衛星海洋測高技術體制發展研究

李洋張潤寧萬曉云侯小瑾李芳

（1航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）（2錢學森空間技術實驗室，北京 100094）

衛星海洋測高技術體制發展研究

李洋1張潤寧1萬曉云2侯小瑾1李芳1

（1航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）（2錢學森空間技術實驗室，北京 100094）

分析了傳統衛星海洋測高技術在時空分辨率、測距精度和獲取二維矢量信息方面的局限性；在此基礎上分析研究了寬刈幅測高、多星編隊測高、合成孔徑測高及Ka頻段測高技術體制在克服傳統測高局限性的潛在能力；最后提出了未來衛星海洋測高的兩種發展方向，即兼顧融合多領域應用的綜合型測高技術體制和專題應用型測高技術體制。

衛星海洋測高；技術體制；雷達高度計

1 引言

衛星海洋測高技術利用精密定軌系統和星載雷達高度計，分別測量衛星到參考橢球面的距離以及衛星到海面的距離，兩者相減得到海面相對于參考橢球面的高程（即海面高）。測量數據具有空間分布均勻、近全球海域覆蓋、測量基準統一等特點，在地球科學研究的諸多領域中得到了廣泛應用，因此衛星海洋測高已成為獲取海面高信息最有效的測量方式。

美國于1973年在“天空實驗室”（Skylab）上進行了衛星海洋測高的原理性試驗并獲得成功，此后國際上陸續發射了10余顆海洋測高衛星，其中1978年發射的“海洋衛星”（SEASAT）具有里程碑的意義，其雷達高度計采用“全去斜坡”的脈沖壓縮技術，測距精度從米級提高到厘米級［1］。20世紀90年代初期，隨著“全球導航衛星系統”（GNSS）和“多普勒軌道確定和無線電定位組合系統”（DORIS）在海洋測高衛星上的應用，精密定軌精度從米級提升到厘米級［2］，至此，厘米級海面高的測量精度才變為現實。高精度的海面高測量信息曾為大地測量學、海洋學等學科的發展帶來了革命性的變化［3-4］，然而，傳統衛星海洋測高因其固有的技術體制局限性，在滿足諸多應用領域需求方面存在的不足越來越明顯。為此，多種測高新技術和新體制被相繼提出，如寬刈幅測高、多星編隊測高、合成孔徑測高及Ka頻段測高技術等［5-6］。20世紀80年代，我國開始了衛星海洋測高技術的研究，并于2011年8月發射了第1顆海洋測高衛星海洋-2A（HY-2A）衛星，目前仍在繼續開展相關研究［7］。

本文探討了傳統衛星海洋測高的局限性，并分析比較了新技術體制的特點，可為我國未來此類衛星發展規劃的制定和頂層任務分析提供參考。

2 傳統衛星海洋測高的局限性

2.1 時空分辨率低

圖1為組成海面高各種地球物理現象的時空分布。從圖1中可以看出，海洋現象的時間尺度從幾小時到上萬年，空間尺度從幾百千米到上萬千米。根據奈奎斯特采樣定理，時空采樣間隔要小于觀測對象時空尺度的1/2，才能獲取觀測對象的全部頻譜信息。目前，傳統海洋測高衛星達到的最高時間分辨率為9.9 d，相鄰軌跡空間分辨率最高為3.8 km，分別對應賈森-1（Jason-1）衛星重復周期為9.9 d和406 d的軌道模式。根據奈奎斯特采樣定理，在圖1中用虛線標出了上述2種軌道模式能夠獲取觀測對象全部頻譜信息的時空尺度分界線，即虛線上方和右方觀測對象的時空頻譜信息是可以完全獲取的。不過，這是理論上描述的最佳采樣情況，在實際工程中，由于測量噪聲的影響，能夠獲取的時空頻譜信息范圍將變小。處于虛線左方和下方的海洋現象，采用傳統海洋測高衛星獲取其頻譜信息受到限制。其中，一些海洋現象通常出現在海岸線附近，其頻譜信息與人類活動密切相關，如渦旋和鋒面、上升流及中小尺度海洋現象等。因此，提高衛星時空分辨率以獲取其時空頻譜信息是十分必要的。

沿軌跡空間分辨率由雷達高度計的技術特點決定。由于雷達高度計的脈沖回波受到噪聲的干擾，通常將1 s內發射的約2000個脈沖回波進行疊加以抑制噪聲，從而達到厘米級的測距精度。1 s對應的沿軌跡空間分辨率約為7.0 km，圖1中空間尺度在幾百米的海洋現象主要為渦旋、鋒面和上升流，多出現在近海區域，與人類活動關系更密切。為滿足近海區域此類海洋現象的觀測，沿軌跡空間分辨率要提高到百米量級，因此，在保證測距精度的同時，要在幾十毫秒內疊加約2000個脈沖回波，相當于1 s內發射的脈沖個數達到數萬個（即脈沖重復頻率達到數萬赫茲）。然而，此方法只適用于脈沖回波之間是彼此獨立的情況，當脈沖重復頻率增加到一定值之后，再繼續增加不會帶來雷達高度計性能的提升，稱此時的脈沖重復頻率為有效脈沖重復頻率。文獻［8］中計算了Ku頻段的有效脈沖重復頻率在2000 Hz左右，而目前傳統雷達高度計的脈沖重復頻率均在2000 Hz左右，已達到有效脈沖重復頻率，因此，通過增加脈沖重復頻率實現沿軌跡空間分辨率的提高已不適用，須采取新的技術途徑從根本上解決沿軌跡空間分辨率低的問題。

圖1 衛星與海洋現象的時空特征Fig.1 Space and time scales of satellite and ocean phenomena

2.2 時空分辨率矛盾突出

時空分辨率的相互矛盾是對地觀測衛星普遍存在的問題，由于雷達高度計具有沿星下點軌跡一維觀測的特點，與具有一定刈幅的光學以及合成孔徑雷達等成像衛星相比，時空分辨率的矛盾更加突出。例如，Jason-1衛星的2種軌道模式中，重復周期為9.9 d的模式對應的相鄰軌跡空間分辨率為157 km，重復周期為406 d的大地測量模式對應的相鄰軌跡空間分辨率為3.8 km。

2.3 獲取二維矢量譜信息受到限制

渦旋、鋒面和上升流等中尺度海洋現象，通常用二維矢量譜來表示，其空間尺度為幾米到幾十千米，時間尺度為幾小時到幾個月。然而，由于雷達高度計沿軌跡一維測量的特點，并且相鄰軌跡的測量時空間隔較大，無法用其進行二維矢量譜的計算。例如：Jason-1衛星大地測量模式相鄰軌跡的空間分辨率為3.8 km，從空間尺度來看，相鄰軌跡的測量數據可用于二維矢量譜的測量，但是其測量時間卻相差406 d，已遠遠大于中尺度海洋現象的時間尺度，而衛星的時空分辨率存在矛盾，因此，相鄰軌跡數據無法用于獲取二維矢量信息。

2.4 近海區域測距精度明顯降低

近海區域，雷達高度計回波波形受到陸地回波以及較大有效波高的影響，測距精度明顯下降，導致近海幾十千米范圍內的數據質量較差。例如：目前，傳統雷達高度計的最高測距精度是由Jason-2衛星的雷達高度計獲得的，在2 m、5 m、10 m、15 m有效波高時的測距精度分別為1.7 cm、3.2 cm、4.2 cm、9.3 cm［9］，采用波形重跟蹤的數據處理方法來改善精度。文獻［10］中對地中海周邊海域的“環境衛星”（Envisat）數據進行處理，測距精度提高了20%～50%，文獻［11］中聯合“托佩克斯-海神”衛星（TOPEX/Poseidon）和Jason-1的數據反演了我國南海北部的潮汐，精度提高了20%左右。文獻［12］中利用歐洲遙感衛星-1（ERS-1）和“測地衛星”（GEOSAT）高相鄰軌跡空間分辨率的大地測量數據，對太平洋東部沿岸地區數據進行處理，精度提高了27%～40%。雖然數據處理方法能夠在一定程度上提高測距精度，但改善程度十分有限，因此應從測量系統入手，從根本上解決近海區域測量精度低的問題。

3 衛星海洋測高的新技術體制

傳統衛星海洋測高技術體制的局限性，促進了新技術體制的不斷涌現。針對時空分辨率低和矛盾突出的問題，提出了將干涉成像與傳統測高相結合的寬刈幅測高技術體制及多星編隊測高技術體制，可以同時獲取二維矢量譜信息；針對沿軌跡空間分辨率低的問題，采用將合成孔徑技術融入雷達高度計的思想，提出了合成孔徑測高技術體制；針對近海區域測距精度低的問題，提出了將載波頻率提高到Ka頻段的Ka頻段測高技術體制。其中，合成孔徑測高技術和Ka頻段測高技術已有星載工程應用實例。

3.1 寬刈幅測高技術體制

將傳統衛星測高技術與干涉合成孔徑雷達測高技術結合的寬刈幅測高技術體制，克服傳統雷達高度計星下點觀測的缺點，實現從一維線測量到二維面測量的轉變，以便獲取海面的二維矢量信息，擴展觀測維度，同時提高時空分辨率。圖2中，新型雷達高度計由一個傳統雷達高度計和10 m基線的合成孔徑雷達干涉儀組成。

圖2 寬刈幅測高體制工作原理Fig.2 Operational principle of wide-swath altimetry system

NASA與法國國家空間中心（CNES）聯合研制的“陸地水文及海面地形探測任務”（Surface Water and Ocean Topography Mission，SWOT）衛星，將采用上述測高技術體制，計劃在2019年發射。其中，傳統雷達高度計采用Ku和C頻段雙頻體制，用于進行星下點處的高精度距離測量，以及電離層延遲效應的測量。合成孔徑雷達干涉儀采用Ka頻段，基線長10 m，用于沿軌跡兩側各60 km幅寬的高程測量，分辨率可達到百米量級。SWOT衛星的軌道高度為1060 km，傾角為78°，重復周期為22 d。在1個重復周期內，可實現全球海域的2次測量，獲取百米量級的空間分辨率、厘米級精度的高程信息，為諸多應用領域帶來開拓性的變化［13-14］。

3.2 多星編隊測高技術體制

文獻［15］中提出了一種多星測高編隊體制，可實現多維度的差分測量。如圖3所示，3顆共面測高小衛星編隊飛行，由于地球的自轉，星下點軌跡在橫向分離，這樣不僅可以得到沿軌跡的梯度，還可以得到相鄰軌跡的梯度，即在單次飛行任務中就可獲得海平面的二維梯度信息。由于數據點的測量時間相差幾秒，距離相差幾千米，在計算相鄰數據點海面高梯度時，大尺度時空特性的誤差項被明顯削弱（如衛星軌道、大氣傳輸等誤差），從而可提高最終海面高及其梯度的測量精度。

圖3 3顆衛星組成的海洋測高編隊體制Fig.3 Three co-planar satellite formation for altimetry

3.3 合成孔徑測高技術體制

將合成孔徑技術應用于傳統雷達高度計上，利用衛星運動，經多普勒銳化將天線波束變成多個子波束，發射脈沖中的每個子波束在傳統圓形天線足跡內形成條帶狀的波束足跡，即采用合成孔徑技術提高沿軌跡空間分辨率（如圖4所示，只標出單個脈沖）。

圖4 合成孔徑測高體制工作原理Fig.4 Operational principle of synthetic aperture altimetry system

由于僅對1個脈沖簇內的脈沖進行孔徑合成，其合成孔徑長度較短，因此合成孔徑雷達高度計的沿軌跡空間分辨率計算不同于普通合成孔徑雷達等聚焦雷達。其沿軌跡空間分辨率的計算公式為Δx＝cλTR/（4vSτB），其中c為光速，λ為載波波長，TR為雙程傳輸時間，vS為衛星運動速率，脈沖簇周期τB通常為0.9TR。例如，當軌道高度為800 km時，vS為7452 m/s，對于波長2.2 cm的Ku頻段合成孔徑雷達高度計，沿軌跡空間分辨率為246 m。

在衛星飛行過程中，條帶區域內的目標被子波束依次掃視，將不同位置接收的回波信號進行延遲距離校正后疊加，實現目標的多次測量，提高了信噪比。比起傳統回波波形，合成孔徑雷達高度計的回波前沿更陡峭，信噪比更高，從而獲得更高的測距精度［16］。合成孔徑雷達高度計首次于2010年成功搭載在冷衛星-2（Cryosat-2）上，沿軌跡空間分辨率為350 m，測距精度為1 cm［17］。

3.4 Ka頻段測高技術體制

Ka頻段測高技術體制是將傳統雷達測高的載波頻率從Ku頻段提高到Ka頻段，具有以下幾點不同特性［18］。

（1）近海區域仍能保持良好測距精度，主要來自以下3個方面原因：①在Ka頻段下，海洋回波的去相關時間更短，從而可以設計更高的脈沖重復頻率；②電磁波的穿透效應弱化，增加了反射能量，使回波上升沿更加陡峭；③海面電磁偏差效應小。2013年3月，印度和法國聯合研制的“數據采集與Ka頻段高度計衛星”（SARAL）發射升空，搭載了毫米波雷達高度計，有效波高為2 m和10 m（近海區域）時，對應的測距精度分別為0.8 cm和1.4 cm［9］，與第2.4小節中提到的傳統雷達高度計相比，性能明顯提升。

（2）無需電離層校正。電離層延遲效應和頻率的平方成正比，一般情況下，電離層對Ka頻段可以造成大約0.02 ns（相當于3 mm）的延遲，基本可以忽略。對于極端惡劣的情況，可以利用GNSS或DORIS進行電離層延遲校正。

（3）Ka頻段對降雨敏感，可用來估計海洋上雨量較小的降雨，有助于完善海洋降雨及氣候學方面的知識。不過，較大的降雨會導致Ka頻段測量失效。

（4）對誤指向角更敏感，因此，對衛星姿態控制系統提出了更高的要求。

4 新技術體制的發展趨勢

高觀測精度、高時間分辨率、高空間分辨率是衛星海洋測高發展的必然要求，已提出的新技術體制都是圍繞上述要求展開的。從目前的發展趨勢看，存在2種并行的發展方向。

（1）綜合型測高技術體制。這類體制可以不同程度地兼顧和融合多領域的應用，如兼顧海洋動力信息和海洋重力場信息的測量，還能一定程度地實現陸地高程測量；但要在多種應用指標間進行綜合權衡，難以保證所有應用指標均是最優的，同時單顆衛星的工程實施難度、復雜度及風險都相對較大。例如：SWOT衛星22 d軌道重復周期的確定，是兼顧海洋多種信息測量后權衡優化的結果，與專注于海洋動力信息測量的T/P系列衛星10 d的重復周期相比，SWOT衛星的時間分辨率（重復周期）不是最佳的。

（2）專題應用的測高技術體制。針對海洋、測繪、水文、冰川等領域中的專題應用，提高專項性能指標以滿足應用需求，衛星有效載荷、軌道、平臺的設計均圍繞專項性能指標的保證開展。這類體制非常適合采用小衛星平臺，其靈活機動的特點對不同專題應用需求具有良好的適應性，結合衛星組網和編隊技術，能夠具備時空分辨率靈活調整的能力，工程實施難度、復雜度及風險都相對較小。例如，SARAL衛星在試驗新型載荷Ka頻段雷達高度計的基礎上，旨在解決近海區域測距精度低的問題；采用印度微小衛星-2（IMS-2）平臺，質量為350 kg。

我國已經成功發射海洋二號衛星在軌穩定運行，驗證了海洋測高技術體制的可行性和應用效能，為我國未來衛星海洋測高的發展奠定了良好的技術基礎。在此基礎上，在發展我國后續衛星海洋測高時，一方面，要進一步提高專項性能指標，以滿足專業部門專題應用時的高精度要求；另一方面，充分考慮綜合應用部門的需求，融合不同的技術體制，實現不同應用領域的一定程度的兼容。在制定具體發展規劃時，應當按照解決急需、先易后難、分步實施的原則，設計出未來技術發展路線圖。

（References）

［1］Diane L E，Wener A，Anny C，et al.Seasat，a 25-year legacy of success［J］.Remote Sensing of Environment，2005，94（3）：384-404

［2］Luthcke S B，Zelensky N P，Rowlands D D，et al.The 1-centimeter orbit：Jason-1 precision orbit determination using GPS，SLR，DORIS and altimeter data［J］.Marine Geodesy，26（3/4）：399-421

［3］王廣運.衛星測高原理［M］.北京：科學出版社，1995 Wang Guangyun.Theory of satellite altimetry［M］. Beijing：Science Press，1995（in Chinese）

［4］翟國君，黃謨濤.衛星測高原理及其應用［J］.海洋測繪，2002，22（1）：57-62 Zhai Guojun，Huang Motao.The principle of satellite altimetry and its applications［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2002，22（1）：57-62（in Chinese）

［5］汪海洪，鐘波，王偉，等.衛星測高的局限與新技術發展［J］.大地測量與地球動力學，2009，29（1）：91-95 Wang Haihong，Zhong Bo，Wang Wei，et al.Limitations of satellite altimetry and future technology improvements［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29（1）：91-95（in Chinese）

［6］黃謨濤，翟國君，歐陽永忠，等.衛星測高技術應用研究回顧與展望［J］.海洋測繪，2004，24（4）：65-70 Huang Motao，Zhai Guojun，Ouyang Yongzhong，et al. Review and prospect of application study in altimetry［J］. Hydrographic Surveying and Charting，2004，24（4）：65-70（in Chinese）

［7］楊保華.構建中國海洋衛星體系 提升海洋環境與災害監測能力［J］.中國空間科學技術，2011，31（5）：1-8 Yang Baohua.Constructing China's ocean satellite system to enhance the capability of ocean environment and disaster monitoring［J］.Chinese Space Science and Technology，2011，31（5）：1-8（in Chinese）

［8］徐曦煜.星載雷達高度計誤差分析和定標技術研究［D］.北京：中國科學院研究生院，2008 Xu Xiyu.Study on spaceborne radar altimeter error analysis and calibration technology［D］.Beijing：Graduate University，Chinese Academy of Sciences，2008（in Chinese）

［9］Patrick V，Nathalie S.AltiKa：a Ka-band altimetry payload and system for operational altimetry during the GMES period［J］.Sensors，2006，6（3）：208-234

［10］郭金運，高永剛.近岸海域EnviSat衛星測高波形重定的Threshold優化算法［J］.地球物理學報，2010，53（4）：807-814 Guo Jinyun，Gao Yonggang.Optimal threshold algorithm of EnviSat waveform retracking over coastal sea［J］.Chinese Journal of Geophysics，2010，53（4）：807-814（in Chinese）

［11］張穎，高金耀.15年測高資料反演南海北部潮汐結果的分析［J］.海洋測繪，2008，28（6）：1-5 Zhang Ying，Gao Jinyao.The analysis of tide inversion results from fifteen years altimetry data in northern South China Sea［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2008，28（6）：1-5（in Chinese）

［12］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 Geophysical Research，2009，114（B1）：1-18

［13］Alsdorf D E，Rodriguez E，Lettenmaier D，et al. Measuring surface water from space［J］.Reviews of Geophysics，2007，45（2）：365-390

［14］Yeosang Y，Michael D，Carolyn J M，et al.Estimating river bathymetry from data assimilation of synthetic SWOT measurements［J］.Journal of Hydrology，2012，25（464/465）：363-375

［15］Raney R K，Porter D L.WITTEX：an innovative three-satellite radar altimeter concept［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2001，39（11）：2387-2391

［16］Raney R K.The delay-doppler radar altimeter［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1998，36（5）：1578-1588

［17］Bao L，Xu H，Li Z.Towards a 1mGal accuracy and 1min resolution altimetry gravity field［J］.Journal of Geodesy，2013，87（10/11/12）：961-969

［18］Verron J，Bahurel P，Caubet E，et al.Altika：a microsatellite Ka-band altimetry mission［C］//Proceedings of the 52th International Astronautical Congress.Toulouse：IAF，2001

（編輯：夏光）

Research on Development of Satellite Altimetry Technology Systems

LI Yang1ZHANG Running1WAN Xiaoyun2HOU Xiaojin1LI Fang1
（1 DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）
（2 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，Beijing 100094，China）

The limitations of conventional altimetry are discussed，such as low temporal and spatial resolution，low ranging accuracy and constrained measurements of two-dimensional information，etc.To overcome these traditional limitations，new technology systems are analyzed，such as wide-swath ocean altimetry，altimeter constellation，delay-doppler altimetry and Ka-band altimetry.Finally，two development trends of satellite altimetry are given，namely integrated altimeter technology system which can be used for various applications and altimeter technology system which are dedicated to the particular application.

satellite altimetry；technology system；radar altimeter

V474.2；P228

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.015

2014-11-18；

：2015-04-09

國家自然科學基金（41404019）

李洋，女，博士研究生，研究方向為航天器總體設計。Email：liyangcau@sina.com。