JASON-1与T／P测高卫星同步段数据比较分析

第27卷第6期 2007年1 2月 大 地 测 量 与 地 球 动 力 学 JOURNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICS Vo1．27 No．6 Dec．，2007 文章编号：1671-5942(2007)06-0072-05 JASON．1与 T／P测高卫星同步段数据比较分析 金涛勇 李建成 王正涛 ’ 邢乐林 褚永海 朦2 ⋯一琏武汉4300793 430071 ] 1)武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室，武汉 l )中国地震局地震研究所，武汉 摘 要 基于共线平差方法，比较了同步运行段Jason．1两种观测数据和T／P观测数据的有效波高、后向散射系 数、各项地球物理改正以及改正后的海面高，解算比较了两颗卫星的各自单星交叉点不符值。计算结果验证了Ja- son．1测高卫星具有与T／P卫星相当的实际观测精度，能够较好地延续T／P卫星任务。 关键词 卫星测高 共线法 交叉点 海面高 地球物理改正 中图分类号：P226 文献标识码：A CRoSS．CALIBRATIoN AND VALIDATIoN oF JASoN-1 AND T／P ALTIMETRIC DATA IN THEIR SYNCHRoNoUS CYCLES Jin Taoyong¨ ， Li Jiancheng¨ ，Wang Zhengtao ， ，Xing Lelin ，。’and Chu Yonghai ’ f，1)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079、 I 2)The Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy， I I nistry ofEduc眦ion ， n University， n 430079 l 3)Institute ofSeismology，CEA，Wuhan 430071 Abstract The significant wave height，backscatter coefficient，geophysical corrections and corrected sea sur- face height of two ve~ion of Jason．1 data are compared with synchronous ／P data based on collinear method．Sin- gle satellite crossover differences of Jason．1 to T／P are also calculated and compared．The results show that Jason一 1 altimetric data have the equivalent accuracy with 1／P．SO it can be a good substitute of 1／P and realize the first 20 year period observations together． Key words：satellite altimetry，collinear method，crossover，sea surface height，geophysical corrections 1 引言 卫星测高是利用雷达测量卫星和星下点之问所 获得的距离和相应时刻的卫星空间坐标及各种海面 高物理改正模型来测算海面的大地高 。卫星测 高技术概念 自Kaula于 1969提出以来，经过 3O多 年的发展，已经成为大地测量工作者和海洋研究人 员用来研究全球海平面及其变化、地球重力场、海底 地形、海洋环流、内陆湖泊水位变化等领域的主要手 段和信息源。 $ 收稿目期：2oo7_08_02 基金项目：国家自然科学基金(40474004)；地理空间信息工程国家测绘局重点实验室经费资助项目(B2627)；国家基础测绘科技项目 (1469990624201)；中国地震局地震研究所科技发展基金(2012150) 作者简介：金涛勇，男，博士研究生，现从事卫星大地测量研究．E-mail：whutyjin@163．corn 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 金涛勇等：JASON-1与 T／P测高卫星同步段数据比较分析 73 在30多年 中共发射了 10颗测高卫星，其中 Topex／Poseidon测高卫星的测高精度最好，但经过 13年的服务之后，于2005年 10月9日停止了运行。 作为它的后续卫星，Jason-1测高卫星于2001年 12 月7 13发射，主要 目标是以不低于 T／P的精度水平 来测定全球的海面地形，从 T／P和 Jason．1的高精 度、长时间连续的观测数据得到全球的海面地形，进 而确定海洋环流，研究全球气候变化 j。 Jason-1测高卫星发射初期，轨道与 T／P卫星具 有相同地面轨迹，数据采集时间与 T／P间隔70 S，形 成前后相随轨道。Jason-1卫星维持上述轨道与 T／ P同步观测约6个月，采用这段时间的同步数据对 Jason．1卫星的可行性和可靠性进行了检验，因此该 段时间又称为相互校正阶段。在2002年 8月 15 13 (第 365周期 111个弧段)，T／P卫星临时调整为漂 移轨道，运行约 1个月后(到 2002年 9月 16 13，第 368个周期 171弧段)，T／P轨道调到离原轨道间距 一 半的轨道上，形成内插的地面轨迹，从而大大地提 高了数据的时空分辨率 j。 本文基于共线平差 ’ 的思想，将Jason．1观测 数据拟合到同步周期的T／P观测数据点上，对两颗 卫星在拟合观测点上的有效波高、后向散射系数，各 项地球物理改正以及改正后海面高进行了比较和统 计分析，解算了两颗卫星的各周期单星交叉点不符 值 ，估计了Jason-1测高卫星的实际观测精度。 2 模型比较 卫星测高仪是一种星载的微波雷达，通过测定 微波从卫星到地球海洋表面再反射回来所经过的时 间来确定卫星至海面星下点的高度，然后根据已知 的卫星轨道，以及各项改正来确定海面的大地高。 卫星测高的原理决定了测距过程中必须穿过大 气层，难免会受到对流层和电离层的影响。又由于 雷达微波有发散的特性，星下点是波迹半径为 3～5 km的圆的平均，这样必然会受到海面潮汐和风浪的 影响，因此，需要进行海洋潮汐、固体潮、极潮和海况 改正；此外，大气压的变化也引起海面变化，需要进 行逆气压改正。 由此海面高h的表达式为： h：h 一P一(Ahdrv+Ah +Ahi。 。+Ah。 +Ah + Ah。 +Ah b+Ahib) (1) 其中，^ 为卫星相对参考椭球的高度，P为卫星到瞬 时海面的观测距离，△ 为对流层干分量改正，△ 为对流层湿分量改正，为 Ah 。 电离层改正，Ah。 为 海洋潮汐改正，Ah 为固体潮改正，Ah。。为极潮改 正，△ 为海况改正，△ ib为逆气压改正。 表 1给出了 T／P卫星和 Jason-1卫星两种数据 的轨道及各项地球物理改正采用的模型或算 法 ， 。 表l T／P和Jason-l两种测高数据采用模型 Tab．1 Models used in I"／P and two version of Jason-1 al- timetric data 3 数值计算与分析 Jason．1与T／P同步轨道的严格时间为2002年 1月 15 13～2002年8月 15 13。由于作者现有的T／ P数据只到第360周期(2002年7月2 13)，所以，本 文采用数据的时间跨度为2002年 1月 15 13～2002 年 7月2 13，对应的Jason一1周期是 cycle 001～cycle 017，T／P周期是 mgc344～mgc360，共 17个周期数 据，本文以下所指全部同步数据为该段数据。 Jason-1测高卫星数据 GDR产品目前有两种， 一 种是在 T／P卫星仍运行阶段的‘a’版本数据，另 一 种是在 T／P卫星停止运行后，根据Jason．1前一阶 维普资讯 http://www.cqvip.com 74 大地测量与地球动力学 27卷 段实测数据改正部分模型后的 b’版本数据。目 前，所有‘a’版本数据都重新采用‘b’中模型处理为 ‘b’版本数据。 虽然 Jason一1与T／P卫星具有同步轨道，但两者 的地面轨迹并不完全重合，有 1～2 km的偏差。本 文基于共线平差 ’¨ 的方法，以T／P观测数据为标 准，将Jason一1的两种同步周期观测数据拟合到T／P 观测点上进行比较分析。 3．1 基本观测量比较 依据上述数据处理方法，得到Jason．1与 T／P每 个对应周期有效波高偏差的 RMS和 STD(图 1)。 Jason．1‘a’数据与T／P全部同步段数据有效波高偏 差的平均值为 一8．718 cm，RMS为 士19．254 cm， STD为 4-17．162 cm。Jason一1‘b’数据的平均值为 一 7．856 cm，RMS为 4-16．976 cm，STD为 4-15．046 cm o 巨三三 ． ▲ ． ◆ · ． · · · ◆一- 一 ， l 4 7 l0 l3 l6 周期 fa1有效波高偏差RMS 巨三三 ⋯ ． ’ 、rr ’ ’ 蒜 翻 船 嘏 图1 Jason．1两种数据与 T／P数据有效波高差值 RMS 和 STD Fig．1 RMS and STD of differences of significant wave height between two version of Jason一1 data and T／P data 同样方法得到Jason一1与T／P每个对应周期后 向散射系数偏差的 RMS和 STD，如图 2。Jason一1 ‘a’数据与 T／P全部同步段数据后向散射系数偏差 的平均值为 2．398 dB，RMS为 4-2．402 dB，STD为 4-0．144 dB。Jason．1‘b’数据的平均值为 2．498 dB，RMS为 4-2．505 dB，STD为 4-0．178 dB。 从图1和图2可以看出，Jason一1‘b’数据较 ‘a’ 数据有了一定的提高。CNES给出21个周期的T／P 数据与Jason．1‘a’和‘b’同步段数据的有效波高平 均偏差都是 8 cm左右，后向散射系数的平均偏差是 一 2．40 dB ，与本文结果吻合较好。 巨三三 ▲—．、▲ ▲—．_— ●—- ’ ’ 4 7 10 13 周期 (a1反向散射系数偏差 RMS 巨三三 4 7 10 13 16 周期 (b)反向散射系数偏差 STD 图2 Jason一1两种数据与 T／P数据后 向散射系数差值 RMS和 STD Fig．2 RMS and STD of differences of backscatter coeffi— cient between two version of Jason一1 data and T／P data 将Jason一1测高卫星数据经式(1)改正后的海 面高采取上述同样方法得到与 T／P各对应同步周 期改正后海面高差值的RMS如图3(a)，统计得到 所有同步段数据 Jason一1‘a’海面高偏差的平均值 为 15．834 cm，RMS为 4-16．409 cm，STD为 4-4．296 cm。Jason一1‘b’海面高偏差的平均值为 13．472 cm，RMS为 4-14．200 cm，STD为 4-4．484 cm。Ja— son．1两种数据与 T／P数据各周期的单星交叉点不 符值如图3(b)所示。 从图3(a)可以看出Jason．1两种数据与 T／P数 据所得的海面高还存在一定的偏差，Jason一1用户手 册从测高数据与地面校正站的比较中也给出了两者 有 131 4-5 mm的偏差 J，与本文 Jason一1‘b’数据的 结果吻合较好，而 Jason一1‘a’数据的差值可以归结 为数据本身改正不完善。图3(b)也验证了Jason一1 ‘b’数据好于‘a’数据观测精度，且与T／P数据观测 精度相当，从而论证了Jason一1测高卫星能够以相当 的精度完成 T／P卫星的后续任务。 3．2 地球物理改正项比较 卫星测高的主要目的是得到高精度的海面高， 而海面高的精度一方面取决于卫星测高基本观测量 的精度，另一方面是各项地球物理改正项。本文对 海平面高度改正中的所有地球物理改正项进行了分 析 ，包括本文第 2节的改正项模型和算法的比较，以 及本节的实际观测数据的比较。 舛 m脯一 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 金涛勇等：JASON一1与T／P测高卫星同步段数据比较分析 75 巨三三 ·。 卜 ．· W ’ 吖 — l 4 7 l0 l3 lb 蒯期 fb)海面高交叉点小符值KMS 图3 Jason一1两种数据与rr／P数据海面高差值及交叉点 不符值 RMS Fig．3 RMS of differences of sea surface height and cross— overs between Jason．．1 two version data and T／P da．． ta 采用上述同样方法，得到各同步周期拟合后观 测点上的各项地球物理改正项偏差的RMS如表2 (Jason一1‘a’)，表 3(Jason-1‘b’)。 从表 2和表 3可以看出，在所有的地球物理改 正项中，较大偏差的有双频电离层改正、海洋潮汐改 正、海况改正和逆气压改正。其中以海况改正偏差 最大，也是两者海面高差值的主要来源。究其原因， 可能是所采用算法不同，T／P的海况改正使用 BM4 的经验模式，是关于海面风速和有效波高的多项式； Jason．1的海况改正是一张有效波高和海面风速表 的双线性插值，基于一种新的参数拟合 ，如有2 113 的有效波高，海况偏差的大小将会达到 0．5～ 1．0％，即 1～2 cm¨4 J。目前，海况偏差改正的精度 是研究的难点和热点，最好的估计方法也是基于测 高数据的经验模型。此外，海洋潮汐改正项的偏差 也较大，可能是近海潮汐变化复杂，卫星测高数据在 近海区域改正不精确，这也是 目前潮汐研究的难点。 而电离层改正项偏差是本身所决定的，由于电离层 影响的弥散性，在2 113有效波高的情况下，测高双频 电离层改正的精度为 ±0．5 cm4¨ J。逆气压改正项在 T／P数据中采用了每个周期的平均大气压代替观测 点的ECMWF模型大气压计算，由此产生的偏差可 能达到多于30 cmll J，Jason．1数据直接采用 ECMWF 模型大气压计算，因此出现本文的偏差也是正常的。 比较表2和表 3，Jason．1‘b’数据相对于‘a’数 据，海况偏差改正改进最大，这也说明了海况偏差改 正的精度是在不断的提高；其次，对流层湿分量改正 也有一定的提高，‘a’数据中的微波辐射计对流层 湿分量改正存在异常的变化 J，而‘b’数据作了很 好的修正。 4 结论 l3年间，T／P卫星给人类提供了迄今时间序列 最长，测量精度最高的单星海洋高度计观测资料。 表2 Jason-1‘a’版本数据与T／P数据对应同步周期各项地球物理改正项的差值RMS(单位：mm) Tab．2 RMS of geophysical corrections between differences of Jason-1 version(a)data th T／P data in synchronous cycle(unit：nln1) 兰 维普资讯 http://www.cqvip.com 76 大地测量与地球动力学 27卷 表3 Jason-1‘b’版本数据与 T／P数据对应同步周期各项地球物理改正项差值 RMS(单位：inln) Tab．3 RMS of geophysical corrections between differences of Jason-1 version(b)data th T／P data in synchronous cycle(unit：mm) 本文对其后续卫星Jason一1测高观测数据的分析结 果，验证了它与 T／P卫星具有相当的实际观测精 度，能够较好地延续 T／P观测任务，但两者观测得 到的海平面高度存在一定的系统偏差，在联合这两 种数据计算平均海平面、监i贝0海平面变化等的时候， 要首先消除该系统偏差。此外，从上述分析可以看 出，两者某些地球物理改正项采用的模型或算法不 同所引起的改正偏差较大，因此，联合应用多种测高 数据，对高精度要求下可以考虑用相同的改正模型 重新计算各测高数据的地球物理改正项，同时还应 注意统一各测高数据基准 。 Reference 姜卫平．卫星测高技术在大地测量学中的应用[D]．武 汉 ：武汉大学，2000． Jiang Weiping．The application of satellite altimetry in geode- sy[D]．Wuhan：Wuhan University，2000．(in Chinese) 2 金涛勇．多源卫星测高数据的基准统一[M]．武汉：武汉 大学，2006． 2 Jin Taoyong．Datum unification of multi—satellite altimetric data[M]．Wuhan：Wuhan University，2006．(in Chinese) 3 AVISO．AVISO USER HANDBOOK：MERGED Topex／Po— seidon PRODUCTS(GDR—Ms)，AVI—NT一02—101一 CN，Edit．3．0，1996． 4 Picot N．Case K．Desai S and Vincent P．“AVISO and PO． DAAC User Handbook．IGDR and GDR Jason Products”． SMM—MU—M5一OP一13184一CN(AVISO)，JPL D一 21352(PODAAC)，20o6． 5 Ablain M．Philipps S and Dorandeu J．Jason一1 valid~ion and cross calibration activities．Contract No 03／CNES／1340／00 一 DSO310 一 lot2．C，CIs．D0s／N1I／05．241，2oo6． 6 Gaspar P，Labroue S and Ogor F．Improving non—parametric estimates of the sea．—state bias in radar altimeter measure—- ments of sea—level[J]．J ofAtmos Oceanic Technol，2002， 19：1 690—1 707． 维普资讯 http://www.cqvip.com