高度计海况偏差校正研究综述

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1、雷达高度计海况偏差校正研究StudyonCorrectionofSeaStateBiasofRadarAltimeter任浩然光学工程学号：211002110621.海况偏差机理分析雷达高度计是一个十分复杂的系统，在测高中存在着多种误差。主要分为以下几类：仪器误差、海况偏差、传输误差、轨道误差、地球物理误差等。以上误差中，虽然传输误差中的干空气对电磁波的延迟可达2米以上，但该误差是稳定的，且其机理比较简单，全球范围内的RMS为（对于T/P高度计）0.7cm。然而，海况偏差中的电磁偏差量级虽然较小，但其机理比较复杂，R

2、MS较大，2m波高时RMS可达（对于T/P高度计）2.0cm。由此可见，电磁偏差导致的RMS占总RMS的比重很大。特别是在Jason-1高度计中，电磁偏差已经取代轨道误差成为贡献最大的误差源。海况偏差（SSB）具有三个公认的部分：电磁（EM）偏差、斜偏差和跟踪偏差。EM偏差是指海表面镜面散射体平均高度（平均散射面）和海平面平均高度之间的差值（如图1）。现场观测和理论研究表明镜面散射体的平均高度低于平均海平面，该差值与有效波高（SWH）成比例。EM偏差的典型值位于SWH的-1%和-4%之间。斜偏差和跟踪偏差是由高度计跟

3、踪器对镜面散射体平均高度的不准确跟踪造成的。Fu（1990）提出：“高度计星载跟踪器实际上是设计用于跟踪镜面散射体的中值高度。镜面散射体中值高度和平均散射面高度之间的差值称之为斜偏差，这是因为其与镜面散射体分布的偏斜度直接相关”。即使不同的跟踪方案可能导致不可忽略的跟踪偏差，斜偏差和跟踪偏差通常也小于EM偏差。图1实际海况表面的平均海平面（实线）、平均散射面（虚线）和中值散射面（点线）示意图。SSB估计的关键在于从包含较强信号和误差的高度计测量数据中提取SSB这一小信号。理论推导的SSB模型产生的结果并不理想，而且9

4、通常是定性的。目前大部分模型是基于经验模型而不是理论模型，此类经验模型不可避免的会引入非SSB信号。因此，估计的SSB受到其它类似信号（与有效波高和风速相关但非SSB信号）的干扰就显得尤其重要。SSB估计所需的基本数据是由高度计数据推导的相对于参考椭球面的海表面高度（SSH）数据。其通过卫星高度（H）和高度计距离测量值（）之间的差获得。因此，无法从校正高度计距离的过程中获得SSB。所以必须先通过未经校正的距离进行计算：（1）未校正的海表面高度（）包括大地水准面信号（）、动力地形（）以及SSB：（2a）使用通用符号，其

5、中为任一变量的测量值或估计值，为误差，则（2a）可重新表示为：（2b）因此（3）其中为轨道误差，为包括所有除SSB之外的仪器和地球物理校正误差的高度计测量误差。如果直接由数据反演SSB，方程（3）表明影响估计处理的噪声将是大地水准面信号、动力地形和轨道误差以及高度计测量误差的总和。迄今为止，大地水准面是数据中最大的信号，其大小在米至几十米的量级。该信号可以通过相同地理位置，沿共线轨道或者交叉点处测量值之间的差值来轻易的消除。共线差值是通用的差值技术。然而，数据空白和轨道误差的综合结果使得数据平均复杂化（Chelton

6、等，1990），而且共线差值需要处理极大量的数据。沿轨测量点之间大约有7km间隔（对于1s平均），与一些几十公里量级的中尺度或大尺度海洋参量具有高相关性，所以本方案不采用共线差值的方法。交叉点差值是非常简单且高效的方式，中纬度相邻交叉点之间的距离接近150km。不同测量之间的时间间隔相对较小，比如在T/P数据集中，这个时间间隔的平均值接近于3.5天。动力地形的变化在如此短的周期内是有限的。这是降低SSB估计噪声影响的另一种方式，而类似的噪声减小无法从共线差值中获得，这是因为不同测量之间的最小时间间隔为一个重复周期（对

7、于T/P而言为10天）。因此，9交叉点间测量差值实际上消除了数据中的任意时间不变量部分，如包括大地水准面，动力地形的稳态部分等，所以本方案采用交叉点差值来进行处理。采用不同时间的独立测量交叉点之间的差值。方程（3）可直接表示为：（4）其中表示差值。测量差值实际上消除了数据中的任意时间不变量部分，如包括大地水准面，动力地形的稳态部分等。2、海况偏差估计技术海况偏差估计值需从包含较强误差信号的高度计测量数据中提取海况偏差（SSB）这一小信号。在该条件下，当满足其精确预估模型有效基础上将噪声或其它信号已降低至最小时，信号的

8、提取是可靠有效的。2.1高度计数据内容基本数据是由高度计数据推导的相对于参考椭球面的海表面高度（SSH）数据。其通过卫星高度（H）和高度计距离测量值（）之间的差获得。因此，无法通过将要估计的海况偏差先验性校正高度计距离。从而，不得不通过未经校正的距离进行计算：（5）以及未校正的海表面高度（）包括大地水准面信号（）、动力地形（）以及SSB：（6）