65周年 | 孫中苗：海洋衛星測高及其反演全球海洋重力場和海底地形模型研究進展

本文内容來源于《測繪學報》2022年第6期（審圖号GS京（2022）0149号）

海洋衛星測高及其反演全球海洋重力場和海底地形模型研究進展

孫中苗1,2

,管斌1,2,翟振和1,2,歐陽明達1,2

1. 地理資訊工程國家重點實驗室, 陝西 西安 710054;2. 西安測繪研究所, 陝西 西安 710054

基金項目：國家自然科學基金(41674082)

摘要：海洋衛星測高在全球和區域大地水準面模組化、全球海洋重力場反演、海底地形探測、海平面變化監測、構造闆塊運動研究等大地測量領域至關重要。本文概述了海洋微波測高衛星的簡要發展曆程，重點梳理了衛星測高在全球海洋重力場和全球海底地形模組化方面取得的豐碩成果，對比分析了主流的海洋重力場和海底地形模型；介紹了合成孔徑雷達高度計、Ka頻段雷達高度計、合成孔徑雷達幹涉儀3種先進微波測高技術，并分析了其各自的優缺點，表明它們将在未來若幹年呈并驅發展趨勢；較為系統地闡述了海洋衛星測高的另一新型技術，即GNSS反射信号測量技術的研究動态，給出了GNSS-R(GNSS reflectometry)類(試驗)衛星的發展脈絡和發展前景。衛星測高的發展趨勢之一是多顆測高衛星的組網觀測，本文概括了曾經提出的和拟議中的若幹組網測高計劃，扼要介紹了由大陸提出并正在實施的雙星跟飛測高模式；最後指出了衛星測高發展的幾個主要關注點，包括雙星跟飛測高和SWOT(surface water ocean topography)任務的2維海面高(差)測量、衛星測高反演海底地形與進階地形雷射高度計觀測資料及遙感衛星圖像的結合、星載GNSS-R厘米級海面高的載波相位測量、人工智能技術在衛星測高中的潛在應用等。

關鍵詞：衛星測高 海洋重力場 海底地形 微波雷達高度計 GNSS反射測量 雙星跟飛測量模式

引文格式：孫中苗, 管斌, 翟振和, 等. 海洋衛星測高及其反演全球海洋重力場和海底地形模型研究進展[J]. 測繪學報，2022，51(6)：923-934. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20220069

SUN Zhongmiao, GUAN Bin, ZHAI Zhenhe, et al. Research progress of ocean satellite altimetry and its recovery of global marine gravity field and seafloor topography model[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(6): 923-934. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20220069

閱讀全文：http://xb.sinomaps.com/article/2022/1001-1595/20220613.htm

引 言

衛星測高技術于1969年在威廉斯敦固體地球和海洋實體會議上被提出，經太空實驗室Skylab、地球動力學實驗海洋衛星Geos-3及海洋衛星Seasat試驗驗證，自20世紀90年代初在大地測量學、海洋學、冰川學、氣候研究、大氣、風、波浪、生物學及導航等領域得到廣泛應用[1]。衛星測高界大緻每5年舉辦一次國際會議，以研讨雷達測高技術取得的進展。2018年，第25屆雷達測高進展研讨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，以更清晰地描述測高現狀，并對未來測高提出建議。文獻[2]對此作了全面總結，并針對衛星測高高時空分辨率、高精度、高連續性要求所面臨的挑戰凝練出需要開展的優先事項，包括大中尺度海洋變化的連續觀測、極地海洋和海冰的連續監測、新任務概念的研發和在軌示範、新處理技術研究和開發等。

在大地測量學中，衛星測高主要用于研究地球形狀和大小、海平面、海洋重力場、構造闆塊運動、測深、自然災害等。據谷歌學術搜尋不完全統計，截至2021年初，有8萬餘份出版物讨論或包含微波雷達高度計資料、技術或産品[3]，其中包含大地測量内容的有3萬餘份，不乏各階段關于衛星測高技術發展及應用的評述類論文(如文獻[3-4])。本文試圖結合大陸正在開展的大地測量類測高衛星的研究與發展，在扼要介紹海洋微波測高衛星發展曆程，以及衛星測高在全球海洋重力場和海底地形模組化等方面的應用現狀後，重點評述海洋測高衛星的發展趨勢。

1 海洋微波測高衛星發展曆程

自20世紀70年代，全球已成功發射20餘顆海洋微波測高衛星。根據采用的不同技術手段，衛星測高技術大緻分為3個發展階段。

第1階段從第1顆測高實驗衛星(Skylab)到Topex/Poseidon(T/P)衛星發射前，即1973-1991年。期間，Skylab攜帶S-193微波高度計共執行3次任務，主要為示範測高概念，擷取設計精密高度計所需資訊。Geos-3載有首台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，測高總體精度達50 cm。Seasat配有星載錄音帶記錄儀，因故障僅運作了99 d，擷取了約1684 h的測高資料，相當于Geos-3在3年半累計運作時長的90%; 測高精度達20 cm左右，首次采用全去斜技術，分辨率顯著提升。Geosat主要為美國海軍測量海洋大地水準面，并提供海軍作戰所需海況和海風測量，是首顆提供長期高品質測高資料的衛星，标志着衛星測高技術趨于成熟。ERS-1是歐洲首顆搭載雷達高度計的衛星，用于全球範圍重複性環境監測，包括全球海面風場及其變化、海浪動态情況及全球海平面變化等。

第2階段以T/P衛星測高任務于1992年的成功發射為起始标志。在此之前，測高衛星的徑向軌道确定誤差是衛星測高的最大誤差源，得益于星載GPS定位技術和DORIS(Doppler orbitography and radio-positioning integrated by satellite)定軌技術的發展與應用，通過聯合多種精密定軌手段，T/P衛星的徑向軌道精度達到約3.5 cm[5]。另一方面，T/P衛星首次搭載了用于改正電離層延遲的雙頻(Ku/C頻段)雷達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于分米級。該階段的衛星任務還包括T/P衛星的延續任務Jason-1和Jason-2、Geosat的後續任務GFO，以及ERS-1的後續衛星ERS-2和Envisat，這些任務使用的高度計均為有限脈沖雷達高度計。

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

值得一提的是，俄羅斯于1985-1996年發射了10顆帶有雷達高度計的GEO-IK衛星，目的為确定基本大地測量常數、地心參考系、地球形狀參數及地球重力場[10]。衛星位于約1500 km高的近圓軌道，軌道傾角為74°或83°。雷達高度計工作頻率為9.5 GHz，儀器精度對于1 s和10~12 s平均值的均方誤差分别約為0.4~0.5 m和0.1 m。衛星運作時間從幾周到18個月不等，有時兩顆衛星同時在軌運作，累計獲得382萬次測量，産出36階EP-90和200階EP-200地球重力位模型、大地測量網坐标及全球海洋大地水準面高等産品。最初，衛星資料列為機密級，需由俄羅斯相關部門準許使用，1992年解密大部分資料。

大陸自主的測高衛星計劃相對較晚。海洋二号(HY-2A)衛星是大陸自主研制的第1顆海洋動力環境衛星，采用有限脈沖雷達測高體制，于2011年發射入軌，旨在實時提供海面高、浪高、海流及海面溫度等多種海洋資訊。大陸于2018、2020、2021年分别發射了HY-2B/2C/2D海洋動力環境衛星，其采用相同的有限脈沖測高技術體制，目前已進入三星組網階段，它們将在海洋動力環境探測與分析等領域貢獻豐富的觀測資料。

為清晰起見，表 1簡要列出了上述測高衛星的主要性能參數。

表 1 測高衛星發展簡況Tab. 1 Overview of altimetry satellite development

衛星名稱	發射年份	軌道高度/km	軌道傾角/(°)	重複周期/d	頻帶
Skylab	1973	435	50	-	Ku
Geos-3	1975	840	115	-	Ku
Seasat	1978	800	108	3、17	Ku
Geosat	1985	785	108	23	Ku
ERS-1/2	1991、1995	785	98.5	3、35、168	Ku
T/P	1992	1336	66	10	Ku/C
Jason-1/2/3	2001、2008、2016	1336	66	10	Ku/C
Sentinel-6	2020	1336	66	10	Ku/C
GFO	1998	785	108	17	Ku
Envisat	2002	799.8	98.5	35	Ku/S
CryoSat-2	2010	717	92	30	Ku
HY-2A/2B	2011、2018	971	99.3	14、168	Ku/C
SARAL	2013	800	98.5	35	Ka
Sentinel-3A/3B	2016、2018	814	98.6	27	Ku/C
HY-2C/2D	2020、2021	957	66	10、400	Ku/C

表選項

2 海洋微波衛星測高反演全球海洋重力場和海底地形模型進展

2.1 全球海洋重力場模組化

1995年Geosat衛星大地測量任務(geodetic mission，GM)資料全面解禁前，大地測量學界對海洋重力場技術理論進行了豐富的嘗試與探索，湧現出許多不同的技術方法。1985年Geosat發射之前，文獻[11-13]利用Seasat與Geos-3衛星資料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模型的研制提供了重要支撐。在Geosat南半球GM資料分批次公開後，利用GM資料擷取了更為精細的區域和全球重力場[14]。該階段，基于逆Stokes公式與基于逆Vening-Meinesz公式的反演方法分别得到嘗試與應用，快速傅裡葉變換技術在海洋重力場反演中得以應用，海洋重力場反演有了雛形。

1995年Geosat/GM資料公開至2010年CryoSat-2衛星發射前，海洋重力場建構中深度應用了Geosat/GM與ERS-1資料，開始建立全球最高1′×1′分辨率的海洋重力場。Geosat與ERS-1兩顆衛星GM資料的釋出，大大提高了海洋重力場反演分辨率，同時應用GM資料反演海洋重力場的技術得到快速發展并不斷趨于穩定。2000年前後，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(Technical University of Denmark，DTU)的KMS98[16]、KMS02模型[17]等。這些模型首次達到1′×1′或2′×2′的分辨率。SIO與DTU進一步對Seasat、Geosat衛星資料進行重跟蹤處理，更新得到的SIO SS V17與DNSC07海洋重力場模型應用于地球重力場位系數模型EGM2008的研制。

2010年始，CryoSat-2為海洋重力場建構提供了全新的、更高精度的資料源，後續Jason-1、Jason-2及SARAL各自GM資料又為海洋重力場反演注入了更多高品質觀測資料。CryoSat-2作為近極軌衛星，幾乎覆寫全球所有海域，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在壽命末期分别執行了14個月與2年的GM任務[18]。SARAL于2016年7月開始運作至傾角為98°的漂移軌道，根據文獻[19-20]的研究，SARAL在軌運作多年後，它對于海洋重力場反演的貢獻在上述衛星中占比最大。

大陸諸多機構持續開展區域或全球海洋重力場反演研究，如文獻[21-24]分别利用不同測高衛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[25]使用CryoSat-2、SARAL、HY-2A等衛星資料反演得到南海海域(0~30°N，105°~125°E)1′×1′分辨率的重力場; 文獻[26-27]分别反演得到1′×1′分辨率的中國近海和全球海洋重力場。

2010年後，國際上釋出的諸多海洋重力場模型中，以SIO與DTU為代表持續更新釋出的1′×1′分辨率的全球海洋重力場模型最為典型。

DTU釋出的海洋重力場模型主要包括DTU10、DTU13[28]、DTU15[29]及DTU17[19]。DTU10在DNSC08基礎上，對所有ERS-2與Envisat資料進行重跟蹤，并将該系列模型更名為DTU模型。DTU13融合CryoSat-2及Jason-1/GM觀測資料，所使用GM測高資料較DTU10增加3倍。DTU15模型對CryoSat-2 1B級波形資料進行重跟蹤，使用5年CyroSat-2及Jason-1/GM任務資料，進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，融合了2016年SARAL漂移軌道資料，并改進CryoSat-2在北極區域的處理。評估發現受精度影響，相對于後續GM任務衛星，Geosat/GM、ERS-1對于海洋重力場的建構幾乎無貢獻，是以，DTU17摒棄了Geosat/GM與ERS-1的資料。

2010年後，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資料。V28.1模型主要融合的GM資料包括CryoSat-2、Jason-1/GM、Jason-2/GM與SARAL的資料。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任務對于海洋重力場模型建構的貢獻，發現相較于後續任務資料，Geosat與ERS-1對于海洋重力場模型的貢獻很小，是以V28.1及後續模型的研制未包含這兩顆衛星的資料。

2.2 全球海底地形模型建構

海底深度對于地球和生物科學研究極其重要，然而僅有15%的海洋區域利用船載探測方法進行了精細空間分辨率( <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性，衛星測高成為全球海底地形探測的重要手段。Seasat資料釋出後，衆多學者對衛星測高資料反演海底地形的可行性進行了研究[32-33]，文獻[34]繼而開發出衛星測高海面坡度與海底預測深度的轉換模型，建構了首個空間分辨率近乎統一(約15 km)和72°S~72°N間的全球深度網格。利用衛星測高資料反演海底地形的基本方法包括重力地質法、導納函數法、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]。随着衛星測高資料的不斷豐富，利用上述方法并結合船載測深等多源深度資料，形成了基于測高資料的多個系列海底地形模型，扼要歸總如下。

(1) Sandwell模型。SIO的Sandwell教授團隊自1994年和1997年釋出SIO-V5.2/V7.2後，模型不斷更新。2008年基于V16.1全球海域重力模型，反演釋出了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測量資料、一年半Envisat資料及120多天Jason-1資料)反演建構了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所有新資料，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個多波束測線資料，形成V18.1。2020年使用V29.1版本重力資料，進一步優化向下延拓濾波器參數，釋出V20.1。最新的V23.1模型于2021年釋出，是截至目前公認的精度最高的全球海底地形模型。

(2) ETOPO模型。2001年美國國家地球實體資料中心(National Geophysical Data Center, NGDC)釋出2′×2′網格的全球地形模型ETOPO2，其中64°N~72°S海底地形資料源自海底地形模型SIO V8.2。2008年NGDC基于大量相關模型和實測區域資料，通過融合全球陸地地形和海洋深度資料，建成1′×1′網格的ETOPO1海底地形模型[36]。

(3) SRTM模型。2009年SIO等聯合釋出了30″格網的全球地形模型SRTM30+[37]，其中海洋區域水深資訊主要利用水深測量資料和SIO V11.1版本的重力場模型擷取的重力/地形比例因子，采用回歸技術反演獲得。2014年釋出的SRTM15+V1.0，格網分辨率為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更新為SRTM15+V2.0[38]，采用的測高反演海底地形模型版本為V27.1，新增測高資料包括48個月的CryoSat-2、14個月的SARAL和12個月的Jason-2觀測資料，使海面重力異常恢複的最小波長提高1.4 km，且測高預測深度精度略有提高。

(4) GEBCO模型。GEBCO(general bathymetric chart of the Cceans)是聯合國教科文組織下屬的大洋水深制圖項目。2008年釋出包含SRTM30+模型和SIO V11.1海底地形模型的GEBCO_2008模型，格網分辨率為30″。2014年基于多波束資料格網化和衛星測高重力反演水深融合生成GEBCO_2014模型，格網大小為30″，其中約18%的格網資料基于多波束和單波束水深控制資料[39]。2019年以SRTM15+V1.0版本作為先驗模型，構制了格網為15″的海底地形模型GEBCO_2019。2020年釋出GEBCO_2020網格，以SRTM15+V2.0版本為基礎，空間分辨率為15″。最新釋出的為GEBCO_2021模型，格網分辨率仍為15″。

(5) 武漢大學模型。武漢大學模型是由武漢大學李建成院士團隊建構的系列模型。2014年利用1′×1′的SIO V20.1重力異常垂直梯度資料，聯合NGDC釋出的船測水深資料，建構了75°S~70°N範圍、1′×1′的海底地形模型BAT_VGG17[40]。2020年基于新建構的全球衛星測高重力異常模型[26]，使用回歸分析方法，聯合水深測量資料，建立了75°S~70°N範圍、1′×1′的海底地形模型BAT_WHU2020[41]，精度較BAT_VGG17模型提高約30%。

基于衛星測高資料建構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，大陸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 海洋測高衛星發展趨勢

3.1 先進微波測高技術

3.1.1 合成孔徑雷達高度計

合成孔徑雷達高度計繼承傳統底視高度計的有限脈沖工作方式，測量過程中發射并接收一系列回波，并對其進行合成孔徑處理。相比傳統高度計，主要優勢包括[42]：方位向分辨率從2 km提高至200~300 m; 信噪比得以提高，利用合成孔徑可實作對同一目标的多次觀測，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，使得對平台姿态穩定性的要求降低。

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

分别于2016和2018年發射的Sentinel-3A/3B的主要載荷為合成孔徑雷達高度計(synthetic aperture radar altimeter，SRAL)[8]。SRAL工作于Ku/C雙頻段，包括測量模式、定标模式及支援模式。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和開環跟蹤模式。定标模式用于内部脈沖響應和增益方向圖的定标。支援模式主要用于儀器自檢，以确定儀器有否錯誤或存在不正常狀态。

2020年發射的Sentinel-6搭載Poseidon-4合成孔徑雷達高度計[9]。Poseidon-4采用Ku/C雙頻觀測(SAR模式隻有Ku頻段工作)，具有開環和閉環兩種跟蹤模式，結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(開環簇)交替時序優勢更為突出，它強制将接收回波排列在發射脈沖之間，以增加目标觀測次數(樣本數為Sentinel-3的2倍)，再通過沿軌道以約300 m進行平均，減少熱噪聲和散斑噪聲。交替時序使SAR模式可用觀測數加倍，重要的是可與LRM同時進行，即LRM和SAR之間無須儀器轉換。Poseidon-4為開環跟蹤指令配置設定了約9 MB記憶體，比Jason-3的1 MB和Sentinel-3A/B的4 MB大得多，由此觀測目标可以包括更複雜的河流和湖泊，Poseidon-4校準政策也有改進。

3款合成孔徑雷達高度計已呈現出色的測高能力。文獻[6]以ERS-1資料為基礎，結合使用3個月CryoSat-2資料，所得巴芬灣海洋重力場與5000個船載觀測值之差的标準偏差約為5.5 mGal，精度比僅用ERS-1資料提高0.7 mGal，且沿航迹分辨率提高5倍。文獻[43]利用2年SAR模式CryoSat-2資料計算的海面高變化RMS為5.9 cm，比Jason-2 LRM的7.8 cm小40%。文獻[20]對6項GM任務進行了比較，CryoSat-2測高精度僅次于AltiKa，高于Jason-1/2等傳統高度計。文獻[9]将Poseidon-4 SAR/LRM、Sentinel-3A SAR、Jason-3 LRM在3星前後飛行階段前2周的測距精度作了比較，依次為3.2/6.2、5.0、7.0 cm。大陸于2014年研制成功合成孔徑雷達高度計工程樣機并進行機載試驗，其測高精度比傳統高度計可提高1倍[44]。總體上，合成孔徑雷達高度計性能顯著優于傳統雷達高度計，将成為未來測高任務的主流載荷。

3.1.2 Ka頻段雷達高度計

2013年發射的印-法合作衛星SARAL的主要有效載荷即為一種Ka頻段雷達高度計，稱為AltiKa高度計[7]。AltiKa仍采用底視高度計的技術體制，但它隻有單一Ka工作頻段。與常見的Ku頻段或Ku/C雙頻高度計相比，主要技術優勢包括[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迹變小(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，相當于3 mm延遲，基本可忽略; 較高的脈沖重複頻率(4 kHz，Jason-2為2 kHz)可更好地沿軌道對表面進行采樣; 海面電磁偏差效應小，有利于提高儀器測量精度; 回波信噪比增加，可采用較低的發射功率; 回波在上升之後迅捷衰減，具有更尖銳的形狀; 海洋回波的去相關時間更短，使得每秒的獨立回波數目比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，較大降雨會導緻Ka頻段測量失效，雖然從海洋降雨的時空分布統計，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，要求平台指向角為±0.2°。

SARAL轉入GM模式後，至2018年12月采樣形成的4 km大地測量網格約占全球海域的75%[7]。文獻[45]使用SARAL初始精确重複任務單周期40 Hz海面高資料識别出小至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[46]對標明區域32個重複周期(約3年)的40 Hz SARAL資料剖面進行疊加，識别出高度小于720 m乃至500 m高的海山。文獻[47]對全球疊加的SARAL海面剖面應用海山檢測濾波器，揭示了75 000多個可能海山。文獻[20]表明，相比其他高度計，AltiKa沿軌道測高噪聲最小，所用32個月資料的噪聲比CryoSat-2小1.3倍，且這些資料在恢複重力場中的作用比96個月的CryoSat-2資料更重要。總之，AltiKa類Ka頻段雷達高度計就恢複大地水準面、重力異常及平均海平面的短波特征而言表現優秀。

3.1.3 合成孔徑雷達幹涉儀

合成孔徑雷達幹涉技術為一項較成熟的技術，已經機載平台多次驗證。航天飛機雷達地形任務即采用該項技術獲得了全球範圍幾米精度的地形資料。美國正在研發的SWOT(surface water ocean topography)衛星系統，主要用于高分辨率測量海面地形和陸地水位，其主要裝置為一台合成孔徑雷達幹涉儀，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長的幹涉基線兩端。其中，1個天線發射，帶寬為200 MHz; 2個天線同時接收雷達回波。幹涉儀采用雙刈幅系統，交替照亮天底軌迹兩側的左右刈幅(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(刈幅遠端); 通過合成孔徑處理，沿航迹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海面網格内平均後達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，以減少資料量; 陸地區域高分辨率模式，專注于水文學研究。KaRIn在天底點軌迹的左右刈幅之間存在測量空白，是以SWOT配備1台傳統底視高度計測量空白區的高度。為解決底視高度計覆寫範圍和KaRIn刈幅覆寫範圍之間的資料空白，計劃搭載近天底點幹涉測量實驗元件，接收從近天底點表面反射的KaRIn信号，并與KaRIn天線接收信号執行幹涉測量。

SWOT以其寬刈幅将覆寫地球上所有的湖泊、河流、水庫、海洋，每21 d至少覆寫兩次。但要達到厘米量級測高精度，需精細考慮各項誤差修正，如衛星橫滾角誤差引起的高程誤差、相位誤差、傳播媒體誤差、系統延遲誤差、基線誤差、徑向速度誤差、标定誤差等[49]。文獻[50]利用SWOT模拟資料研究表明，多周期SWOT觀測相比傳統底視高度計，可以得到更高品質的海洋重力異常。大陸2016年随天宮二号空間實驗室發射升空的三維成像微波高度計，是國際上第1個采用小入射角短幹涉基線實作寬刈幅海面高度測量的高度計[51]。總體而言，SWOT類任務的顯著優勢為，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反射信号測高

GNSS-R是利用地球表面反射的GNSS信号進行對地遙感探測的新技術，具有全球快速覆寫和重訪的技術優勢。文獻[52]率先提出利用GNSS-R技術測量海面高度的設想，用于改進傳統天底雷達高度計的時空采樣率。随後開展的多次岸基、機載及氣球實驗證明了GNSS-R測高和散射測量的可行性。

文獻[53]從1994年發射的星載成像雷達-C衛星采集資料中首次提取到經地球表面反射的GPS信号，開啟了GNSS-R技術星載驗證和應用的新篇章。2003年，英國薩裡衛星技術有限公司(SSTL)将災害監測星座衛星的GPS接收機進行改裝，配以天底指向高增益天線，證明了星載接收機接收海面、冰面、陸面GPS反射信号的可行性，并利用接收到的少量原始采樣資料對海面風場、土壤濕度、海冰的敏感性進行了探索性研究[54]。英國于2014年6月發射了搭載SSTL接收機的TechDemoSat-1，首次在軌擷取了GPS L1 C/A碼DDM(delay Doppler mappings)資料集，主要驗證了GNSS-R海面風速及粗糙度測量的可行性[55]，并對數字高程模型、海洋測高和冰面高度測量的可行性等進行了驗證。NASA于2015年1月發射的土壤水分主動/被動衛星任務，因L波段雷達發射機出現故障，利用星上硬體裝置進行了土壤水指數和地上生物量評估等GNSS-R實驗[56]。NASA于2016年12月發射了一個由8顆衛星組成的CYGNSS(cyclone GNSS)小衛星星座，主要用于研究熱帶氣旋和熱帶對流。文獻[57]利用CYGNSS星座采集的原始資料集，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3.9和2.5 m。2019-2021年發射的Spire、3Cat-4、3Cat-5 A/B和PRETTY衛星(星座)，以及大陸的捕風-1A/B雙星和風雲三号E衛星均搭載了GNSS-R裝置，可進一步為GNSS-R測高研究和試驗提供豐富的樣本資料[58]。

GNSS-R測高技術通過測量地球表面反射的GNSS信号與GNSS直達信号之間的時延差，反演反射面相對于參考橢球面的高度。該技術發展至今，根據時延觀測量的不同可分為群延遲測高技術和載波相位測高技術，其中群時延測高技術又分為傳統群延遲測高技術和幹涉測高技術。GNSS-R傳統群延遲測高技術利用同一公開的民用碼與GNSS直達、反射信号分别相關，進而擷取二者時延差。該技術受限于碼信号的帶寬，且隻能跟蹤導航系統公開且測量精度較差的碼型，其星載測高精度為米級[57]。幹涉測高技術将GNSS直射信号與反射信号直接相關，利用生成的幹涉相關功率波形計算二者的時延差。由于GNSS直射與反射信号均調制有相同的高精度的P(Y)碼，幹涉測高技術的星載測高精度仿真結果為分米級，歐空局原計劃于2020年開展GEROS-ISS項目對該技術進行星載驗證，後因故推遲，目前國際上尚未對該技術進行星載驗證。載波相位測高技術利用GNSS反射信号與直射信号的相位跟蹤結果計算二者的時延差，星載GNSS-R載波相位測高精度可以達到厘米級。文獻[59]使用CYGNSS衛星的GPS和Galileo觀測資料進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，與專用雷達高度計相當; 包括系統誤差在内的綜合精度在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[58]利用Spire衛星觀測的初始掠射角GNSS反射資料，采用雙頻相位測量值進行測高反演，海冰區域在消除偏差後與海面高模型之差的RMS為3 cm，開闊海域的RMS在~14 cm以内。GNSS反射信号載波相位連續跟蹤條件極為苛刻，要求GNSS反射信号以相幹分量為主，應用中通常利用低仰角GNSS信号降低海面粗糙度對GNSS反射信号載波相位的連續跟蹤的影響，且風和浪應低于6 m/s和1.5 m有效波高，極大地限制了其應用領域。盡管如此，通過衛星軌道和GNSS-R接收機硬體的優化設計，并結合應用其他反演技術，GNSS-R厘米量級測高精度具有誘人的發展前景。大陸相關機關正為此努力并已取得諸多成果[60-61]。

3.3 測高衛星組網

測高衛星組網的目的為，提供高時間分辨率、高空間分辨率的高精度測高産品。迄今真正意義的天底雷達高度計測高衛星組網未曾實施，可能是由于小衛星難以容納雷達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的同軌串聯運作階段隻能認為是一種非刻意的簡單組網。

美國約翰·霍普金斯大學應用實體實驗室曾提出水面坡度地形和技術實驗測高衛星星座計劃，星座由3顆位于同一軌道面相距幾十至幾百千米的小衛星組成[62]。每顆衛星搭載雷達高度計等測高載荷，其地面軌迹因地球自轉呈跨軌向排列，軌迹間距取決于衛星之間的距離，由此可以實作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資訊。該星座按有利于密集空間覆寫、相對緊密時間覆寫或其他優先級建立了4種測量模式：①高空間分辨率模式，衛星軌道間隔約200 km，時間間隔小于1 min，地面軌迹間距為24 km，支援以大約相同的分辨率測量沿軌道和跨軌道的海面梯度; ②均勻密集空間覆寫模式，衛星軌道間隔約900 km，時間間隔約4 min，地面軌迹間距為53 km，是觀測海洋渦旋場的最佳間距; ③高時間分辨率模式，衛星軌道間隔2600 km，後一衛星軌迹嚴格覆寫前一衛星軌迹，重訪周期為3 d和6 d; ④特殊覆寫模式，一個高度計執行固定的精确重複任務，其他高度計按需移動到指定的科學、軍事或自然災害應用區域。

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

文獻[64]提出采用兩個寬刈幅高度計的組網計劃，以極大提高海洋監測和預報能力。模拟分析表明，與目前3個底視高度計(Sentinel-6和Sentinel-3A/B)同時在軌運作相比，海面高分析和7 d預報誤差在全球範圍内減少約50%，分辨率由約250 km提高至接近100 km。

文獻[65-66]對微納衛星組網測高進行了探讨，認為要達到厘米級精度還面臨衆多難題，但通過減少有效載荷功能、優化載荷結構降低重量和功耗、引入在軌處理降低資料速率、最小化或抑制平台備援等措施，可将整個衛星重量和功耗降至45 kg/70 W，其中的精度損失則通過增加觀測量予以彌補。其實，如前文介紹的CYGNSS、Spire和PRETTY等，微納衛星組網在GNSS-R中已得到諸多應用。

文獻[67]根據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内擷取全球海域1′分辨率、精度為2~3 mGal(1 mGal=10-5m/s2)的海洋重力異常。兩顆衛星位于同一軌道面，前後相距30 km(約4 s)同時對海面進行觀測。若衛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°，回歸周期設為172 d，考慮地球自轉因素，兩顆星的瞬時地面軌迹間距為1′，單顆星軌迹間距為2′，顧及小周期間的轉移時間，以及升軌、降軌等因素，理論上雙星跟飛測量大約2.3 a後可完成1′軌道間距全球覆寫，4.6 a時間可得到兩次重複的地面軌迹覆寫。衛星測高反演重力場的經典做法是利用海面高差求解垂線偏差，然後進一步計算重力異常和大地水準面高等。顯然，海面高差的測量精度最為關鍵。雙星跟飛測高模式的出發點為，利用雙星同時測量沿軌道和跨軌道的海面高差(或梯度)，此時軌道誤差表現為星間或單星曆元間的相對軌道誤差(從單星的約5 cm降為約1 cm)，而大氣傳播和地球實體效應等長周期改正，對于地面軌迹間距隻有2 km的雙星而言近似相等，在海面高差中幾無展現，是以海面高差的精度相比于傳統的單星測量有顯著提高。假設采用精度約為2 cm的合成孔徑雷達高度計，雙星海面高差的測量精度将優于4 cm，由此經過5年以上的雙星在軌測量，完全可以實作2~3 mGal的海洋重力異常測量目标[67-68]。

4 結論

自第1顆測高衛星試驗成功以來，衛星測高即在大地測量中起着舉足輕重的作用。衛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，覆寫範圍也從開闊海域逐漸拓展至近海和極地區域。盡管如此，衛星測高仍是未來海洋重力場尤其是海底勘探(特别是深海)的一種重要手段，以下幾點尤為值得關注：

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

(2) 若将衛星測高反演海底地形與ICESat-2類進階地形雷射高度計觀測資料和遙感衛星圖像、機載雷射雷達圖像相結合，有望繪制大面積淺水區的地圖，與使用船隻相比，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源自海面的反射信号，利用載波相位觀測量已被證明可以獲得厘米級精度的海面高，若與微波雷達衛星測高結果進行同化和融合處理，有望在未來3~5年得到普遍應用。

(4) 盡管目前還不完全清楚人工智能技術将給衛星測高領域帶來何種益處和突破; 然而，大量空間資料和綜合資料将受益于人工智能科學領域開發的操作、處理、解釋及了解工具，進而提高其應用價值。

作者簡介

第一作者簡介：孫中苗(1968-)，男，博士，研究員，研究方向為實體大地測量、空間大地測量、海洋測繪。E-mail：[email protected]

初審：張豔玲

複審：宋啟凡

終審：金 君

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