基于多波束激光測(cè)高衛(wèi)星ICESat-2觀測(cè)的垂線偏差解算

劉 新,回桂華,周愛(ài)民,郭金運(yùn),宋孟昊,張 聰,劉亞亭

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院,山東 青島 266590; 2.巨野縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,山東 巨野 274900)

垂線偏差(deflection of the vertical,DOV)是地面任一點(diǎn)的重力方向與該點(diǎn)相應(yīng)的參考橢球面法線方向間的夾角,可表示為卯酉分量和子午分量[1]。垂線偏差廣泛應(yīng)用于計(jì)算天文觀測(cè)數(shù)據(jù)、推算參考橢球參數(shù)和反演重力異常等領(lǐng)域,是地球科學(xué)計(jì)算中不可或缺的重要參數(shù)[2]。20世紀(jì)初,人們通過(guò)驗(yàn)潮站、浮標(biāo)和海洋艦船等傳統(tǒng)方法測(cè)量海洋DOV,但這種耗費(fèi)大量人力和時(shí)間的常規(guī)測(cè)量方法很難獲得廣闊海域的DOV[3-4]。而迅速崛起的衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)可快速觀測(cè)全球海域范圍內(nèi)的海面高度信息,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺陷[5]。目前,衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)已成為各國(guó)科學(xué)家和學(xué)者構(gòu)建海洋垂線偏差模型的重要數(shù)據(jù)源[6]。

測(cè)高衛(wèi)星的軌道傾角通常接近90°,在利用沿軌海面高數(shù)據(jù)計(jì)算垂線偏差時(shí),子午分量精度明顯高于卯酉分量[7]。聯(lián)合多種衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和重力異常數(shù)據(jù),采用最小二乘方法和Vening-Meinesz公式構(gòu)建的西太平洋海域(0°N～40°N,105°E～145°E)網(wǎng)格垂線偏差模型卯酉分量的均方根是子午分量的2～3倍[8]。另外,基于海洋二號(hào)A衛(wèi)星/大地測(cè)量任務(wù)(Haiyang-2A/Geodetic Mission,HY-2A/GM)數(shù)據(jù)計(jì)算的孟加拉灣海域的垂線偏差,其子午分量精度也高于卯酉分量精度[9]。如何改善網(wǎng)格垂線偏差分量精度不平衡問(wèn)題,是當(dāng)前海洋大地測(cè)量研究面臨的主要問(wèn)題之一。衛(wèi)星高度計(jì)解算的垂線偏差精度和分辨率與測(cè)距精度和空間分布有關(guān)。2010年發(fā)射的近極軌衛(wèi)星Cryosat-2在赤道處的軌道間距達(dá)2.5 km,其海面高數(shù)據(jù)的沿軌空間分辨率比傳統(tǒng)高度計(jì)提高了20倍,反演的重力異常精度也是傳統(tǒng)測(cè)高衛(wèi)星的2倍。但Cryosat-2密集的軌道覆蓋無(wú)法進(jìn)行跨軌方向海面高數(shù)據(jù)的差分計(jì)算,因此不能解算出高精度的卯酉分量[10]。值得期待的是,地表水和海洋地形(surface water and ocean topography,SWOT)衛(wèi)星于2022年12月16日成功發(fā)射升空,SWOT全面工作后可同時(shí)獲得高精度和高空間分辨率的二維海面高數(shù)據(jù),有望改善垂線偏差分量精度差異大的問(wèn)題。

冰、云和陸地高程衛(wèi)星二號(hào)(ice,cloud and land elevation satellite-2,ICESat-2)作為一種新型激光測(cè)高衛(wèi)星,能夠更精確高效地觀測(cè)極地冰蓋變化、全球海面上升、全球植被高度等[11]。ICESat-2搭載的高級(jí)地形激光測(cè)高系統(tǒng)(advanced topographic laser altimeter system,ATLAS)攜帶了2個(gè)激光器、1個(gè)主激光器和1個(gè)備用激光器,激光波長(zhǎng)為532 nm,脈沖頻率為10 kHz。每個(gè)脈沖大約有20萬(wàn)億個(gè)光子從ATLAS發(fā)射,但僅有少量光子會(huì)返回衛(wèi)星。由于ICESat-2激光器的功率限制,對(duì)于冰蓋等高反射面,強(qiáng)波束和弱波束均可提供有效的地表高程信息,而面對(duì)海洋等低反射面,弱波束會(huì)損失一半以上的數(shù)據(jù)來(lái)降低激光器的負(fù)荷,以提高探測(cè)效率[12]。ICESat-2的多波束同步觀測(cè)模式不僅提高了海面高數(shù)據(jù)的空間分辨率,也為研究跨軌垂線偏差提供了可能,有望獲得高精度的卯酉分量以彌補(bǔ)傳統(tǒng)雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星的不足。

ICESat-2的ATL12產(chǎn)品提供的全球海面高數(shù)據(jù)可用于反演海洋DOV,本研究利用跨軌方向的海面高數(shù)據(jù)解算垂線偏差,借此提高卯酉分量精度。以中國(guó)南海(0°N～30°N,105°E～125°E)為研究區(qū)域,將同時(shí)間序列的Jason-3海面高數(shù)據(jù)作為參照,通過(guò)計(jì)算交叉點(diǎn)不符值精度驗(yàn)證ICESat-2海面高產(chǎn)品的可靠性。然后,利用沿軌和跨軌海面高數(shù)據(jù),根據(jù)最小二乘配置法分別計(jì)算南海網(wǎng)格垂線偏差,并用XGM2019e_2159-DOV模型進(jìn)行精度驗(yàn)證。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

如圖1所示,南海海域(0°N～30°N,105°E～125°E)屬中國(guó)三大邊緣海之一,位于中國(guó)大陸的南端,海域內(nèi)分布著東沙群島、西沙群島、中沙群島和南沙群島等眾多的島礁。南海海底地形復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,自然資源豐富。除了擁有豐富的石油資源和漁業(yè)資源,南海地處太平洋與印度洋之間的咽喉地帶,是多條國(guó)際海運(yùn)線和航空運(yùn)輸線的必經(jīng)之地,是重要的海上通道。因此,深化對(duì)南海海底地質(zhì)活動(dòng)與環(huán)境變化的認(rèn)識(shí),為南海資源勘探與工程建設(shè)提供基礎(chǔ)地質(zhì)信息支撐,成為我國(guó)海洋學(xué)研究的一項(xiàng)重要任務(wù)。

圖1 南海地理位置圖

1.2 ICESat-2海面高數(shù)據(jù)

ICESat衛(wèi)星攜帶的地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)(geoscience laser altimeter system,GLAS)只有一束激光,每秒僅發(fā)射40個(gè)脈沖。ICESat衛(wèi)星失效后,美國(guó)國(guó)家宇航局(national aeronautics and space administration,NASA)于2018年9月成功發(fā)射新一代星載激光雷達(dá)衛(wèi)星ICESat-2。ICESat-2衛(wèi)星軌道高度592 km,軌道傾角92°,軌道周期為91 d。ICESat-2衛(wèi)星搭載的ATLAS是一種探測(cè)靈敏度為光子級(jí)的激光雷達(dá)系統(tǒng),每秒發(fā)射10 000個(gè)激光脈沖,沿地面軌跡每隔0.7 m發(fā)射1個(gè)激光脈沖,每個(gè)激光脈沖被ATLAS中的衍射光學(xué)元件分裂,產(chǎn)生6束單獨(dú)的波束,分成3對(duì)排列,一強(qiáng)一弱,如圖2所示。波束組之間的跨軌方向距離約3.3 km,組內(nèi)波束距離為90 m,組內(nèi)沿波束方向的距離為2.5 km。每對(duì)波束中的強(qiáng)弱波束具有不同的傳輸能量,強(qiáng)波束和弱波束之間的能量比為4∶1[13]。ATLAS的強(qiáng)波束和弱波束之間的映射及其在地面上的相對(duì)位置取決于sc_orient(spacecraft orientation)值。當(dāng)sc_orient=0時(shí),L波束即左波束為強(qiáng)波束;當(dāng)sc_orient=1時(shí),R波束即右波束為強(qiáng)波束。由于弱波束在海洋區(qū)域沒(méi)有連續(xù)的觀測(cè)值,本研究根據(jù)sc_orient值,一個(gè)周期只篩選3條強(qiáng)波束數(shù)據(jù)用于南海垂線偏差解算,并將篩選的強(qiáng)波束數(shù)據(jù)分為L(zhǎng)波束或者R波束。

圖2 ATLAS的3個(gè)波束組位置示意圖

ICESat-2衛(wèi)星有Level-1、Level-2、Level-3A、Level-3B三級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,其中,Level-3A 級(jí)產(chǎn)品中的ATL12產(chǎn)品提供世界海洋范圍(88°S～88°N)的海面高數(shù)據(jù),ATL12海面高數(shù)據(jù)是ATL03數(shù)據(jù)通過(guò)添加不同的地球物理校正獲得,包括大氣延遲、海況偏差、海洋潮汐、固體地球潮汐、極地潮汐和逆氣壓計(jì)效應(yīng)等。本研究采用的ICESat-2強(qiáng)波束海面高數(shù)據(jù)第五版的時(shí)間序列為2018年10月13日至2022年4月4日(cycle01-cycle15),篩選出的強(qiáng)波束1L～3L和1R～3R在南海區(qū)域的地面軌跡如圖3所示。

圖3 ICESat-2的南海地面軌跡

1.3 Jason-3海面高數(shù)據(jù)

Jason-3衛(wèi)星是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(national oceanic and atmospheric administration,NOAA)、歐洲氣象衛(wèi)星開(kāi)發(fā)組織(European organization for the exploitation of meteorological satellites,EUMETSAT)和法國(guó)國(guó)家航天中心(international charter space and major disasters,CNES)合作發(fā)射的測(cè)高衛(wèi)星[14]。Jason-3的軌道高度為1 336 km,傾角為66°,軌道周期為10 d。在本研究中,對(duì)Jason-3/ERM(expect repetitive orbit mission) 1 Hz海面高數(shù)據(jù)進(jìn)行地球物理校正,包括干對(duì)流層和濕對(duì)流層路徑延遲、電離層校正、海況偏差、海洋潮汐、固體地球潮汐、極地潮汐、高頻風(fēng)效應(yīng)和逆氣壓計(jì)效應(yīng)等。Jason-3海面高數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為2018年10月16日至2022年4月7日(cycle099-cycle226),其在南海區(qū)域的Jason-3觀測(cè)點(diǎn)地面軌跡如圖4所示。

1.4 海面地形模型和垂線偏差驗(yàn)證模型

海面地形模型MDT_CNES-CLS18由AVISO發(fā)布,該模型數(shù)據(jù)來(lái)源為重力與海洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)(gravity and ocean circulation experiment,GOCE)重力數(shù)據(jù)、重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒?yàn)(gravity recovery and climate experiment,GRACE)重力數(shù)據(jù)、表層速度計(jì)劃數(shù)據(jù)(surface velocity program,SVP)、地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)矩陣數(shù)據(jù)(array for real-time geostrophic oceanography,Argo)、水文剖面數(shù)據(jù)(COriolis dataset for re-analysis,CORA)和衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù),其網(wǎng)格分辨率為7.5′。

大地水準(zhǔn)面模型XGM2019e_2159-geoid和垂線偏差模型XGM2019e_2159-DOV是根據(jù)XGM2019e_2159獲得的。其中,XGM2019e_2159是一個(gè)組合全球重力場(chǎng)模型,該模型球諧系數(shù)的階次為2 159,解算球諧系數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)源為組合衛(wèi)星模型GOCO06s、地面重力異常數(shù)據(jù)集以及由海洋測(cè)高和大陸地形得出的重力異常數(shù)據(jù)集。

2 方法

2.1 沿軌垂線偏差

在計(jì)算垂線偏差前,首先將ICESat-2海面高數(shù)據(jù)減去海面地形(MDT_CNES_CLS18模型),并進(jìn)行粗差剔除。為進(jìn)一步減弱海面高的高頻誤差,需對(duì)ICESat-2海面高數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波,以降低海面變化和數(shù)據(jù)噪聲的影響,對(duì)應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)為:

(1)

其中:d為相鄰兩點(diǎn)的球面距離,σ為濾波窗口半徑即濾波參數(shù)。ICESat-2海面高數(shù)據(jù)相鄰兩觀測(cè)點(diǎn)間的球面平均距離為3～4 km。

利用兩個(gè)相鄰觀測(cè)點(diǎn)的海面高度差及其球面距離計(jì)算沿軌垂線偏差:

(2)

其中:p和q為相鄰兩觀測(cè)點(diǎn),NP為p點(diǎn)大地水準(zhǔn)面高,Nq為q點(diǎn)大地水準(zhǔn)面高,α為p和q兩點(diǎn)間的方位角,S為沿α方向p、q兩點(diǎn)的球面距離,ε(α)為沿α方向p、q兩點(diǎn)中點(diǎn)的DOV。

2.2 網(wǎng)格垂線偏差

沿方向α的垂線偏差ε與其子午分量ξ和卯酉分量η之間的關(guān)系式為:

ε=ξcosα+ηsinα。

(3)

其中,α的計(jì)算公式為:

(4)

通過(guò)最小二乘配置法計(jì)算規(guī)則網(wǎng)格DOV 的子午分量ξ和卯酉分量η,其計(jì)算公式為:

(5)

其中:Cξε為子午分量ξ和沿軌垂線偏差ε的協(xié)方差矩陣;Cηε為卯酉分量η和沿軌垂線偏差ε的協(xié)方差矩陣;Cεε為沿軌垂線偏差的方差矩陣;Cn為沿軌垂線偏差的噪聲方差矩陣。

垂線偏差分量(ξ,η)的方差函數(shù)并非各向同性的,但DOV的縱向分量l和橫向分量m的方差函數(shù)卻為各向同性,可以通過(guò)縱向分量l和橫向分量m的方差函數(shù)計(jì)算矩陣Cξε、Cηε、Cεε。在點(diǎn)p處的網(wǎng)格DOV的子午分量和卯酉分量(ξp,ηp)由DOV的縱向和橫向分量(lp,mp)計(jì)算得到:

ξp=lpcosαpq-mpsinαpq,

(6)

ηp=lpsinαpq+mpcosαpq。

(7)

由(lp,mp)和(lq,mq)計(jì)算點(diǎn)p和q的沿軌垂線偏差εp、εq分別為:

εp=lpcos(αεp-αqp)+mpsin(αεp-αqp),

(8)

εq=lqcos(αεq-αqp)+mqsin(αεq-αqp)。

(9)

其中:αεp和αεq分別表示沿軌DOV在點(diǎn)p和q的方位角;αqp表示從q到p的方位角。

因此,網(wǎng)格DOV的方向分量與沿軌DOV之間的協(xié)方差矩陣(Cξε,Cηε),以及沿軌DOV的方差矩陣Cεε的計(jì)算公式分別為:

Cξε=Cllcosαpqcos(αεq-αqp)-Cmmsinαpqsin(αεq-αqp),

(10)

Cηε=Cllcosαpqcos(αεq-αqp)+Cmmsinαpqsin(αεq-αqp),

(11)

Cεε=Cllcos(αεp-αqp)cos(αεq-αqp)+Cmmsin(αεp-αqp)sin(αεq-αqp)。

(12)

其中,縱向分量方差矩陣Cll和橫向分量方差矩陣Cmm的計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

2.3 跨軌垂線偏差

ICESat-2激光脈沖受觀測(cè)條件的限制,3條強(qiáng)波束的海面高可能存在少量觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失。為了獲取跨軌方向時(shí)間最接近的海面高數(shù)據(jù),篩選2條計(jì)算波束上觀測(cè)時(shí)間差在1 s以內(nèi)的海面高數(shù)據(jù)用于計(jì)算跨軌DOV。圖5展示了計(jì)算跨軌垂線偏差的示意圖,一個(gè)周期內(nèi)可以根據(jù)sc_orient值篩選出3條強(qiáng)波束,圖5按照從左到右的順序位次標(biāo)識(shí)為:1S、2S、3S,將3條強(qiáng)光束兩兩配對(duì)形成1S_2S、2S_3S、1S_3S三對(duì)跨軌組合來(lái)計(jì)算跨軌DOV。在后續(xù)計(jì)算中再將S區(qū)分成L或R,形成6組跨軌組合。

圖5 計(jì)算跨軌垂線偏差示意圖

將篩選后的海面高數(shù)據(jù)與XGM2019e_2159-geoid模型進(jìn)行驗(yàn)證,其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,為了與海面高數(shù)據(jù)量較少的中間強(qiáng)波束進(jìn)行配對(duì),兩側(cè)的強(qiáng)波束剔除數(shù)據(jù)的比率較高。根據(jù)沿軌海面高數(shù)據(jù)解算網(wǎng)格DOV的方法,將2.2節(jié)中的沿軌DOV替換成跨軌DOV,即可解算出跨軌海面高確定的南海網(wǎng)格DOV。

表1 ICESat-2海面高數(shù)據(jù)與XGM2019e_2159-geoid模型差值統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)果與討論

3.1 海面高數(shù)據(jù)精度

本研究通過(guò)對(duì)比ICESat-2和Jason-3的交叉點(diǎn)不符值精度,來(lái)說(shuō)明ICESat-2海面高數(shù)據(jù)的可靠性。選擇91 d的軌道周期作為時(shí)間閾值,采用文獻(xiàn)[16]改進(jìn)的緯度做差法求交叉點(diǎn)的位置。ICESat-2和Jason-3交叉點(diǎn)海面高不符值統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)表2。從表2可以看出,ICESat-2 海面高的6條波束交叉點(diǎn)不符值的標(biāo)準(zhǔn)偏差相近,Jason-3自交叉點(diǎn)不符值的精度高于ICESat-2的。

表2 ICESat-2和Jason-3的 91 d內(nèi)交叉點(diǎn)海面高不符值統(tǒng)計(jì)

3.2 沿軌垂線偏差

由于反演的垂線偏差數(shù)據(jù)平滑度會(huì)隨著高斯濾波參數(shù)的增大而增大,為了合理降低數(shù)據(jù)噪聲的影響并保證海面高數(shù)據(jù)的質(zhì)量,應(yīng)選擇合適的濾波窗口。ICESat-2相鄰兩點(diǎn)間的球面平均距離為3～4 km,因此濾波參數(shù)σ選擇4 km的倍數(shù)。本研究計(jì)算不同濾波參數(shù)下的網(wǎng)格垂線偏差和XGM2019e_2159-DOV模型差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。如表3所示,當(dāng)σ為12 km時(shí),過(guò)度濾波導(dǎo)致精度反而較差。因此選擇濾波參數(shù)為8 km。

表3 不同高斯濾波參數(shù)下反演的網(wǎng)格DOV與XGM2019e_2159-DOV模型差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差

沿軌海面高數(shù)據(jù)進(jìn)行一次差分計(jì)算可有效抑制軌道誤差等長(zhǎng)波誤差項(xiàng)的影響,基于式(2)解算出沿軌垂線偏差。使用XGM2019e_2159-DOV模型進(jìn)行精度驗(yàn)證,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,中間強(qiáng)波束2L、2R的DOV精度優(yōu)于兩側(cè)強(qiáng)波束,但從計(jì)算的DOV數(shù)量來(lái)看,中間強(qiáng)波束2L、2R的海面高觀測(cè)點(diǎn)不如兩側(cè)強(qiáng)波束密集。

表4 ICESat-2沿軌DOV與XGM2019e_2159-DOV模型差值統(tǒng)計(jì)表

ICESat-2沿軌DOV利用最小二乘配置法反演的南海網(wǎng)格DOV模型如圖6所示,采用XGM2019e_2159-DOV模型進(jìn)行精度驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,由于ICESat-2的軌道傾角為92°,子午分量精度明顯高于卯酉分量。中間組強(qiáng)波束2L和2R的網(wǎng)格DOV精度相對(duì)其他強(qiáng)波束的精度要低。ICESat-2衛(wèi)星整體以及6條強(qiáng)波束的卯酉分量標(biāo)準(zhǔn)偏差約為子午分量的2倍。

表5 沿軌DOV計(jì)算的網(wǎng)格DOV與XGM2019e_2159_DOV模型差值統(tǒng)計(jì)表

3.3 跨軌垂線偏差

計(jì)算跨軌DOV需要選取2條波束時(shí)間最接近的2個(gè)觀測(cè)點(diǎn),將選取的2個(gè)相鄰觀測(cè)點(diǎn)的海面高和方位角代入式(2),計(jì)算跨軌DOV。采用XGM2019e_2159-DOV模型驗(yàn)證跨軌DOV的計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表6。由表6可知,1L～3L和1R～3R的垂線偏差精度比其他跨軌組合要高。原因是:①跨軌DOV精度與計(jì)算波束間的距離有關(guān),1L～2L、2L～3L、1R～2R與2R～3R的波束間距離為3.5 km,跨軌方向觀測(cè)點(diǎn)的球面距離控制在3.5～7.0 km;而1L～3L和1R～3R的波束間距離為6.5 km,跨軌方向觀測(cè)點(diǎn)的球面距離控制在6.5～9.0 km;②單脈沖被切割過(guò)程中切割位置不均造成中間強(qiáng)波束數(shù)據(jù)所在位置與其他兩波束相比產(chǎn)生微小偏移,中間強(qiáng)波束與左強(qiáng)波束以及右強(qiáng)波束相鄰數(shù)據(jù)間匹配程度較差。跨軌垂線偏差與沿軌垂線偏差解算精度近似一致,說(shuō)明ICESat-2在跨軌方向計(jì)算的垂線偏差數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

表6 ICESat-2跨軌DOV與XGM2019e_2159-DOV模型差值統(tǒng)計(jì)表

基于跨軌DOV計(jì)算的1′×1′規(guī)則網(wǎng)格DOV,如圖7所示。采用XGM2019e_2159-DOV模型進(jìn)行精度驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知,跨軌DOV計(jì)算的網(wǎng)格DOV的卯酉分量精度高于子午分量,含有中間強(qiáng)波束的波束組精度較差。與文獻(xiàn)[17]計(jì)算的跨軌DOV相比,采用本研究數(shù)據(jù)篩選方法解算的子午分量和卯酉分量精度明顯提高。由此可見(jiàn),相鄰海面高數(shù)據(jù)的方位角大小以及空間分布對(duì)網(wǎng)格DOV兩分量的精度具有顯著影響。另外,由表6和表7可知,網(wǎng)格DOV和海面高數(shù)據(jù)的精度還與數(shù)據(jù)密度有關(guān),中間強(qiáng)波束的觀測(cè)點(diǎn)密度低且精度較差,造成包含中間強(qiáng)波束的跨軌組合解算的網(wǎng)格DOV精度也相對(duì)較低。因此,ICESat-2跨軌垂線偏差的計(jì)算可以提高卯酉分量的精度,但與沿軌DOV相比,其子午分量的精度降低。

表7 跨軌DOV計(jì)算的網(wǎng)格DOV與XGM2019e_2159-DOV模型差值統(tǒng)計(jì)表

圖7 跨軌DOV計(jì)算的南海網(wǎng)格垂線偏差

4 結(jié)論與展望

本研究計(jì)算了沿軌DOV,結(jié)合ICESat-2跨軌方向的海面高數(shù)據(jù),通過(guò)最小二乘配置法計(jì)算南海網(wǎng)格垂線偏差,并用XGM2019e_2159-DOV模型進(jìn)行精度驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

1) ICESat-2海面高數(shù)據(jù)產(chǎn)品ATL12與Jason-3海面高數(shù)據(jù)精度均為厘米級(jí),說(shuō)明激光測(cè)高衛(wèi)星ICESat-2的海面高數(shù)據(jù)可靠。

2) 沿軌方向中間強(qiáng)波束垂線偏差精度低于其他2個(gè)強(qiáng)波束。沿軌DOV計(jì)算的南海網(wǎng)格DOV的卯酉分量標(biāo)準(zhǔn)偏差約為子午分量的2倍。跨軌方向的6組強(qiáng)波束DOV精度相近,跨軌DOV計(jì)算的卯酉分量精度也高于子午分量。說(shuō)明ICESat-2衛(wèi)星的多波束同步觀測(cè)模式不僅可以解算沿軌垂線偏差,還可以根據(jù)波束之間同步觀測(cè)值計(jì)算精度可靠的跨軌垂線偏差。因此,與傳統(tǒng)一維測(cè)量相比,ICESat-2作為新型激光測(cè)高衛(wèi)星的多波束觀測(cè)有效提高了采樣間隔,使垂線偏差的計(jì)算不再局限于單一的沿軌道方向。

ICESat-2衛(wèi)星利用多波束同步觀測(cè)模式可計(jì)算跨軌垂線偏差,改善了子午分量和卯酉分量精度差異大的問(wèn)題,但如何融合激光測(cè)高衛(wèi)星ICESat-2和雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星的海面高數(shù)據(jù)提高垂線偏差精度,仍為有待攻克的難題。此外,二維海面高數(shù)據(jù)的垂線偏差解算技術(shù)剛起步,SWOT任務(wù)即將提供網(wǎng)格海面高數(shù)據(jù),采用SWOT數(shù)據(jù)確定高精度和高分辨率的垂線偏差也是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。隨著衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的不斷發(fā)展,聯(lián)合多源衛(wèi)星的海面高數(shù)據(jù)有望反演出高精度和高空間分辨率的網(wǎng)格垂線偏差模型。