李洋張潤寧萬曉云侯小瑾李芳

（1航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）（2錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

衛(wèi)星海洋測高技術(shù)體制發(fā)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(wèi)星有限公司，北京 100094）（2錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

分析了傳統(tǒng)衛(wèi)星海洋測高技術(shù)在時(shí)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(chǔ)上分析研究了寬刈幅測高、多星編隊(duì)測高、合成孔徑測高及Ka頻段測高技術(shù)體制在克服傳統(tǒng)測高局限性的潛在能力；最后提出了未來衛(wèi)星海洋測高的兩種發(fā)展方向，即兼顧融合多領(lǐng)域應(yīng)用的綜合型測高技術(shù)體制和專題應(yīng)用型測高技術(shù)體制。

衛(wèi)星海洋測高；技術(shù)體制；雷達(dá)高度計(jì)

1 引言

衛(wèi)星海洋測高技術(shù)利用精密定軌系統(tǒng)和星載雷達(dá)高度計(jì)，分別測量衛(wèi)星到參考橢球面的距離以及衛(wèi)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(shù)據(jù)具有空間分布均勻、近全球海域覆蓋、測量基準(zhǔn)統(tǒng)一等特點(diǎn)，在地球科學(xué)研究的諸多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，因此衛(wèi)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(shí)驗(yàn)室”（Skylab）上進(jìn)行了衛(wèi)星海洋測高的原理性試驗(yàn)并獲得成功，此后國際上陸續(xù)發(fā)射了10余顆海洋測高衛(wèi)星，其中1978年發(fā)射的“海洋衛(wèi)星”（SEASAT）具有里程碑的意義，其雷達(dá)高度計(jì)采用“全去斜坡”的脈沖壓縮技術(shù)，測距精度從米級提高到厘米級［1］。20世紀(jì)90年代初期，隨著“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GNSS）和“多普勒軌道確定和無線電定位組合系統(tǒng)”（DORIS）在海洋測高衛(wèi)星上的應(yīng)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?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。高精度的海面高測量信息曾為大地測量學(xué)、海洋學(xué)等學(xué)科的發(fā)展帶來了革命性的變化［3-4］，然而，傳統(tǒng)衛(wèi)星海洋測高因其固有的技術(shù)體制局限性，在滿足諸多應(yīng)用領(lǐng)域需求方面存在的不足越來越明顯。為此，多種測高新技術(shù)和新體制被相繼提出，如寬刈幅測高、多星編隊(duì)測高、合成孔徑測高及Ka頻段測高技術(shù)等［5-6］。20世紀(jì)80年代，我國開始了衛(wèi)星海洋測高技術(shù)的研究，并于2011年8月發(fā)射了第1顆海洋測高衛(wèi)星海洋-2A（HY-2A）衛(wèi)星，目前仍在繼續(xù)開展相關(guān)研究［7］。

本文探討了傳統(tǒng)衛(wèi)星海洋測高的局限性，并分析比較了新技術(shù)體制的特點(diǎn)，可為我國未來此類衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃的制定和頂層任務(wù)分析提供參考。

2 傳統(tǒng)衛(wèi)星海洋測高的局限性

2.1 時(shí)空分辨率低

圖1為組成海面高各種地球物理現(xiàn)象的時(shí)空分布。從圖1中可以看出，海洋現(xiàn)象的時(shí)間尺度從幾小時(shí)到上萬年，空間尺度從幾百千米到上萬千米。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，時(shí)空采樣間隔要小于觀測對象時(shí)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(tǒng)海洋測高衛(wèi)星達(dá)到的最高時(shí)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(yīng)賈森-1（Jason-1）衛(wèi)星重復(fù)周期為9.9 d和406 d的軌道模式。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在圖1中用虛線標(biāo)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(shí)空尺度分界線，即虛線上方和右方觀測對象的時(shí)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(shí)際工程中，由于測量噪聲的影響，能夠獲取的時(shí)空頻譜信息范圍將變小。處于虛線左方和下方的海洋現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)海洋測高衛(wèi)星獲取其頻譜信息受到限制。其中，一些海洋現(xiàn)象通常出現(xiàn)在海岸線附近，其頻譜信息與人類活動(dòng)密切相關(guān)，如渦旋和鋒面、上升流及中小尺度海洋現(xiàn)象等。因此，提高衛(wèi)星時(shí)空分辨率以獲取其時(shí)空頻譜信息是十分必要的。

沿軌跡空間分辨率由雷達(dá)高度計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)決定。由于雷達(dá)高度計(jì)的脈沖回波受到噪聲的干擾，通常將1 s內(nèi)發(fā)射的約2000個(gè)脈沖回波進(jìn)行疊加以抑制噪聲，從而達(dá)到厘米級的測距精度。1 s對應(yīng)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(xiàn)象主要為渦旋、鋒面和上升流，多出現(xiàn)在近海區(qū)域，與人類活動(dòng)關(guān)系更密切。為滿足近海區(qū)域此類海洋現(xiàn)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(shí)，要在幾十毫秒內(nèi)疊加約2000個(gè)脈沖回波，相當(dāng)于1 s內(nèi)發(fā)射的脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到數(shù)萬個(gè)（即脈沖重復(fù)頻率達(dá)到數(shù)萬赫茲）。然而，此方法只適用于脈沖回波之間是彼此獨(dú)立的情況，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率增加到一定值之后，再繼續(xù)增加不會(huì)帶來雷達(dá)高度計(jì)性能的提升，稱此時(shí)的脈沖重復(fù)頻率為有效脈沖重復(fù)頻率。文獻(xiàn)［8］中計(jì)算了Ku頻段的有效脈沖重復(fù)頻率在2000 Hz左右，而目前傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)的脈沖重復(fù)頻率均在2000 Hz左右，已達(dá)到有效脈沖重復(fù)頻率，因此，通過增加脈沖重復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)沿軌跡空間分辨率的提高已不適用，須采取新的技術(shù)途徑從根本上解決沿軌跡空間分辨率低的問題。

圖1 衛(wèi)星與海洋現(xiàn)象的時(shí)空特征Fig.1 Space and time scales of satellite and ocean phenomena

2.2 時(shí)空分辨率矛盾突出

時(shí)空分辨率的相互矛盾是對地觀測衛(wèi)星普遍存在的問題，由于雷達(dá)高度計(jì)具有沿星下點(diǎn)軌跡一維觀測的特點(diǎn)，與具有一定刈幅的光學(xué)以及合成孔徑雷達(dá)等成像衛(wèi)星相比，時(shí)空分辨率的矛盾更加突出。例如，Jason-1衛(wèi)星的2種軌道模式中，重復(fù)周期為9.9 d的模式對應(yīng)的相鄰軌跡空間分辨率為157 km，重復(fù)周期為406 d的大地測量模式對應(yīng)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(xiàn)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(shí)間尺度為幾小時(shí)到幾個(gè)月。然而，由于雷達(dá)高度計(jì)沿軌跡一維測量的特點(diǎn)，并且相鄰軌跡的測量時(shí)空間隔較大，無法用其進(jìn)行二維矢量譜的計(jì)算。例如：Jason-1衛(wèi)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(shù)據(jù)可用于二維矢量譜的測量，但是其測量時(shí)間卻相差406 d，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中尺度海洋現(xiàn)象的時(shí)間尺度，而衛(wèi)星的時(shí)空分辨率存在矛盾，因此，相鄰軌跡數(shù)據(jù)無法用于獲取二維矢量信息。

2.4 近海區(qū)域測距精度明顯降低

近海區(qū)域，雷達(dá)高度計(jì)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(dǎo)致近海幾十千米范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。例如：目前，傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)的最高測距精度是由Jason-2衛(wèi)星的雷達(dá)高度計(jì)獲得的，在2 m、5 m、10 m、15 m有效波高時(shí)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(shù)據(jù)處理方法來改善精度。文獻(xiàn)［10］中對地中海周邊海域的“環(huán)境衛(wèi)星”（Envisat）數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測距精度提高了20%～50%，文獻(xiàn)［11］中聯(lián)合“托佩克斯-海神”衛(wèi)星（TOPEX/Poseidon）和Jason-1的數(shù)據(jù)反演了我國南海北部的潮汐，精度提高了20%左右。文獻(xiàn)［12］中利用歐洲遙感衛(wèi)星-1（ERS-1）和“測地衛(wèi)星”（GEOSAT）高相鄰軌跡空間分辨率的大地測量數(shù)據(jù)，對太平洋東部沿岸地區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，精度提高了27%～40%。雖然數(shù)據(jù)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(yīng)從測量系統(tǒng)入手，從根本上解決近海區(qū)域測量精度低的問題。

3 衛(wèi)星海洋測高的新技術(shù)體制

傳統(tǒng)衛(wèi)星海洋測高技術(shù)體制的局限性，促進(jìn)了新技術(shù)體制的不斷涌現(xiàn)。針對時(shí)空分辨率低和矛盾突出的問題，提出了將干涉成像與傳統(tǒng)測高相結(jié)合的寬刈幅測高技術(shù)體制及多星編隊(duì)測高技術(shù)體制，可以同時(shí)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(shù)融入雷達(dá)高度計(jì)的思想，提出了合成孔徑測高技術(shù)體制；針對近海區(qū)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(shù)體制。其中，合成孔徑測高技術(shù)和Ka頻段測高技術(shù)已有星載工程應(yīng)用實(shí)例。

3.1 寬刈幅測高技術(shù)體制

將傳統(tǒng)衛(wèi)星測高技術(shù)與干涉合成孔徑雷達(dá)測高技術(shù)結(jié)合的寬刈幅測高技術(shù)體制，克服傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)星下點(diǎn)觀測的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從一維線測量到二維面測量的轉(zhuǎn)變，以便獲取海面的二維矢量信息，擴(kuò)展觀測維度，同時(shí)提高時(shí)空分辨率。圖2中，新型雷達(dá)高度計(jì)由一個(gè)傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)和10 m基線的合成孔徑雷達(dá)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(lián)合研制的“陸地水文及海面地形探測任務(wù)”（Surface Water and Ocean Topography Mission，SWOT）衛(wèi)星，將采用上述測高技術(shù)體制，計(jì)劃在2019年發(fā)射。其中，傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)采用Ku和C頻段雙頻體制，用于進(jìn)行星下點(diǎn)處的高精度距離測量，以及電離層延遲效應(yīng)的測量。合成孔徑雷達(dá)干涉儀采用Ka頻段，基線長10 m，用于沿軌跡兩側(cè)各60 km幅寬的高程測量，分辨率可達(dá)到百米量級。SWOT衛(wèi)星的軌道高度為1060 km，傾角為78°，重復(fù)周期為22 d。在1個(gè)重復(fù)周期內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用領(lǐng)域帶來開拓性的變化［13-14］。

3.2 多星編隊(duì)測高技術(shù)體制

文獻(xiàn)［15］中提出了一種多星測高編隊(duì)體制，可實(shí)現(xiàn)多維度的差分測量。如圖3所示，3顆共面測高小衛(wèi)星編隊(duì)飛行，由于地球的自轉(zhuǎn)，星下點(diǎn)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(wù)中就可獲得海平面的二維梯度信息。由于數(shù)據(jù)點(diǎn)的測量時(shí)間相差幾秒，距離相差幾千米，在計(jì)算相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)海面高梯度時(shí)，大尺度時(shí)空特性的誤差項(xiàng)被明顯削弱（如衛(wèi)星軌道、大氣傳輸?shù)日`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(wèi)星組成的海洋測高編隊(duì)體制Fig.3 Three co-planar satellite formation for altimetry

3.3 合成孔徑測高技術(shù)體制

將合成孔徑技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)上，利用衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，經(jīng)多普勒銳化將天線波束變成多個(gè)子波束，發(fā)射脈沖中的每個(gè)子波束在傳統(tǒng)圓形天線足跡內(nèi)形成條帶狀的波束足跡，即采用合成孔徑技術(shù)提高沿軌跡空間分辨率（如圖4所示，只標(biāo)出單個(gè)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(gè)脈沖簇內(nèi)的脈沖進(jìn)行孔徑合成，其合成孔徑長度較短，因此合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)的沿軌跡空間分辨率計(jì)算不同于普通合成孔徑雷達(dá)等聚焦雷達(dá)。其沿軌跡空間分辨率的計(jì)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(shí)間，vS為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速率，脈沖簇周期τB通常為0.9TR。例如，當(dāng)軌道高度為800 km時(shí)，vS為7452 m/s，對于波長2.2 cm的Ku頻段合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)，沿軌跡空間分辨率為246 m。

在衛(wèi)星飛行過程中，條帶區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)被子波束依次掃視，將不同位置接收的回波信號進(jìn)行延遲距離校正后疊加，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的多次測量，提高了信噪比。比起傳統(tǒng)回波波形，合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)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(dá)高度計(jì)首次于2010年成功搭載在冷衛(wèi)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(shù)體制

Ka頻段測高技術(shù)體制是將傳統(tǒng)雷達(dá)測高的載波頻率從Ku頻段提高到Ka頻段，具有以下幾點(diǎn)不同特性［18］。

（1）近海區(qū)域仍能保持良好測距精度，主要來自以下3個(gè)方面原因：①在Ka頻段下，海洋回波的去相關(guān)時(shí)間更短，從而可以設(shè)計(jì)更高的脈沖重復(fù)頻率；②電磁波的穿透效應(yīng)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(yīng)小。2013年3月，印度和法國聯(lián)合研制的“數(shù)據(jù)采集與Ka頻段高度計(jì)衛(wèi)星”（SARAL）發(fā)射升空，搭載了毫米波雷達(dá)高度計(jì)，有效波高為2 m和10 m（近海區(qū)域）時(shí)，對應(yīng)的測距精度分別為0.8 cm和1.4 cm［9］，與第2.4小節(jié)中提到的傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)相比，性能明顯提升。

（2）無需電離層校正。電離層延遲效應(yīng)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(dāng)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(jìn)行電離層延遲校正。

（3）Ka頻段對降雨敏感，可用來估計(jì)海洋上雨量較小的降雨，有助于完善海洋降雨及氣候?qū)W方面的知識(shí)。不過，較大的降雨會(huì)導(dǎo)致Ka頻段測量失效。

（4）對誤指向角更敏感，因此，對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

4 新技術(shù)體制的發(fā)展趨勢

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

（1）綜合型測高技術(shù)體制。這類體制可以不同程度地兼顧和融合多領(lǐng)域的應(yīng)用，如兼顧海洋動(dòng)力信息和海洋重力場信息的測量，還能一定程度地實(shí)現(xiàn)陸地高程測量；但要在多種應(yīng)用指標(biāo)間進(jìn)行綜合權(quán)衡，難以保證所有應(yīng)用指標(biāo)均是最優(yōu)的，同時(shí)單顆衛(wèi)星的工程實(shí)施難度、復(fù)雜度及風(fēng)險(xiǎn)都相對較大。例如：SWOT衛(wèi)星22 d軌道重復(fù)周期的確定，是兼顧海洋多種信息測量后權(quán)衡優(yōu)化的結(jié)果，與專注于海洋動(dòng)力信息測量的T/P系列衛(wèi)星10 d的重復(fù)周期相比，SWOT衛(wèi)星的時(shí)間分辨率（重復(fù)周期）不是最佳的。

（2）專題應(yīng)用的測高技術(shù)體制。針對海洋、測繪、水文、冰川等領(lǐng)域中的專題應(yīng)用，提高專項(xiàng)性能指標(biāo)以滿足應(yīng)用需求，衛(wèi)星有效載荷、軌道、平臺(tái)的設(shè)計(jì)均圍繞專項(xiàng)性能指標(biāo)的保證開展。這類體制非常適合采用小衛(wèi)星平臺(tái)，其靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)對不同專題應(yīng)用需求具有良好的適應(yīng)性，結(jié)合衛(wèi)星組網(wǎng)和編隊(duì)技術(shù)，能夠具備時(shí)空分辨率靈活調(diào)整的能力，工程實(shí)施難度、復(fù)雜度及風(fēng)險(xiǎn)都相對較小。例如，SARAL衛(wèi)星在試驗(yàn)新型載荷Ka頻段雷達(dá)高度計(jì)的基礎(chǔ)上，旨在解決近海區(qū)域測距精度低的問題；采用印度微小衛(wèi)星-2（IMS-2）平臺(tái)，質(zhì)量為350 kg。

我國已經(jīng)成功發(fā)射海洋二號衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了海洋測高技術(shù)體制的可行性和應(yīng)用效能，為我國未來衛(wèi)星海洋測高的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，在發(fā)展我國后續(xù)衛(wèi)星海洋測高時(shí)，一方面，要進(jìn)一步提高專項(xiàng)性能指標(biāo)，以滿足專業(yè)部門專題應(yīng)用時(shí)的高精度要求；另一方面，充分考慮綜合應(yīng)用部門的需求，融合不同的技術(shù)體制，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用領(lǐng)域的一定程度的兼容。在制定具體發(fā)展規(guī)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照解決急需、先易后難、分步實(shí)施的原則，設(shè)計(jì)出未來技術(shù)發(fā)展路線圖。

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（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(xué)基金（41404019）

李洋，女，博士研究生，研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)。Email：liyangcau@sina.com。