成功發(fā)射為起始標(biāo)志。在此之前，測高衛(wèi)星的徑向軌道確定誤差是衛(wèi)星測高的最大誤差源，得益于星載GPS定位技術(shù)和DORIS(Doppler orbitography and radio-positioning integrated by satellite)定軌技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，通過聯(lián)合多種精密定軌手段，T/P衛(wèi)星的徑向軌道精度達(dá)到約3.5 cm[5]。另一方面，T/P衛(wèi)星首次搭載了用于改正電離層延遲的雙頻(Ku/C頻段)雷達(dá)高度計及用于改正對流層水汽延遲的微波輻射計，使得海面高測量精度優(yōu)于分米級。該階段的衛(wèi)星任務(wù)還包括T/P衛(wèi)星的延續(xù)任務(wù)Jason-1和Jason-2、Geosat的后續(xù)任務(wù)GFO，以及ERS-1的后續(xù)衛(wèi)星ERS-2和Envisat，這些任務(wù)使用的高度計均為有限脈沖雷達(dá)高度計。

第3階段以CryoSat-2衛(wèi)星于2010年的成功發(fā)射為起始標(biāo)志。該衛(wèi)星首次成功采用合成孔徑雷達(dá)高度計，提高了沿軌道方向的空間分辨率和衛(wèi)星測高精度[6]。2015年發(fā)射的SARAL(satellite with Argos and AltiKa)衛(wèi)星采用Ka頻段雷達(dá)高度計，有效降低了電離層變化對測量的影響[7]。該階段的測高任務(wù)還包括采用傳統(tǒng)高度計的Jason-3，以及采用合成孔徑雷達(dá)高度計的Sentinel-3A/3B[8]和Sentinel-6[9]。目前，CryoSat-2、SARAL、Jason-3、Sentinel-3A、Sentinel-3B和Sentinel-6在軌運行[2]。

值得一提的是，俄羅斯于1985—1996年發(fā)射了10顆帶有雷達(dá)高度計的GEO-IK衛(wèi)星，目的為確定基本大地測量常數(shù)、地心參考系、地球形狀參數(shù)及地球重力場[10]。衛(wèi)星位于約1500 km高的近圓軌道，軌道傾角為74°或83°。雷達(dá)高度計工作頻率為9.5 GHz，儀器精度對于1 s和10～12 s平均值的均方誤差分別約為0.4～0.5 m和0.1 m。衛(wèi)星運行時間從幾周到18個月不等，有時兩顆衛(wèi)星同時在軌運行，累計獲得382萬次測量，產(chǎn)出36階EP-90和200階EP-200地球重力位模型、大地測量網(wǎng)坐標(biāo)及全球海洋大地水準(zhǔn)面高等產(chǎn)品。最初，衛(wèi)星數(shù)據(jù)列為機(jī)密級，需由俄羅斯相關(guān)部門批準(zhǔn)使用，1992年解密大部分?jǐn)?shù)據(jù)。

我國自主的測高衛(wèi)星計劃相對較晚。海洋二號(HY-2A)衛(wèi)星是我國自主研制的第1顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，采用有限脈沖雷達(dá)測高體制，于2011年發(fā)射入軌，旨在實時提供海面高、浪高、海流及海面溫度等多種海洋信息。我國于2018、2020、2021年分別發(fā)射了HY-2B/2C/2D海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，其采用相同的有限脈沖測高技術(shù)體制，目前已進(jìn)入三星組網(wǎng)階段，它們將在海洋動力環(huán)境探測與分析等領(lǐng)域貢獻(xiàn)豐富的觀測數(shù)據(jù)。

為清晰起見，表1簡要列出了上述測高衛(wèi)星的主要性能參數(shù)。

表1 測高衛(wèi)星發(fā)展簡況

2 海洋微波衛(wèi)星測高反演全球海洋重力場和海底地形模型進(jìn)展

2.1 全球海洋重力場建模

1995年Geosat衛(wèi)星大地測量任務(wù)(geodetic mission，GM)數(shù)據(jù)全面解禁前，大地測量學(xué)界對海洋重力場技術(shù)理論進(jìn)行了豐富的嘗試與探索，涌現(xiàn)出許多不同的技術(shù)方法。1985年Geosat發(fā)射之前，文獻(xiàn)[11—13]利用Seasat與Geos-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展了海洋重力場反演研究，這些研究為早期低階重力場位系數(shù)模型的研制提供了重要支撐。在Geosat南半球GM數(shù)據(jù)分批次公開后，利用GM數(shù)據(jù)獲取了更為精細(xì)的區(qū)域和全球重力場[14]。該階段，基于逆Stokes公式與基于逆Vening-Meinesz公式的反演方法分別得到嘗試與應(yīng)用，快速傅里葉變換技術(shù)在海洋重力場反演中得以應(yīng)用，海洋重力場反演有了雛形。

1995年Geosat/GM數(shù)據(jù)公開至2010年CryoSat-2衛(wèi)星發(fā)射前，海洋重力場構(gòu)建中深度應(yīng)用了Geosat/GM與ERS-1數(shù)據(jù)，開始建立全球最高1′×1′分辨率的海洋重力場。Geosat與ERS-1兩顆衛(wèi)星GM數(shù)據(jù)的發(fā)布，大大提高了海洋重力場反演分辨率，同時應(yīng)用GM數(shù)據(jù)反演海洋重力場的技術(shù)得到快速發(fā)展并不斷趨于穩(wěn)定。2000年前后，國際上較有代表性的海洋重力場模型包括美國斯克利普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)的S&S模型[15]，以及丹麥科技大學(xué)(Technical University of Denmark，DTU)的KMS98[16]、KMS02模型[17]等。這些模型首次達(dá)到1′×1′或2′×2′的分辨率。SIO與DTU進(jìn)一步對Seasat、Geosat衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行重跟蹤處理，更新得到的SIO SS V17與DNSC07海洋重力場模型應(yīng)用于地球重力場位系數(shù)模型EGM2008的研制。

2010年始，CryoSat-2為海洋重力場構(gòu)建提供了全新的、更高精度的數(shù)據(jù)源，后續(xù)Jason-1、Jason-2及SARAL各自GM數(shù)據(jù)又為海洋重力場反演注入了更多高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)。CryoSat-2作為近極軌衛(wèi)星，幾乎覆蓋全球所有海域，且其測距精度與定軌精度相較于Geosat與ERS-1大為提升，對于海洋重力場反演具有重要意義。Jason-1與Jason-2在壽命末期分別執(zhí)行了14個月與2年的GM任務(wù)[18]。SARAL于2016年7月開始運行至傾角為98°的漂移軌道，根據(jù)文獻(xiàn)[19—20]的研究，SARAL在軌運行多年后，它對于海洋重力場反演的貢獻(xiàn)在上述衛(wèi)星中占比最大。

我國諸多機(jī)構(gòu)持續(xù)開展區(qū)域或全球海洋重力場反演研究，如文獻(xiàn)[21—24]分別利用不同測高衛(wèi)星觀測資料反演了中國海域及鄰近海域海洋重力異常；文獻(xiàn)[25]使用CryoSat-2、SARAL、HY-2A等衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演得到南海海域(0～30°N，105°～125°E)1′×1′分辨率的重力場；文獻(xiàn)[26—27]分別反演得到1′×1′分辨率的中國近海和全球海洋重力場。

2010年后，國際上發(fā)布的諸多海洋重力場模型中，以SIO與DTU為代表持續(xù)更新發(fā)布的1′×1′分辨率的全球海洋重力場模型最為典型。

DTU發(fā)布的海洋重力場模型主要包括DTU10、DTU13[28]、DTU15[29]及DTU17[19]。DTU10在DNSC08基礎(chǔ)上，對所有ERS-2與Envisat數(shù)據(jù)進(jìn)行重跟蹤，并將該系列模型更名為DTU模型。DTU13融合CryoSat-2及Jason-1/GM觀測數(shù)據(jù)，所使用GM測高數(shù)據(jù)較DTU10增加3倍。DTU15模型對CryoSat-2 1B級波形數(shù)據(jù)進(jìn)行重跟蹤，使用5年CyroSat-2及Jason-1/GM任務(wù)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高了模型在北冰洋海域的精度。DTU17模型專注于海岸及北冰洋重力場的改進(jìn)，融合了2016年SARAL漂移軌道數(shù)據(jù)，并改進(jìn)CryoSat-2在北極區(qū)域的處理。評估發(fā)現(xiàn)受精度影響，相對于后續(xù)GM任務(wù)衛(wèi)星，Geosat/GM、ERS-1對于海洋重力場的構(gòu)建幾乎無貢獻(xiàn)，因此，DTU17摒棄了Geosat/GM與ERS-1的數(shù)據(jù)。

2010年后，SIO海洋重力場模型的主要版本包括SS V23.1[30]、V28.1[20]，最新版本為2021年的V31.1。SS V23.1主要使用Geosat/GM、ERS-1、CryoSat-2及Jason-1/GM數(shù)據(jù)。V28.1模型主要融合的GM數(shù)據(jù)包括CryoSat-2、Jason-1/GM、Jason-2/GM與SARAL的數(shù)據(jù)。相似的，V28.1模型研制中比較了Geosat、ERS-1、CryoSat-2、Jason-1/2、SARAL各自GM任務(wù)對于海洋重力場模型構(gòu)建的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)相較于后續(xù)任務(wù)數(shù)據(jù)，Geosat與ERS-1對于海洋重力場模型的貢獻(xiàn)很小，因此V28.1及后續(xù)模型的研制未包含這兩顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。

2.2 全球海底地形模型構(gòu)建

海底深度對于地球和生物科學(xué)研究極其重要，然而僅有15%的海洋區(qū)域利用船載探測方法進(jìn)行了精細(xì)空間分辨率(<800 m)測繪[31]，鑒于重力異常變化與海底地形在某些頻段存在高度相關(guān)性，衛(wèi)星測高成為全球海底地形探測的重要手段。Seasat數(shù)據(jù)發(fā)布后，眾多學(xué)者對衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演海底地形的可行性進(jìn)行了研究[32-33]，文獻(xiàn)[34]繼而開發(fā)出衛(wèi)星測高海面坡度與海底預(yù)測深度的轉(zhuǎn)換模型，構(gòu)建了首個空間分辨率近乎統(tǒng)一(約15 km)和72°S～72°N間的全球深度網(wǎng)格。利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演海底地形的基本方法包括重力地質(zhì)法、導(dǎo)納函數(shù)法、Smith和Sandwell法、基于垂直重力梯度異常的頻域方法、最小二乘配置法等[34-40]。隨著衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的不斷豐富，利用上述方法并結(jié)合船載測深等多源深度數(shù)據(jù)，形成了基于測高數(shù)據(jù)的多個系列海底地形模型，扼要歸總?cè)缦隆?/p>

(1)Sandwell模型。SIO的Sandwell教授團(tuán)隊自1994年和1997年發(fā)布SIO-V5.2/V7.2后，模型不斷更新。2008年基于V16.1全球海域重力模型，反演發(fā)布了SIO-V11.1海底地形模型。2011年利用V20.1全球重力場模型(包括近2年CryoSat-2測量數(shù)據(jù)、一年半Envisat數(shù)據(jù)及120多天Jason-1數(shù)據(jù))反演構(gòu)建了V14.1海底地形模型。2013年基于V22重力場模型(含CryoSat-2、Jason-1及Envisat所有新數(shù)據(jù)，重力精度提高約2倍)反演海底地形，建成V16.1版本。2014年利用V23全球重力場模型反演海底地形，新增大約111個多波束測線數(shù)據(jù)，形成V18.1。2020年使用V29.1版本重力數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化向下延拓濾波器參數(shù)，發(fā)布V20.1。最新的V23.1模型于2021年發(fā)布，是截至當(dāng)前公認(rèn)的精度最高的全球海底地形模型。

(2)ETOPO模型。2001年美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(National Geophysical Data Center,NGDC)發(fā)布2′×2′網(wǎng)格的全球地形模型ETOPO2，其中64°N～72°S海底地形數(shù)據(jù)源自海底地形模型SIO V8.2。2008年NGDC基于大量相關(guān)模型和實測區(qū)域數(shù)據(jù)，通過融合全球陸地地形和海洋深度數(shù)據(jù)，建成1′×1′網(wǎng)格的ETOPO1海底地形模型[36]。

(3)SRTM模型。2009年SIO等聯(lián)合發(fā)布了30″格網(wǎng)的全球地形模型SRTM30+[37]，其中海洋區(qū)域水深信息主要利用水深測量數(shù)據(jù)和SIO V11.1版本的重力場模型獲取的重力/地形比例因子，采用回歸技術(shù)反演獲得。2014年發(fā)布的SRTM15+V1.0，格網(wǎng)分辨率為15″，它基于V24.1測高反演海底地形，包括源自CryoSat-2和ICESat的格陵蘭和南極洲冰地形，以及源于CryoSat-2和Jason-1的海洋測深。2019年SRTM15+V1.0升級為SRTM15+V2.0[38]，采用的測高反演海底地形模型版本為V27.1，新增測高數(shù)據(jù)包括48個月的CryoSat-2、14個月的SARAL和12個月的Jason-2觀測數(shù)據(jù)，使海面重力異?；謴?fù)的最小波長提高1.4 km，且測高預(yù)測深度精度略有提高。

(4)GEBCO模型。GEBCO(general bathymetric chart of the Cceans)是聯(lián)合國教科文組織下屬的大洋水深制圖項目。2008年發(fā)布包含SRTM30+模型和SIO V11.1海底地形模型的GEBCO_2008模型，格網(wǎng)分辨率為30″。2014年基于多波束數(shù)據(jù)格網(wǎng)化和衛(wèi)星測高重力反演水深融合生成GEBCO_2014模型，格網(wǎng)大小為30″，其中約18%的格網(wǎng)數(shù)據(jù)基于多波束和單波束水深控制數(shù)據(jù)[39]。2019年以SRTM15+V1.0版本作為先驗?zāi)Ｐ?，?gòu)制了格網(wǎng)為15″的海底地形模型GEBCO_2019。2020年發(fā)布GEBCO_2020網(wǎng)格，以SRTM15+V2.0版本為基礎(chǔ)，空間分辨率為15″。最新發(fā)布的為GEBCO_2021模型，格網(wǎng)分辨率仍為15″。

(5)武漢大學(xué)模型。武漢大學(xué)模型是由武漢大學(xué)李建成院士團(tuán)隊構(gòu)建的系列模型。2014年利用1′×1′的SIO V20.1重力異常垂直梯度數(shù)據(jù)，聯(lián)合NGDC發(fā)布的船測水深數(shù)據(jù)，構(gòu)建了75°S～70°N范圍、1′×1′的海底地形模型BAT_VGG17[40]。2020年基于新構(gòu)建的全球衛(wèi)星測高重力異常模型[26]，使用回歸分析方法，聯(lián)合水深測量資料，建立了75°S～70°N范圍、1′×1′的海底地形模型BAT_WHU2020[41]，精度較BAT_VGG17模型提高約30%。

基于衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)構(gòu)建的全球海底地形模型還有很多，以上所列系列模型也并不全面，我國在這方面也還有不少研究成果，限于篇幅，連同對模型的比較和評估本文均不再贅述。

3 海洋測高衛(wèi)星發(fā)展趨勢

3.1 先進(jìn)微波測高技術(shù)

3.1.1 合成孔徑雷達(dá)高度計

合成孔徑雷達(dá)高度計繼承傳統(tǒng)底視高度計的有限脈沖工作方式，測量過程中發(fā)射并接收一系列回波，并對其進(jìn)行合成孔徑處理。相比傳統(tǒng)高度計，主要優(yōu)勢包括[42]：方位向分辨率從2 km提高至200～300 m；信噪比得以提高，利用合成孔徑可實現(xiàn)對同一目標(biāo)的多次觀測，信噪比定性提高10 dB左右；測量精度得以提高，方位向獨立觀測數(shù)的增加和信噪比的提高，使測高精度可以提高1倍以上；天線指向偏角對測量的影響得到減弱，使得對平臺姿態(tài)穩(wěn)定性的要求降低。

2010年發(fā)射的CryoSat-2衛(wèi)星采用了首款合成孔徑雷達(dá)高度計，稱為SIRAL(SAR inteferometric radar altimeter)，專注于極地觀測[6]。SIRAL在Ku頻段以3種模式運行：低分辨率模式(low resolution mode，LRM)；合成孔徑雷達(dá)(SAR)模式，發(fā)射短脈沖的脈沖簇，脈沖間隔從傳統(tǒng)雷達(dá)高度計的500 ms提高至50 ms；SAR干涉儀模式，回波同時由兩個天線接收，進(jìn)行干涉測量。

分別于2016和2018年發(fā)射的Sentinel-3A/3B的主要載荷為合成孔徑雷達(dá)高度計(synthetic aperture radar altimeter，SRAL)[8]。SRAL工作于Ku/C雙頻段，包括測量模式、定標(biāo)模式及支持模式。測量模式又分為LRM模式和SAR模式。LRM每6個Ku脈沖之間有1個C脈沖，旨為充分校正電離層偏差；SAR模式采樣脈沖簇方式，簇周期為12.5 ms，每個簇有64個Ku頻段脈沖，兩端各有1個C脈沖。兩種測量模式均有閉環(huán)和開環(huán)跟蹤模式。定標(biāo)模式用于內(nèi)部脈沖響應(yīng)和增益方向圖的定標(biāo)。支持模式主要用于儀器自檢，以確定儀器有否錯誤或存在不正常狀態(tài)。

2020年發(fā)射的Sentinel-6搭載Poseidon-4合成孔徑雷達(dá)高度計[9]。Poseidon-4采用Ku/C雙頻觀測(SAR模式只有Ku頻段工作)，具有開環(huán)和閉環(huán)兩種跟蹤模式，結(jié)合使用采集時序和交替時序擁有9種獨立測量模式。其中SAR(開環(huán)簇)交替時序優(yōu)勢更為突出，它強(qiáng)制將接收回波排列在發(fā)射脈沖之間，以增加目標(biāo)觀測次數(shù)(樣本數(shù)為Sentinel-3的2倍)，再通過沿軌道以約300 m進(jìn)行平均，減少熱噪聲和散斑噪聲。交替時序使SAR模式可用觀測數(shù)加倍，重要的是可與LRM同時進(jìn)行，即LRM和SAR之間無須儀器轉(zhuǎn)換。Poseidon-4為開環(huán)跟蹤命令分配了約9 MB內(nèi)存，比Jason-3的1 MB和Sentinel-3A/B的4 MB大得多，由此觀測目標(biāo)可以包括更復(fù)雜的河流和湖泊，Poseidon-4校準(zhǔn)策略也有改進(jìn)。

3款合成孔徑雷達(dá)高度計已呈現(xiàn)出色的測高能力。文獻(xiàn)[6]以ERS-1數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合使用3個月CryoSat-2數(shù)據(jù)，所得巴芬灣海洋重力場與5000個船載觀測值之差的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為5.5 mGal，精度比僅用ERS-1數(shù)據(jù)提高0.7 mGal，且沿航跡分辨率提高5倍。文獻(xiàn)[43]利用2年SAR模式CryoSat-2數(shù)據(jù)計算的海面高變化RMS為5.9 cm，比Jason-2 LRM的7.8 cm小40%。文獻(xiàn)[20]對6項GM任務(wù)進(jìn)行了比較，CryoSat-2測高精度僅次于AltiKa，高于Jason-1/2等傳統(tǒng)高度計。文獻(xiàn)[9]將Poseidon-4 SAR/LRM、Sentinel-3A SAR、Jason-3 LRM在3星前后飛行階段前2周的測距精度作了比較，依次為3.2/6.2、5.0、7.0 cm。我國于2014年研制成功合成孔徑雷達(dá)高度計工程樣機(jī)并進(jìn)行機(jī)載試驗，其測高精度比傳統(tǒng)高度計可提高1倍[44]?？傮w上，合成孔徑雷達(dá)高度計性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá)高度計，將成為未來測高任務(wù)的主流載荷。

3.1.2 Ka頻段雷達(dá)高度計

2013年發(fā)射的印-法合作衛(wèi)星SARAL的主要有效載荷即為一種Ka頻段雷達(dá)高度計，稱為AltiKa高度計[7]。AltiKa仍采用底視高度計的技術(shù)體制，但它只有單一Ka工作頻段。與常見的Ku頻段或Ku/C雙頻高度計相比，主要技術(shù)優(yōu)勢包括[7]：更寬的帶寬(480 MHz，Jason-2為320 MHz)使測距分辨率由Ku頻段的0.45 m提高至0.3 m；較短的波長使地面足跡變小(直徑8 km，Jason-2為20 km，Envisat為15 km)，具有更高的空間分辨率；Ka頻段受電離層影響較小，通常為0.02 ns，相當(dāng)于3 mm延遲，基本可忽略；較高的脈沖重復(fù)頻率(4 kHz，Jason-2為2 kHz)可更好地沿軌道對表面進(jìn)行采樣；海面電磁偏差效應(yīng)小，有利于提高儀器測量精度；回波信噪比增加，可采用較低的發(fā)射功率；回波在上升之后迅捷衰減，具有更尖銳的形狀；海洋回波的去相關(guān)時間更短，使得每秒的獨立回波數(shù)目比Ku頻段更多。然而，Ka頻段高度計的缺點也不容忽視：Ka頻段對降雨敏感，較大降雨會導(dǎo)致Ka頻段測量失效，雖然從海洋降雨的時空分布統(tǒng)計，測量失效一般在5%以下，但也會造成測量空白；Ka頻段對誤指向角更敏感，誤指向角回波功率衰減及對波形的影響更大，要求平臺指向角為±0.2°。

SARAL轉(zhuǎn)入GM模式后，至2018年12月采樣形成的4 km大地測量網(wǎng)格約占全球海域的75%[7]。文獻(xiàn)[45]使用SARAL初始精確重復(fù)任務(wù)單周期40 Hz海面高數(shù)據(jù)識別出小至1.35 km高的海山，表明其測距精度約為Envisat和Jason-2的2倍，比CryoSat-2 SAR測高精度高50%。文獻(xiàn)[46]對選定區(qū)域32個重復(fù)周期(約3年)的40 Hz SARAL數(shù)據(jù)剖面進(jìn)行疊加，識別出高度小于720 m乃至500 m高的海山。文獻(xiàn)[47]對全球疊加的SARAL海面剖面應(yīng)用海山檢測濾波器，揭示了75 000多個可能海山。文獻(xiàn)[20]表明，相比其他高度計，AltiKa沿軌道測高噪聲最小，所用32個月數(shù)據(jù)的噪聲比CryoSat-2小1.3倍，且這些數(shù)據(jù)在恢復(fù)重力場中的作用比96個月的CryoSat-2數(shù)據(jù)更重要?？傊珹ltiKa類Ka頻段雷達(dá)高度計就恢復(fù)大地水準(zhǔn)面、重力異常及平均海平面的短波特征而言表現(xiàn)優(yōu)秀。

3.1.3 合成孔徑雷達(dá)干涉儀

合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)為一項較成熟的技術(shù)，已經(jīng)機(jī)載平臺多次驗證。航天飛機(jī)雷達(dá)地形任務(wù)即采用該項技術(shù)獲得了全球范圍幾米精度的地形數(shù)據(jù)。美國正在研發(fā)的SWOT(surface water ocean topography)衛(wèi)星系統(tǒng)，主要用于高分辨率測量海面地形和陸地水位，其主要設(shè)備為一臺合成孔徑雷達(dá)干涉儀，稱為KaRIn(Ka-band radar interferometer)[48]。

KaRIn工作在Ka頻段(35.75 GHz)，天線子系統(tǒng)由2個5 m長和0.3 m寬的可展開天線組成，位于10 m長的干涉基線兩端。其中，1個天線發(fā)射，帶寬為200 MHz；2個天線同時接收雷達(dá)回波。干涉儀采用雙刈幅系統(tǒng)，交替照亮天底軌跡兩側(cè)的左右刈幅(寬度約50 km)，跨軌方向的地面分辨率約為70 m(刈幅近邊緣)至約10 m(刈幅遠(yuǎn)端)；通過合成孔徑處理，沿航跡方向的空間分辨率理論上約為基線長度的一半，即2.5 m[49]。KaRIn的期望測高精度為50 cm，在1 km×1 km海面網(wǎng)格內(nèi)平均后達(dá)2～3 cm。

KaRIn有兩種工作模式：海洋低分辨率模式，具有在軌處理功能，以減少數(shù)據(jù)量；陸地區(qū)域高分辨率模式，專注于水文學(xué)研究。KaRIn在天底點軌跡的左右刈幅之間存在測量空白，因此SWOT配備1臺傳統(tǒng)底視高度計測量空白區(qū)的高度。為解決底視高度計覆蓋范圍和KaRIn刈幅覆蓋范圍之間的數(shù)據(jù)空白，計劃搭載近天底點干涉測量實驗組件，接收從近天底點表面反射的KaRIn信號，并與KaRIn天線接收信號執(zhí)行干涉測量。

SWOT以其寬刈幅將覆蓋地球上所有的湖泊、河流、水庫、海洋，每21 d至少覆蓋兩次。但要達(dá)到厘米量級測高精度，需精細(xì)考慮各項誤差修正，如衛(wèi)星橫滾角誤差引起的高程誤差、相位誤差、傳播介質(zhì)誤差、系統(tǒng)延遲誤差、基線誤差、徑向速度誤差、標(biāo)定誤差等[49]。文獻(xiàn)[50]利用SWOT模擬數(shù)據(jù)研究表明，多周期SWOT觀測相比傳統(tǒng)底視高度計，可以得到更高質(zhì)量的海洋重力異常。我國2016年隨天宮二號空間實驗室發(fā)射升空的三維成像微波高度計，是國際上第1個采用小入射角短干涉基線實現(xiàn)寬刈幅海面高度測量的高度計[51]?？傮w而言，SWOT類任務(wù)的顯著優(yōu)勢為，可以同時提供高時空分辨率、高精度的2維海面高和海面粗糙度測量。

3.2 GNSS-R反射信號測高

GNSS-R是利用地球表面反射的GNSS信號進(jìn)行對地遙感探測的新技術(shù)，具有全球快速覆蓋和重訪的技術(shù)優(yōu)勢。文獻(xiàn)[52]率先提出利用GNSS-R技術(shù)測量海面高度的設(shè)想，用于改進(jìn)傳統(tǒng)天底雷達(dá)高度計的時空采樣率。隨后開展的多次岸基、機(jī)載及氣球?qū)嶒炞C實了GNSS-R測高和散射測量的可行性。

文獻(xiàn)[53]從1994年發(fā)射的星載成像雷達(dá)-C衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)中首次提取到經(jīng)地球表面反射的GPS信號，開啟了GNSS-R技術(shù)星載驗證和應(yīng)用的新篇章。2003年，英國薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司(SSTL)將災(zāi)害監(jiān)測星座衛(wèi)星的GPS接收機(jī)進(jìn)行改裝，配以天底指向高增益天線，證實了星載接收機(jī)接收海面、冰面、陸面GPS反射信號的可行性，并利用接收到的少量原始采樣數(shù)據(jù)對海面風(fēng)場、土壤濕度、海冰的敏感性進(jìn)行了探索性研究[54]。英國于2014年6月發(fā)射了搭載SSTL接收機(jī)的TechDemoSat-1，首次在軌獲取了GPS L1 C/A碼DDM(delay Doppler mappings)數(shù)據(jù)集，主要驗證了GNSS-R海面風(fēng)速及粗糙度測量的可行性[55]，并對數(shù)字高程模型、海洋測高和冰面高度測量的可行性等進(jìn)行了驗證。NASA于2015年1月發(fā)射的土壤水分主動/被動衛(wèi)星任務(wù)，因L波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障，利用星上硬件設(shè)備進(jìn)行了土壤水指數(shù)和地上生物量評估等GNSS-R實驗[56]。NASA于2016年12月發(fā)射了一個由8顆衛(wèi)星組成的CYGNSS(cyclone GNSS)小衛(wèi)星星座，主要用于研究熱帶氣旋和熱帶對流。文獻(xiàn)[57]利用CYGNSS星座采集的原始數(shù)據(jù)集，評估了GNSS-R海洋測高性能，表明采用1 s GPS和Galileo群延遲觀測量，測距精度可達(dá)3.9和2.5 m。2019—2021年發(fā)射的Spire、3Cat-4、3Cat-5 A/B和PRETTY衛(wèi)星(星座)，以及我國的捕風(fēng)-1A/B雙星和風(fēng)云三號E衛(wèi)星均搭載了GNSS-R設(shè)備，可進(jìn)一步為GNSS-R測高研究和試驗提供豐富的樣本數(shù)據(jù)[58]。

GNSS-R測高技術(shù)通過測量地球表面反射的GNSS信號與GNSS直達(dá)信號之間的時延差，反演反射面相對于參考橢球面的高度。該技術(shù)發(fā)展至今，根據(jù)時延觀測量的不同可分為群延遲測高技術(shù)和載波相位測高技術(shù)，其中群時延測高技術(shù)又分為傳統(tǒng)群延遲測高技術(shù)和干涉測高技術(shù)。GNSS-R傳統(tǒng)群延遲測高技術(shù)利用同一公開的民用碼與GNSS直達(dá)、反射信號分別相關(guān)，從而獲取二者時延差。該技術(shù)受限于碼信號的帶寬，且只能跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)公開且測量精度較差的碼型，其星載測高精度為米級[57]。干涉測高技術(shù)將GNSS直射信號與反射信號直接相關(guān)，利用生成的干涉相關(guān)功率波形計算二者的時延差。由于GNSS直射與反射信號均調(diào)制有相同的高精度的P(Y)碼，干涉測高技術(shù)的星載測高精度仿真結(jié)果為分米級，歐空局原計劃于2020年開展GEROS-ISS項目對該技術(shù)進(jìn)行星載驗證，后因故推遲，目前國際上尚未對該技術(shù)進(jìn)行星載驗證。載波相位測高技術(shù)利用GNSS反射信號與直射信號的相位跟蹤結(jié)果計算二者的時延差，星載GNSS-R載波相位測高精度可以達(dá)到厘米級。文獻(xiàn)[59]使用CYGNSS衛(wèi)星的GPS和Galileo觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了掠射載波相位海面測高，精度在20 Hz采樣時為3 cm/4.1 cm(中值/平均值)，在1 Hz采樣時為厘米級，與專用雷達(dá)高度計相當(dāng)；包括系統(tǒng)誤差在內(nèi)的綜合精度在50 ms積分時為16 cm/20 cm(中值/平均值)，在1 s時為幾厘米。文獻(xiàn)[58]利用Spire衛(wèi)星觀測的初始掠射角GNSS反射數(shù)據(jù)，采用雙頻相位測量值進(jìn)行測高反演，海冰區(qū)域在消除偏差后與海面高模型之差的RMS為3 cm，開闊海域的RMS在～14 cm以內(nèi)。GNSS反射信號載波相位連續(xù)跟蹤條件極為苛刻，要求GNSS反射信號以相干分量為主，應(yīng)用中通常利用低仰角GNSS信號降低海面粗糙度對GNSS反射信號載波相位的連續(xù)跟蹤的影響，且風(fēng)和浪應(yīng)低于6 m/s和1.5 m有效波高，極大地限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。盡管如此，通過衛(wèi)星軌道和GNSS-R接收機(jī)硬件的優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合應(yīng)用其他反演技術(shù)，GNSS-R厘米量級測高精度具有誘人的發(fā)展前景。我國相關(guān)單位正為此努力并已取得諸多成果[60-61]。

3.3 測高衛(wèi)星組網(wǎng)

測高衛(wèi)星組網(wǎng)的目的為，提供高時間分辨率、高空間分辨率的高精度測高產(chǎn)品。迄今真正意義的天底雷達(dá)高度計測高衛(wèi)星組網(wǎng)未曾實施，可能是由于小衛(wèi)星難以容納雷達(dá)高度計天線或大型星座成本過高。類似T/P和Jason-1、Jason-1和Jason-2、ERS-1和ERS-2的同軌串聯(lián)運行階段只能認(rèn)為是一種非刻意的簡單組網(wǎng)。

美國約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室曾提出水面坡度地形和技術(shù)實驗測高衛(wèi)星星座計劃，星座由3顆位于同一軌道面相距幾十至幾百千米的小衛(wèi)星組成[62]。每顆衛(wèi)星搭載雷達(dá)高度計等測高載荷，其地面軌跡因地球自轉(zhuǎn)呈跨軌向排列，軌跡間距取決于衛(wèi)星之間的距離，由此可以實現(xiàn)跨軌道和沿軌道海面高梯度的二維測量，極大地豐富了海面高觀測信息。該星座按有利于密集空間覆蓋、相對緊密時間覆蓋或其他優(yōu)先級建立了4種測量模式：①高空間分辨率模式，衛(wèi)星軌道間隔約200 km，時間間隔小于1 min，地面軌跡間距為24 km，支持以大約相同的分辨率測量沿軌道和跨軌道的海面梯度；②均勻密集空間覆蓋模式，衛(wèi)星軌道間隔約900 km，時間間隔約4 min，地面軌跡間距為53 km，是觀測海洋渦旋場的最佳間距；③高時間分辨率模式，衛(wèi)星軌道間隔2600 km，后一衛(wèi)星軌跡嚴(yán)格覆蓋前一衛(wèi)星軌跡，重訪周期為3 d和6 d；④特殊覆蓋模式，一個高度計執(zhí)行固定的精確重復(fù)任務(wù)，其他高度計按需移動到指定的科學(xué)、軍事或自然災(zāi)害應(yīng)用區(qū)域。

法國國家空間研究中心提出小型水文測高衛(wèi)星星座計劃[63]，旨在近實時監(jiān)測全球河流和湖泊水位變化供氣候預(yù)報和研究。星座由10顆50 kg/50 W/27 U級小衛(wèi)星組成，位于太陽同步軌道。每顆衛(wèi)星搭載天底高度計和精密定軌系統(tǒng)，獲取10 cm精度的海面高。星座能夠監(jiān)測窄至50 m寬的河流和小至100 m×100 m的湖泊。該星座與SWOT等寬刈幅測高任務(wù)高度互補(bǔ)，共同以較短時間提供幾乎完整的空間覆蓋。

文獻(xiàn)[64]提出采用兩個寬刈幅高度計的組網(wǎng)計劃，以極大提高海洋監(jiān)測和預(yù)報能力。模擬分析表明，與目前3個底視高度計(Sentinel-6和Sentinel-3A/B)同時在軌運行相比，海面高分析和7 d預(yù)報誤差在全球范圍內(nèi)減少約50%，分辨率由約250 km提高至接近100 km。

文獻(xiàn)[65—66]對微納衛(wèi)星組網(wǎng)測高進(jìn)行了探討，認(rèn)為要達(dá)到厘米級精度還面臨眾多難題，但通過減少有效載荷功能、優(yōu)化載荷結(jié)構(gòu)降低重量和功耗、引入在軌處理降低數(shù)據(jù)速率、最小化或抑制平臺冗余等措施，可將整個衛(wèi)星重量和功耗降至45 kg/70 W，其中的精度損失則通過增加觀測量予以彌補(bǔ)。其實，如前文介紹的CYGNSS、Spire和PRETTY等，微納衛(wèi)星組網(wǎng)在GNSS-R中已得到諸多應(yīng)用。

文獻(xiàn)[67]根據(jù)實際需求提出了雙星跟飛測高全球海域重力場測量模式，旨在于相對較短的時間內(nèi)獲取全球海域1′分辨率、精度為2～3 mGal(1 mGal=10-5m/s2)的海洋重力異常。兩顆衛(wèi)星位于同一軌道面，前后相距30 km(約4 s)同時對海面進(jìn)行觀測。若衛(wèi)星選擇太陽同步近圓軌道，平均軌道高度為900 km，軌道傾角為98.99°，回歸周期設(shè)為172 d，考慮地球自轉(zhuǎn)因素，兩顆星的瞬時地面軌跡間距為1′，單顆星軌跡間距為2′，顧及小周期間的轉(zhuǎn)移時間，以及升軌、降軌等因素，理論上雙星跟飛測量大約2.3 a后可完成1′軌道間距全球覆蓋，4.6 a時間可得到兩次重復(fù)的地面軌跡覆蓋。衛(wèi)星測高反演重力場的經(jīng)典做法是利用海面高差求解垂線偏差，然后進(jìn)一步計算重力異常和大地水準(zhǔn)面高等。顯然，海面高差的測量精度最為關(guān)鍵。雙星跟飛測高模式的出發(fā)點為，利用雙星同時測量沿軌道和跨軌道的海面高差(或梯度)，此時軌道誤差表現(xiàn)為星間或單星歷元間的相對軌道誤差(從單星的約5 cm降為約1 cm)，而大氣傳播和地球物理效應(yīng)等長周期改正，對于地面軌跡間距只有2 km的雙星而言近似相等，在海面高差中幾無體現(xiàn)，因此海面高差的精度相比于傳統(tǒng)的單星測量有顯著提高。假設(shè)采用精度約為2 cm的合成孔徑雷達(dá)高度計，雙星海面高差的測量精度將優(yōu)于4 cm，由此經(jīng)過5年以上的雙星在軌測量，完全可以實現(xiàn)2～3 mGal的海洋重力異常測量目標(biāo)[67-68]。

4 結(jié) 論

自第1顆測高衛(wèi)星試驗成功以來，衛(wèi)星測高即在大地測量中起著舉足輕重的作用。衛(wèi)星測高反演全球海洋重力場和海底地形，無論是分辨率還是精度都得到不斷提高，覆蓋范圍也從開闊海域逐漸拓展至近海和極地區(qū)域。盡管如此，衛(wèi)星測高仍是未來海洋重力場尤其是海底勘探(特別是深海)的一種重要手段，以下幾點尤為值得關(guān)注：

(1)設(shè)計的雙星跟飛測高和SWOT均可實現(xiàn)沿軌道和跨軌道的二維海面高(差)測量，從而極大提高海洋重力場的空間分辨率和精度，特別是提高淺大陸邊緣的空間分辨率，進(jìn)而提升海底地形的分辨率和反演精度。

(2)若將衛(wèi)星測高反演海底地形與ICESat-2類高級地形激光高度計觀測數(shù)據(jù)和遙感衛(wèi)星圖像、機(jī)載激光雷達(dá)圖像相結(jié)合，有望繪制大面積淺水區(qū)的地圖，與使用船只相比，所花費的時間和成本少很多。

(3)星載GNSS-R具有豐富的觀測源，可以同時接收BDS、GPS、Galileo、GLONASS源自海面的反射信號，利用載波相位觀測量已被證實可以獲得厘米級精度的海面高，若與微波雷達(dá)衛(wèi)星測高結(jié)果進(jìn)行同化和融合處理，有望在未來3～5年得到普遍應(yīng)用。

(4)盡管目前還不完全清楚人工智能技術(shù)將給衛(wèi)星測高領(lǐng)域帶來何種益處和突破；然而，大量空間數(shù)據(jù)和綜合數(shù)據(jù)將受益于人工智能科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)的操作、處理、解釋及理解工具，從而提高其應(yīng)用價值。