基于珠海萬山定標場沿岸驗潮儀的HY-2B雷達高度計定標研究

張宇飛，蔣興偉，馬超飛*

(1.國家衛星海洋應用中心，北京 100081)

1 引言

高度計從提出至今已有50余年，極大地促進了海洋科學、地球物理、大地測量等諸多領域的發展，其精度目前已經達到厘米級，能夠很好地滿足人們對海浪、海流等方面研究的需要。然而，高度計在對海面高度進行測量的過程中存在著偏差和偏移，其變量較多，不確定性較大，因此，高度計的數據產品質量需要嚴格的定標和驗證來保證。衛星高度計的定標是指通過獨立的方法，根據確定的受控信號（微波脈沖），定量地定義和比較測距系統的觀測結果（海面高度）的過程。目前的高度計海面高度定標分為現場觀測絕對定標與星星交叉相對定標，其中只有絕對定標能夠給出絕對意義的高度計定標參數，反映真實的海面高度。

海洋二號B衛星（HY-2B）是我國第2顆海洋動力環境衛星，其于2018年10月26日發射。該衛星集主、被動微波遙感器于一體，具有高精度測軌、定軌與全天時、全天候、全球探測能力。雷達高度計是HY-2B最重要的一項載荷，其主要功能是用于測量海面高度、有效波高和海面風速，可用于重力場、全球流場等研究。

隨著高度計定標需求日益增加，目前，國際上已經建成4個業務化高度計定標場。我國也由于HY-2系列定標需要，于珠海萬山HY-2B的星下點附近建立了HY-2系列衛星高度計專用的定標場，目前，珠海萬山定標場已經建設完成，主要設備布放于外伶仃島、擔桿島、直灣島和廟灣島及周邊海域。萬山定標場位于HY-2B升軌軌道375與降軌軌道362交叉點附近。萬山定標場目前布放有全球導航衛星系統（GNSS）浮標與永久性驗潮站，除此之外，還建立了業務化運行的GNSS基準站，為驗潮站提供水位基準，并為高度計定標提供濕大氣路徑延遲校正項。在HY-2B成功發射后，國家衛星海洋應用中心立即于2018年11?12月開展了HY-2B的在軌測試試驗，于珠海萬山定標場使用GNSS浮標與沿岸驗潮儀進行了HY-2B雷達高度計定標檢驗試驗。本文主要使用試驗中的沿岸驗潮儀數據，對我國HY-2B雷達高度計進行了初步定標工作。

2 高度計測高與定標

高度計測高測量的是衛星的高度計到星下點海面的距離。其觀測過程可簡述為高度計向星下點海面發射一束短微波脈沖，脈沖與海面相互作用，部分脈沖被粗糙的海面反射回高度計，高度計以發射脈沖與接收脈沖回波的時間差測量星下點足印內的平均海面高度。其計算公式如下式所示：

高度計作為一個精密的主動式微波雷達，其在對海面高度進行觀測的過程中會受到諸如儀器誤差、軌道誤差、測距誤差、地球物理誤差等幾個方面的影響。除地球物理誤差外，其余3項均會直接影響高度計測距，地球物理誤差的影響體現在計算海面動力地形高度時的偏差。因此，式（1）中的距離 R在對高度計進行絕對定標前，需要對上述地球物理誤差以外的誤差項進行校正。如果GNSS基站對坐標進行解算時去除了地球物理誤差，則需要在高度計對海面高度進行計算時予以去除。進行誤差校正后，高度計測得的海面高度如下式所示[1]：

式中，S SHalt為進行誤差校正后的高度計測量的海面高度；halt為衛星高度計距參考橢球面的軌道高度；Rcorr為校正儀器誤差、軌道誤差與測距誤差后高度計到星下點海面的距離；t idecorr為地球物理誤差校正項。經過誤差校正后，高度計到星下點海面的距離如下式所示[1]：

式中，R為與式（1）相同的測距誤差校正前高度計距離測量值，其余各項均為測距誤差校正項，包含干大氣延遲校正 ?Rdy、濕大氣延遲校正 ?Rwet、電離層延遲校正 ?Riono與 海況校正 S SB。

地球物理誤差校正項tidecorr如下式所示：

式中，?Rsolid為地球固體潮；?Rloading為負荷潮；?Rpole為極潮。衛星高度計的絕對定標原理可以做如下解釋：通過現場觀測，在衛星星下點處、衛星過境時刻測量的海面絕對高度值，與衛星高度計星上測量的海面高度進行對比，二者對比的結果即為高度計的偏差或偏移（Bias）[2]，表達形式如下式所示：

目前通用現場外定標，基本的方法大致有下列4種：（1）通過在星下點布放的GNSS浮標直接對海面高度進行測量[4]；（2）通過星下點離岸錨系壓力驗潮儀與GNSS浮標進行同步觀測；（3）利用沿岸的驗潮儀進行水位測量，再通過模型將沿岸水位外推至星下點；（4）通過陸上布放的有源定標器進行衛星高度計測距精度定標。其中，使用沿岸驗潮儀進行的高度計定標方法儀器布放簡單且便于維護，能夠大范圍布放，適合作為定標場長期業務化運行的主要測量手段[5]，也是本文對HY-2B進行絕對定標所使用的方法。

3 基于萬山定標場沿岸驗潮儀的HY-2B雷達高度計定標試驗

高度計的絕對定標參數由現場觀測數據與星上觀測數據兩部分組成。本節將分別對萬山定標場HY-2B定標試驗中這兩部分數據的獲取進行詳細論述，并最終得到HY-2B雷達高度計在軌測試期間通過沿岸驗潮儀計算得到的絕對定標參數。

3.1 通過沿岸驗潮儀獲取 SSHtg

通過上述方法，沿岸驗潮儀現場觀測獲得的星下點海面高度如下式所示[8]：

式中，SSHcomparisionpoint為間接測量的星下點海面高度；hTGBM為GNSS基站相對參考橢球面的高度；?Hlev為GNSS基站與驗潮儀0點的高度差；Htide為星下點處潮高；Htidetg為驗潮儀處潮高；?Hmss為驗潮儀處與星下點處的平均海平面高度之差；Hzero為壓力驗潮儀0點至海面的水位高度，即驗潮儀測量的瞬時水位變化。

本次HY-2B的定標試驗在珠海萬山定標場的直灣島共布放了3個沿岸驗潮儀，3個驗潮儀均布放在定標場的同一經緯度坐標位置，使用與HY-2B相同的T/P參考橢球體。驗潮儀中有2個布放在水下，1個布放在水面上用以進行大氣校正，只有水下驗潮儀記錄了水位信息。驗潮儀布放時間為2018年11月3日至12月12日，在此期間，HY-2B共經過驗潮儀所在位置附近的星下點3次，分別為UTC時間11月12日、11月26日和12月10日的10時08分前后。經過比對，兩個布放在相同位置的水下驗潮儀在校正高程基準后測量結果一致，只使用其中的一個水下驗潮儀進行定標即可。驗潮儀具體參數如表1所示。

表1 萬山定標場驗潮儀位置與試驗時間Table 1 Position and time of tide gauge experiment in Wanshan calibration site

水下驗潮儀所記錄的水位信息為驗潮儀距離瞬時海面的距離，使用驗潮儀觀測的水位需要根據GNSS基站測量的驗潮儀的高程轉換為海面高度，如下式所示：

式中，SSHtg為驗潮儀所測的海面高度，其余各項與式（6）中的各項含義一致。經過高程基準校正后，驗潮儀試驗測得的HY-2B過境當日的海面高度與過境時刻（北京時間）的海面高度如圖1所示。

圖1a至圖1c分別為HY-2B周期001、周期002與周期003過境當日，萬山定標場驗潮儀所測量的海面高度變化。其中，曲線為海面高度變化的300 s滑動平均，用于消除海面的隨機信號，測量頻率為1 Hz，每日共測量86 400個海面高度數據。直線表示HY-2B經過星下點所對應的當地時間。二者的交點即為驗潮儀所測的海面高度SSHtg。

圖1 驗潮儀測量的海面高度與 HY-2B 過境時刻Fig.1 Sea surface height from tide gauge and HY-2B passing moment

3.2 通過 SSHtg計算 SSHcomparisionpoint

沿岸驗潮儀所測量的海面高度并非星下點的海面高度，因此需要將海面高度通過式（6）將驗潮儀處的海面高度外推至星下點。

HY-2B在經過萬山定標場附近時會產生數個星下點足印，通過對比這些不同星下點的定標參數，可以研究高度計定標參數的變化趨勢。在星下點的選擇上，與驗潮儀的距離范圍選取不應過大也不應過小。選取范圍過大時，除了潮汐與大地水準面的差異，還會產生其他誤差，諸如地轉流與中尺度渦的影響，不便于進行潮汐外推工作。在選取范圍過小時，獲得的定標參數有限，無法準確判斷定標參數的變化趨勢。蔣興偉等[9]對萬山定標場附近海面高度進行了長期觀測，結果顯示：在距離萬山定標場擔桿島10 km處的同時刻最大潮差為2 cm，在5 km范圍內同時刻最大潮差小于1 cm。而在20 km范圍內可能會產生最大5 cm的同時刻潮位差。因此，選擇萬山定標場驗潮儀位置附近10 km上下范圍內的HY-2B星下點進行定標可以盡可能地減小同時刻潮差所帶來的影響。

影響驗潮儀與星下點海面高度差異的因素主要為大地水準面、平均海面動力地形與海洋潮汐差異，大地水準面與平均海面動力地形之和為平均海平面。本文主要使用DTU10平均海平面模型對平均海平面高度進行校正，使用 TMD（Tide Mode Driver）潮汐模型對同時刻潮汐偏差進行校正。

3.2.1 DTU10 平均海平面校正

平均海平面（Mean Sea Surface，MSS）是在一個較長時期內剔除了周期性海面高度變化信息后的平均海面。平均海平面的全球分布與大地水準面分布基本一致，高度差為?2～2 m。平均海平面與大地水準面的不同之處在于，平均海平面除大地水準面外還包含了平均海面動力地形。平均海平面高度的表達式為

本文使用的平均海平面模型為丹麥國家空間中心發布的DTU10模型。相比于EGM2008大地水準面模型提供的最高1°分辨率，DTU10能夠提供最高(1/60)°的遠高于EGM2008的空間分辨率，覆蓋范圍為 90°S～90°N，其平均了包括 Jason-1/2、T/P、ERS、Envisat等多種高度計數據[10–11]。

不同于HY-2B使用的T/P參考橢球體，DTU10模型使用WGS84參考橢球體。WGS84與T/P存在約70 cm的高度差。T/P參考橢球體與WGS84參考橢球體的參數如表2所示。

表2 參考橢球體參數Table 2 Reference ellipsoid parameters

在計算平均海平面高度時，需要進行嚴格的橢球轉化，但是本文計算的是星下點與驗潮儀處的平均海平面高度差，橢球差異可以忽略不計，因此不需要進行橢球轉化。星下點與驗潮儀距離與其對應的平均海面高度差如圖2所示。

圖2 平均海平面校正相關參數Fig.2 Parameters for mean sea surface correction

3.2.2 TMD 潮汐模型校正

TMD模型是一個基于最小二乘擬合的全球潮汐模型，同化了眾多高度計產品數據。TMD模型提供的中國近海區域模型同化了531個周期的T/P高度計數據，225個周期的Jason-2數據，249個周期的Envisat淺水海面高度數據，共計156 779個星下點，其中代表性的站點有915個。此外，使用了總計104個驗潮儀，其中包含51個沿岸驗潮儀，44個TSW淺水驗潮儀與9個TC沿岸驗潮儀的長期觀測數據進行誤差校正。其中國近海區域模型為1 801×2 161的網格，分辨率能夠達到（1/30）°，很好地滿足了將沿岸驗潮儀潮汐外推至星下點的需要[12]。

TMD 模型能夠提供 8 個分潮 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1分別的相位、振幅、潮汐調和常數。在使用時可以根據需要選取不同的分潮進行調和分析。本論文在計算驗潮儀與星下點潮差時選擇了全部8個分潮進行潮汐預報。

根據TMD模型進行潮汐預報前首先驗證TMD潮汐模型的準確性。使用TMD模型預報的驗潮儀處海面高度與驗潮儀實際測量結果對比結果如圖3所示。

圖3 TMD潮汐預報模型海面高度與驗潮儀實測海面高度差Fig.3 Sea surface height differences between TMD tide prediction and tide gauge

潮汐模型的預報結果與實測結果存在著最大約0.35 m，均方根誤差為0.18 m的差異。雖然潮汐模擬的潮位與實測潮位存在一定差距，但是二者表征的參數并不完全一致。潮汐模型反映的是潮位變化，驗潮儀測量的是水位變化，水位數據需要采用調和函數提取水位數據中的潮汐部分再進行驗證。

3.3 通過 HY-2B 高度計獲取 SSHalt

本文通過HY-2B的IGDR產品計算驗潮儀附近星下點海面高度。HY-2B的二級IGDR產品除了記錄了星下點的經緯度與時間信息外，還提供了各種誤差校正項，包括實時儀器誤差、測距誤差、地球物理誤差等項。經過式（2）中去除誤差校正項后，3次過境時分別測得的海面高度如圖4所示。

圖4 HY-2B 高度計測量沿軌星下點海面高度Fig.4 Sea surface height of calibration point from HY-2B altimeter

除周期003由于軌道漂移，星下點接近陸地，只獲得1個測量值外，在周期001與周期002皆獲得了1個以上的沿軌星下點海面高度，海面高度的測量值隨著高度計升軌緯度的逐漸增加而逐漸降低。

3.4 定標結果

在經過上述誤差校正后，可以通過式（5）計算得到HY-2B雷達高度計在發射后前3個周期的定標參數偏差，如圖5所示。

圖5 HY-2B 前 3 個周期的定標參數偏差Fig.5 Calibration bias of HY-2B in first 3 cycles

計算得到3個周期的HY-2B雷達高度計定標參數分別為（3.06±3.48）cm、（2.85±1.03）cm、?7.41 cm，由此可見，高度計的定標參數存在沿星下點與軌道變化的差異。后續需要對HY-2B雷達高度計進行持續定標以確定漂移的大小以及原因。

4 結語

本文使用2018年11?12月于萬山定標場布放的沿岸驗潮儀對HY-2B雷達高度計進行了初步的定標工作，定標結果表明，HY-2B在珠海萬山使用沿岸驗潮儀定標可行且定標結果良好，定標參數總體比較穩定，存在少量漂移。

目前萬山定標場的大地水準面已經測量完成，后續定標時將使用測量的大地水準面與平均動力地形代替本文中的DTU10平均海平面。萬山定標場附近的淺水分潮模型沒有建立，使用TMD模型進行潮汐外推時存在較大誤差，無法精確地將沿岸驗潮儀的測量結果外推至星下點。目前萬山定標場已經建成永久性驗潮站，后續將使用驗潮儀數據建立更精確的潮汐模型。本文中驗潮儀的布放時長僅有1個月，包含3個HY-2B重訪周期的數據，測量數據較少。隨著萬山定標場的建設，GNSS浮標與永久性驗潮站的布放與建立，多種現場觀測的海面高度數據能夠相互補充，未來HY-2系列高度計的定標精度能夠不斷提升。