第 3 章 卫星测高波形理论

卫星测高技术及应用✦第1章卫星测高技术发展及应用概述✦第2章卫星雷达高度计观测基本原理✦第3章卫星高度计观测误差✦第4章卫星测高波形理论与处理方法✦第5章卫星测高数据处理理论与方法✦第6章卫星测高反演海洋重力场理论与技术✦第7章卫星测高技术应用第1章卫星测高技术发展及应用概述卫星测高已成为全球气候观测系统（GCOS：Global Climate Observing System）和全球大地测量观测系统（GGOS：Global Geodetic Observing System）的一个重要组成部分。

海面高度：精度最高。

根据发射脉冲和接收脉冲间的时间间隔，确定卫星质心到星下点的距离，进而计算星下点的海平面高度有效波高（SWH）：精度较高。

分析返回脉冲波形形状的特征，确定海洋的有效波高。

有效波高等于4倍海面的均方根波高。

海面风速：精度较低。

通过接受到的能量及其强度，可以获取雷达的地面后向散射系数，进而求定海面风速。

测高卫星简介：已结束测高任务：Skylab、GEOS3、SEASAT、GEOSAT、ERS1、T/P正在运行的测高任务：雷达测高：ERS2、 GFO、 JASON1、 ENVISAT、 JASON2(OSTM)激光测高：ICESat计划实施的测高任务： Cryosat、Saral(AltiKa)、HY-2、NPOESS 、 Sentinel3概念性卫星测高：Wittex、GPS测高、WSOA卫星搭载的仪器：合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar），用来提供高质量详细的海洋和陆地雷达图像；雷达散射计，用来测量近地面风速及其方向；多频段微波辐射计，用来测量地面温度、风速及海冰覆盖；雷达高度计，用来测量海面和浪高。

GEOSAT前后工作了近五年，首次提供了具有重复性、高分辨率、长期性高质量的全球海面高数据集，标志卫星测高技术进入了成熟阶段。

两种卫星序列时代的开始进入上个世纪90年代后，为了进一步改善仪器性能，高度计采用了两种不同的方法，卫星高度计从而进入了两个不同系列的时代。

卫星测高技术的原理及应用摘要：卫星测高技术是空间大地测量中的一个关键的新技术，自其产生以来，得到了迅速的发展，并在大地测量学、地球物理学、海洋学中得到了广泛应用。

本文主要介绍了卫星测高技术的产生、原理和应用，并在最后对自己的学习收获进行了简单的总结。

1引言卫星测高的概念是在1969年Williamstown召开的固体地球和海洋物理大会上由美国著名大地测量学者考拉首次提出的。

它以卫星为载体，借助空间、电子和微波、激光等高新技术来量测全球海面高。

20世纪80年代以来，计算机技术和空间技术高速发展，地球科学在宏观和微观的研究上进入了一个迅速发展和深入探索的时期。

在此期间，地球科学各分支学科出现了大量新的学科生长点，提出了许多新学科、新概念、新技术。

卫星测高学在这种形势下随着卫星遥感遥测技术的应用发展起来，它利用卫星上装载的微波雷达测高仪，辐射计和合成孔径雷达等仪器，实时测量卫星到海面的距离、有效波高和后向散射系数，并通过数据处理和分析，来研究大地测量学、地球物理学和海洋学方面的问题。

自1969年考拉提出卫星测高构想，1970年美国宇航局（NASA）发射天空实验室卫星（Skylab）进行首次卫星雷达海洋测高实验以来，30多年间国际上先后陆续发射了多代测高卫星，主要有:美国NASA等部门发射的地球卫星GeosO3（1975年），海洋卫星Seasat（1978年），大地测量卫星Geosat（1985年）;欧洲空间局（ESA）发射的遥感卫星ERSO1（1991年）和ERSO2（1995年）; NASA和法国空间局（CNES）合作发射的海面地形实验/海神卫星Topex/Poseidon （T/P，1992年）。

卫星遥感技术经历了改进和完善的过程，技术和性能已趋成熟，测高精度已提高了三个数量级。

卫星测高技术经过几十年的发展，其技术和性能日趋成熟，测高精度、分辨率有了很大的提升，应用范围也扩展到全球区域的覆盖。

它可以在全球范围内全天候地多次重复、准确地提供海洋、冰面等表面高度的观测值，改变了人类对地球特别是海洋的认识和观测方式，使我们有能力并且系统地进行与之有关的各种研究。

卫星测高与大地测量的原理与应用引言：大地测量是一门学科，涉及地球表面各种特征和地球形状的测量与研究。

而卫星测高是地球表面高程的观测与测量手段之一，通过卫星的测量数据，我们能够获取到地球表面的高程信息，从而更好地理解地球的形状和变化。

一、卫星测高的原理卫星测高的原理主要基于雷达测距原理。

当卫星飞过地球表面时，其搭载的雷达设备会发射电磁波，并记录电磁波从发射到接收的时间。

由于电磁波在空气中的传播速度是已知的，通过测量电磁波传播的时间，我们可以计算出信号从卫星到地球表面的距离。

为了提高测量精度，卫星测高通常采用多普勒效应进行校正。

多普勒效应是指当波源与接收器相对运动时，接收到的波长会发生变化。

通过分析接收到的多普勒频移，我们可以准确测量出卫星与地面之间的相对速度，从而消除测量误差。

二、卫星测高的应用1. 海洋学研究卫星测高可以帮助科学家更好地理解地球的海洋形态和海底地貌。

通过卫星测高，可以获取海水表面的高程信息，从而推断出海洋的流动情况和洋流的分布情况。

这对于海洋学的研究和海洋资源的开发具有重要意义。

2. 地壳变形监测地壳的变形是地球构造活动的重要表现之一。

通过卫星测高，可以对地壳的变形进行监测和测量。

例如，在地震前后，卫星测高可以提供地震引起的地壳变形信息，从而帮助科学家预测地震的发生和评估地震的危害程度。

3. 冰川变化研究卫星测高可以帮助科学家研究地球的极地地区和高山地区的冰川变化情况。

通过卫星测高，可以监测冰川的运动速度和融化速度，从而了解气候变化对冰川的影响以及冰川对地球水资源的贡献。

4. 地下水资源管理卫星测高还可以应用于地下水资源管理。

地下水位的变动可以通过卫星测高来监测，从而帮助管理者科学合理地利用地下水资源。

通过卫星测高数据的分析，可以预测地下水位的变化趋势，及时采取相应的水资源管理措施。

结论：卫星测高作为一种高精度、高效率的测量手段，在地球科学研究和资源管理中扮演着重要角色。

通过卫星测高，我们能够更好地了解地球的形状和变化，为科学研究和资源管理提供可靠的数据支持。

举例说明卫星测高的原理
卫星测高是利用卫星遥感技术进行高程测量的方法。

其原理是通过卫星搭载的高精度雷达测量地球表面的高度，并根据测量数据进行高程信息的提取和分析。

举例来说，以国际上广泛应用的雷达高程测量卫星Radarsat为例。

Radarsat 搭载合成孔径雷达(SAR)，利用SAR技术采集多个不同角度的雷达回波数据。

SAR通过发射特定波束的雷达信号，然后接收地面反射的信号。

当雷达信号触碰地面时，一部分信号会返回到卫星的接收器。

通过测量雷达发射到接收返回时间的差异，可以计算地面的距离。

然后，将这些距离数据转化为表面高度数据，从而实现对地表的测高。

卫星测高的原理可以进一步解释为：
1. 测距阶段：卫星发射雷达信号，并接收地面反射的信号。

根据信号的往返时间差，可以计算出地面位置和卫星之间的距离。

2. 雷达波束特征：由于存在雷达波束的宽度和形状，测量会有一定的误差。

波束的特征会影响到测量的精度和分辨率。

3. 多普勒效应：在卫星和地面之间存在相对运动时，会引起多普勒频移效应。

通过分析多普勒频移，可以测量出地面的垂直速度。

4. 大地测量纠正：卫星测高数据还需要进行纠正，使其与地球基准面一致。

这需要考虑地球的椭球形状、引力场等因素，以获得准确的高程测量结果。

总的来说，卫星测高利用雷达技术测量地球表面的高度，通过计算雷达信号的往返时间差、波束特征、多普勒效应以及大地测量纠正等因素，得出高程信息。

这种方法可以应用于各种领域，例如地形测绘、自然灾害监测等。

卫星测高基本原理卫星测高是指利用卫星测量地球表面相对高度的一种技术。

其基本原理是通过卫星搭载的雷达设备向地面发射短脉冲信号，经过反射后接收回波信号，通过计算回波信号的时间差和相位差等参数来推算出地面的高度信息。

一、卫星测高的基本原理1.1 雷达测量原理雷达是一种主动探测设备，它能够向目标发射电磁波，并接收目标反射回来的电磁波。

在卫星测高中，雷达设备搭载在卫星上，向地面发射短脉冲信号，经过反射后接收回波信号。

由于电磁波在空气中传播速度为光速，因此可以通过计算发射和接收两个时刻之间的时间差来确定目标物体与雷达之间的距离。

1.2 多普勒效应当雷达和目标物体之间有相对运动时，会产生多普勒效应。

多普勒效应是指当一个振源向着一个静止观察者运动时，该振源所发出的频率将比其静止时的频率高，反之则低。

在卫星测高中，由于卫星和地球表面之间存在相对运动，因此回波信号的频率会发生变化。

通过测量回波信号的频率差异，可以推算出目标物体与雷达之间的相对速度。

1.3 相位差测量相位差是指两个波形在时间轴上的相对位置差异。

在卫星测高中，回波信号经过接收后会与发射时的信号进行比较，通过计算两个信号之间的相位差，可以得出目标物体与雷达之间的距离信息。

这种方法被称为相位差测量法。

二、卫星测高技术的应用2.1 地形图制作卫星测高技术可以用于制作地形图。

地形图是一种以等高线为主要表现手段来反映地面地形特征和等高分布规律的专业图件。

利用卫星测高技术可以获取地面各点的海拔高度信息，并通过计算画出等高线图。

2.2 自然灾害监测卫星测高技术也可以用于自然灾害监测。

例如，在洪水、山体滑坡等自然灾害发生时，可以通过卫星测高技术实时监测地面的高度变化，及时预警和采取应对措施。

2.3 航空导航卫星测高技术还可以用于航空导航。

在飞行过程中，飞机需要不断地调整飞行高度以避免与地面障碍物相撞。

利用卫星测高技术可以实时获取地面高度信息，帮助飞机自动调整飞行高度。

卫星测高知识总结-------------申迎第一章卫星测高技术发展及应用概述1、卫星测高任务概况1）SKYLAB：最早搭载有高度计的卫星－－高度计S193；第一次得到因海底特征引起的海洋大地水准面观测值；奠定了卫星测高学的技术基础。

2）GEOS3：地球动力学实验海洋卫星；第一颗专门用于测高的海洋地形卫星。

3）SEASAT：海洋卫星；持续时间99天；SEASAT首次提供了全球范围的海洋环流、波浪和风速。

4） GEOSAT(大地测量卫星 )、GFO(GEOSAT后续卫星)为美国海军测量海洋大地水准面GEOSAT ：首次提供了具有重复性、高分辨率、长期性高质量的全球海面高数据集，标志卫星测高技术进入了成熟阶段。

5） ERS1/2（欧洲遥感卫星）、ENVISAT（环境卫星）ERS1采用PRARE：用来精确确定卫星位置（失败）6） T/P、JASON1/2T/P卫星观测精度是同期测高卫星中最高的两类卫星系列各自的主要特征？Topex/Poseidon卫星于1992 年8 月10 日发射，卫星轨道1336km，轨道倾角66°，重复周期为10 天。

T/P 由美国宇航局和法国空间局联合研制，其主要目的在于“观测和认识海洋环流”。

在这颗卫星上，携带了两个雷达高度计，还搭载了新的精密轨道确定系统，即全球定位系统（GPS）和多普勒轨道学和无线电定位的卫星集成（DORIS）定轨系统。

相比早期的测高系统（SEASAT 和GEOSAT）而言，已经对T/P 实施了许多改进，包括特别设计的卫星、一整套传感器、卫星跟踪系统、轨道配置、以及精密轨道确定使用的优化重力场模型和专门的任务运转地面系统，因此，Topex/Poseidon 对于海洋环流特别是涡流的研究特别有用。

T/P 奠定了从空中对海洋进行长期性监测的基础，可以以前所未有的精度每10 天一个重复周期提供全球动力海洋地形（DOT））或者海面高度（SSH）。

与早期测高卫星不同的是T/P 上搭载了两个高度计，一个是Topex 高度计，即NASA 雷达高度计（NRA： NASA Radar Altimeter），另一个是需要指出的是固态雷达高度计（SSALT：Solid State ALTimeter），有时叫做Poseidon-1 高度计。

测绘技术中常见的卫星测高原理卫星测高原理是测绘技术中常用的一种方法，通过卫星测高可以实现对地球表面各个点的高程测定。

在这篇文章中，我们将从几个方面来探讨卫星测高的原理。

首先，要了解卫星测高的原理，我们需要了解卫星与地球之间的相互作用。

地球上有许多地球测量卫星，它们通过激光或雷达等设备向地球表面发送信号，并在接收到信号的瞬间，通过计算等方法来确定信号的传播时间。

通过测量信号的传播时间，卫星可以得知信号从卫星到达地球表面的距离，进而计算出地球表面的高程。

其次，卫星测高原理的关键在于时间的测量。

卫星发送信号后，它会记录信号发送的时间，同时，地面上的接收站也会记录接收到信号的时间。

通过比较两者的时间，可以计算信号传播的时间。

然后，再结合卫星与地球之间的距离，就可以计算出地面的高程。

而卫星与地球之间的距离则是通过卫星定位系统来测量的。

常见的卫星定位系统有全球定位系统（GPS）、伽利略和北斗系统等。

这些系统通过卫星与接收机之间的信号交互，可以精确地确定接收机的位置。

在进行卫星测高时，接收机的位置信息也是必不可少的，因为与接收机位置的距离会影响最终计算的结果。

此外，卫星测高中还要考虑大气延迟的影响。

大气延迟是指卫星信号在穿过大气层时受到的干扰和延迟。

由于大气层中存在着不均匀的湿度和温度分布，信号在传输过程中会发生折射和散射，从而导致信号传播的时间产生偏差。

为了准确地计算出地球表面的高程，卫星测高系统需要对大气延迟进行补偿。

除了以上几点，卫星测高还需要考虑地球表面的重力影响。

地球上的重力场并不是均匀分布的，不同地方的重力加速度值存在差异，这也会对卫星测高的结果产生影响。

因此，在卫星测高中需要对重力场进行修正，以保证测量结果的准确性。

综上所述，卫星测高原理是通过测量卫星信号传播的时间，并结合卫星与地球之间的距离、大气延迟和地球重力场等因素，来确定地球表面点的高程。

卫星测高技术在地质勘探、地图制作、城市规划等领域都有广泛应用。

卫星测高技术的原理及应用1. 引言卫星测高技术作为一种基于卫星遥感的测量方法，能够实现对地球表面的高程信息进行获取和分析。

本文将详细介绍卫星测高技术的原理及其在不同领域的应用。

2. 卫星测高技术的原理卫星测高技术主要基于卫星搭载的雷达系统进行测量。

其原理如下：•雷达发射波束：卫星通过雷达系统发射一束电磁波，通常使用的是微波或者激光波，发射波通过天空中的大气层传播。

•波束的反射：波束在地球表面反射，并以散射的形式返回到卫星上。

•接收和处理反射信号：卫星接收到反射信号后，利用计算机和相关算法对信号进行处理，以获取地球表面的高程信息。

•数据生成和分析：卫星将处理后的数据生成高程图或点云数据，以便进行进一步的分析和应用。

3. 卫星测高技术的应用3.1 地质测量卫星测高技术在地质测量领域的应用广泛。

通过对地表高程的测量，可以实现地质构造的精确描述和分析，为地质灾害的预防和防控提供重要依据。

此外，卫星测高技术还能够用于地下水资源的开发和管理，通过高程数据的测定，可以准确掌握地下水的分布情况，为地下水资源的合理利用提供科学依据。

3.2 基础设施规划卫星测高技术在城市规划和基础设施建设中起到关键作用。

通过高程数据的获取和分析，可以准确绘制出地面的高程图，帮助规划人员合理确定道路、桥梁、建筑物等的位置和高度，保证基础设施的平整、安全和稳定。

此外，卫星测高技术还可以用于海洋工程建设，如海上风电厂和港口码头的规划和建设，通过高程数据的获取，可以保证海洋工程的建设质量和安全性。

3.3 气象预测卫星测高技术在气象预测中具有重要意义。

通过测量地球表面的高程数据，可以了解地形的变化和地势的起伏，从而对大气的流动和气压的分布有更准确的认识。

这对于天气的预测和气象灾害的预警非常重要。

此外，卫星测高技术还可以提供海洋高度的测量，对海洋气象的研究和预测具有重要意义。

3.4 农业生产卫星测高技术在农业生产中也有广泛应用。

通过高程数据的测量，可以了解土地的高低起伏和土壤的质地，进而指导农业生产的决策。

62 翟国君 ,等卫星测高原理及其应用第 22 卷年龄存在着突变 ,结果引起大地水准面起伏的短波部分具有阶梯状的特征 ,从年轻、较浅的一边向年老、较深的一边下降 ,其幅度在 100 ～ 150km 的距离上为几厘米到几米之间。

由于与海洋岩石圈的冷缩有关的热补偿作用 ,对于半空间和板块这两种模型 ,大地水准面高的变化是年龄的函数 ,故通过对大地水准面起伏形态的分析 , 可以研究岩石圈的变化。

然而需要指出的是 ,仅利用上述方法研究海山海沟的检测 ,其水平位置精度和垂直位置精度都比较低 , 只能达到 500～1000m 的量级 ,究其原因 ,主要是缺乏必要的高精度的外部控制 ,而只利用相关性的缘故。

为了克服这一不足 ,Smith 和Sandwell 又提出了用稀疏的船载水深测量 ( 测线间隔数百千米作控制 , 采用密集的测高卫星地面轨迹等数据来推测海底地形 , 取得了较好的结果 , 精度可达 1∶100m 左右。

可以预期 , 如果缩小船载水深测量测线的 414 卫星测高在海洋测绘中的应用为了保证舰船的航行安全 , 测量海洋水深及地貌、出版航海图书资料等是海洋测绘的首要任务。

由于测量条件的限制 ,仍有大量的海域 ( 尤其是大洋里没有进行过详细的水深测量 ,人们对大洋底的地貌形态仍知之甚少。

根据重力学知识 ,人们知道局部的大地水准面异常与海山海沟的出现具有很强的相关性。

因此 , 在无图海域 , 由卫星测高得到的大地水准面数据可被用于探测和预报海深。

由于每种类型的海底构造单元对大地水准面都有特定的响应 , 人们已经通过系统地研究分析卫星测高数据 ,发现了许多未曾预料到的海山、海沟的存在 ,在有些情况下还发现了断裂带、甚至消减带。

在测高卫星发射之前 ,人们关于海底海山总数的知识十分贫乏。

例如 ,1967 年人们借助强大的火山地震群才发现了麦克唐纳海山( 29° S ,140° W , 而它的顶部离海面只有 49m 。