楊磊，周興華*，王朝陽,2，梁冠輝，唐秋華，周東旭,2，雷寧,2，楊龍，穆博

(1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；3.國家衛(wèi)星海洋應用中心 定標檢驗部，北京 100081)

?

基于GNSS浮標和驗潮資料的HY-2A衛(wèi)星高度計絕對定標

楊磊1，周興華1*，王朝陽1,2，梁冠輝1，唐秋華1，周東旭1,2，雷寧1,2，楊龍1，穆博3

(1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；3.國家衛(wèi)星海洋應用中心 定標檢驗部，北京 100081)

為探測我國HY-2A衛(wèi)星高度計海面高測量絕對偏差及其在軌運行狀態(tài)，本文利用GNSS浮標星下點同步測量和驗潮資料海面高傳遞方法在山東千里巖和珠海擔桿島海域開展定標研究。為驗證GNSS浮標定標方法的準確性，還對國外衛(wèi)星Jason-2和Saral進行了定標實驗。實驗表明GNSS浮標絕對海面高測量精度達2 cm，對Jason-2和Saral高度計多個周期定標得到的海面高偏差均值分別為5.7 cm和-2.3 cm，與國際專門定標場的結(jié)果符合較好。2014年9月和2015年5月HY-2A衛(wèi)星高度計浮標定標結(jié)果分別是-65 cm和-91 cm，因兩次結(jié)果差異顯著，故又利用千里巖驗潮站資料對HY-2A衛(wèi)星高度計第56至73周期進行了定標分析，結(jié)果證明HY-2A衛(wèi)星海面高存在約-51 cm/a的漂移，置信度為95%的回歸分析表明浮標和驗潮定標結(jié)果符合。本文研究結(jié)果表明在我國尚無專門定標場的情況下，可利用GNSS浮標對我國高度計實施靈活、精準的在軌絕對定標，在有高度計軌跡經(jīng)過驗潮站的情況下可使用驗潮資料結(jié)合精密大地水準面模型進行絕對定標。

GNSS浮標；絕對定標；HY-2A；Saral/AltiKa；Jason-2

1 引言

精確測定全球海平面變化對于研究海洋對全球氣候變化的影響具有重要意義，隨著衛(wèi)星測高技術的發(fā)展，衛(wèi)星海面高測量的精度已達到2～3 cm[1—2]，已成為全球海平面監(jiān)測的重要的手段。2011年我國發(fā)射了首顆HY-2A衛(wèi)星高度計，并計劃發(fā)射后續(xù)的系列高度計衛(wèi)星，這對于提升我國的海洋監(jiān)測能力具有重要意義[3—4]。除了HY-2A衛(wèi)星，目前主要的在軌衛(wèi)星高度計還有Jason-2和 2013年印度法國合作的Saral/AltiKa高度計[5]，另外于2016年1月17日Jason-2的后續(xù)星Jason-3也已成功發(fā)射并在軌運行。多顆衛(wèi)星高度計同步觀測可顯著提高海面高時空分辨率，對研究中小尺度的全球和局部海洋變化具有重要的意義[6-7]。然而各高度計可能存在不同的系統(tǒng)偏差，同一顆高度計也可能出現(xiàn)因儀器老化帶來的漂移現(xiàn)象[8]，因此為了保證不同測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)的長期一致性和可靠性，通常在衛(wèi)星運行期間需要在專門的海上定標場進行在軌絕對海面高(SSH)定標，以確定其SSH觀測的系統(tǒng)性偏差，并通過改正引起偏差的誤差源來提高數(shù)據(jù)的觀測精度和質(zhì)量，實現(xiàn)不同衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)融合和精密銜接[8]。

國外衛(wèi)星高度計(如Jason-2&3和Saral/AltiKa等)通過國際專門定標場獲取了海面高絕對偏差，對于了解衛(wèi)星在軌工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)改進起到積極作用，這些定標場主要位于美國Harvest石油平臺[9—11]、澳大利亞Bass海峽[12—14]、法國Corsica島[7,15—16]，以及希臘Crete島[17—18]，多數(shù)定標場已經(jīng)跟隨不同的衛(wèi)星任務持續(xù)運行了數(shù)十年。目前我國公開了HY-2A衛(wèi)星高度計IGDR數(shù)據(jù)，但國內(nèi)外對其開展的絕對定標研究仍然不足，對HY-2A 數(shù)據(jù)的推廣應用和誤差改正都有一定的限制。由于我國尚未建立專門的高度計定標場，因此通過國際合作，希臘Crete島定標場給出了對HY-2A 第54至62周期SGDR的定標結(jié)果為(-27±3)cm[18]，然而由于定標時間長度較短，該結(jié)果并未探測到Wan等利用有源定標器在陸地發(fā)現(xiàn)的HY-2A USO漂移現(xiàn)象[19]。此外彭海龍等利用全球驗潮網(wǎng)絡對早期的HY-2A IGDR第1至30周期數(shù)據(jù)進行了相對定標分析[20]，并對HY-2A 第44周期的IGDR數(shù)據(jù)與Jason-2同期數(shù)據(jù)進行了差異的統(tǒng)計分析[21]，然而研究表明HY-2A第51周期之前的數(shù)據(jù)可靠性較差[18,22]，且其研究屬于星間交叉分析，故仍未確定HY-2A的絕對偏差結(jié)果以及漂移現(xiàn)象。

研究表明在無專門定標場的情況下可利用GNSS浮標開展衛(wèi)星標定研究[23-24]，該方法是將GNSS浮標直接布放到衛(wèi)星星下點進行同步海面高觀測，和傳統(tǒng)的驗潮站定標方式比較具有靈活、經(jīng)濟的特點，并可減小大地水準面梯度誤差的影響，Harvest平臺、Bass海峽和Corsica定標場均使用過GNSS浮標定標[25—27]。國內(nèi)關于高精度海面測高的GNSS浮標研究依然較少[28]，其中陳春濤等利用其研制的浮標開展了高度計定標試驗，但浮標測高偏差有7.40 cm[29—30]。另一種無定標場情況下的定標方法是利用衛(wèi)星軌跡附近的驗潮資料進行定標[31]，主要是利用GPS測量和水準測量對驗潮數(shù)據(jù)的參考基準面進行統(tǒng)一，對驗潮站的地理位置和大地水準面精度有特定要求。故針對我國HY-2A IGDR數(shù)據(jù)絕對定標的問題，本文對HY-2A開展了多期的GNSS浮標的星下點同步觀測，為驗證HY-2A浮標定標的精度，還對已知絕對偏差的Jason-2和Saral高度計進行定標試驗。另外由于浮標測量試驗獲得的HY-2A定標數(shù)據(jù)較少，因此在千里巖海洋站開展了水準連測，統(tǒng)一潮位基準面，利用驗潮資料對HY-2A第56周期至73周期的歷史觀測數(shù)據(jù)進行了定標分析。

2 定標海域

千里巖附近的衛(wèi)星軌跡分布情況以及GNSS浮標布放點如圖1a所示，經(jīng)過該海域的衛(wèi)星軌跡有Jason-2的第153軌跡、Saral的第735軌跡和HY-2A的第147軌跡，均為上升軌跡，即海面高觀測時間序列與緯度增大方向?qū)?，衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)質(zhì)量受陸地影響小。其中Jason-2和Saral衛(wèi)星軌跡距離千里巖島的最近距離約2 km，HY-2A軌跡距離千里巖最近約為20 km，因此千里巖定標場具有一島監(jiān)控多星的特點。另外千里巖遠離大陸，星載微波輻射計不受陸地影響，對高度計距離測量提供的大氣濕延遲改正也相對準確。通過分析Jason-2和Saral衛(wèi)星高度計的SGDR波形數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該島對雷達波形數(shù)據(jù)無影響，符合開闊海域的波形特征，因此千里巖在空間位置上是前述系列高度計的一個理想定標地點。另一處定標實驗地點位于香港南側(cè)的擔桿島，HY-2A的第203軌跡從此經(jīng)過，同樣該軌跡為升軌。

在2014年7月至10月期間選擇了衛(wèi)星集中過境的3次時間窗口，共進行了7次有效定標實驗，圖1a中圓點表示GNSS浮標布放在Jason-2和Saral衛(wèi)星軌跡交叉點，HY-2A的定標點則選擇了離島最近點。2015年5月在珠海擔桿島海域開展了一次HY-2A的定標試驗，GNSS浮標為圖1b中黃點所示，基站位于圖中五角星表示的擔桿尾。另外由于HY-2A浮標定標次數(shù)偏少，本文還利用千里巖驗潮資料對數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的HY-2A 第56周期至73周期進行定標分析。

3 現(xiàn)場測量與數(shù)據(jù)處理

3.1 浮標測量方案設計

用于本次實驗的浮標設計吸收了波浪騎士浮標和桿狀浮標的優(yōu)點，能夠高精度測量所在海域的瞬時海面高，而且能夠?qū)y量的數(shù)據(jù)進行姿態(tài)補償。浮標GNSS天線高經(jīng)近岸同步驗潮檢驗精度可達1 cm，動態(tài)海面高測高精度達到2 cm[32]。

圖1 定標千里巖海域(a)和珠海擔桿島海域(b)衛(wèi)星軌跡分布和浮標布放點，等值線為DTU平均海面高度Fig.1 Satellite ground tracks and GNSS buoy locations at the Qianliyan (a) and Dangan (b) calibration sites，the isoline is from the DTU MSS model

日期過境時間衛(wèi)星軌道周期號定標點經(jīng)緯度2014-07-0805:33SaralP735A1436.250°N,121.350°E2014-07-0819:00Jason-2P153A22136.250°N,121.350°E2014-09-1605:33SaralP735A1636.250°N,121.350°E2014-09-1604:53Jason-2P153A22836.250°N,121.350°E2014-09-1817:41HY-2AP147A7836.241°N,121.185°E2014-10-1522:50Jason-2P153A23136.070°N,121.240°E2014-10-1617:41HY-2AP147A8036.070°N,121.240°E2015-05-0218:23HY-2AP203A9421.877°N,114.187°E

本文將GNSS浮標接收機的采樣頻率設置為1 Hz，在衛(wèi)星過境之前2小時利用測量船移至定標點。由于千里巖GNSS連續(xù)運行站的采樣頻率為30 s，不利于解算1 Hz的浮標數(shù)據(jù)，因此在千里巖山頂一處控制點布設一臺GNSS參考站，采樣率設置為1 Hz，為獲得其精確三維坐標持續(xù)觀測超過4 d時間。該參考站將用于解算浮標動態(tài)坐標，并與千里巖驗潮井進行精密水準連測，使驗潮的水位觀測基準統(tǒng)一到WGS-84橢球參考面。在珠海擔桿島的定標試驗中GNSS參考站架設在擔桿尾，觀測時長超過5 d，其參數(shù)設置同千里巖參考站。

3.2 GNSS數(shù)據(jù)解算

GNSS數(shù)據(jù)處理分為2部分，首先將GNSS參考站的絕對位置坐標在與測高衛(wèi)星(Jason-2，Saral和HY-2A)一致的ITRF2008框架下進行解算，這一步主要為解算GNSS浮標SSH定義基準，其次是采用GNSS動態(tài)解算技術計算GNSS浮標的SSH連續(xù)觀測結(jié)果。

GNSS參考站坐標利用麻省理工學院開發(fā)的GAMIT/GLOBK[33—34]解算，參與千里巖參考站解算的區(qū)域IGS(International GNSS Service)站分布如圖2所示。由于GAMTI解算方案已經(jīng)趨于標準化[12,35]，本次試驗的GNSS數(shù)據(jù)處理也采用標準化的處理策略，主要參數(shù)設置為：基線處理模式RELAX(松弛解)，電離層延遲模型為LC-HELP觀測值，對流層模型為Saastamoninen，光壓模型為BERN模型，固體潮改正IERS03，考慮到海洋潮汐對解算結(jié)果的影響，數(shù)據(jù)解算時引入全球海潮模型FES2004改正。GLOBK分析得到的GNSS參考站的大地高精度為±9.3 mm。

圖2 參考站解算所用IGS站點分布Fig.2 Distribution of the IGS sites used in processing reference station

GNSS浮標的解算采用麻省理工學院開發(fā)TRACK軟件[36]，它屬于GAMIT/GLOBK軟件包中的一個動態(tài)雙差定位模塊，可以解算每一個歷元的GNSS天線相位中心三維坐標、接收機鐘差以及大氣延遲改正等，通過TRACK解算得到的GNSS浮標SSH精度估計可優(yōu)于20 mm[7]。利用其解算浮標動態(tài)數(shù)據(jù)時選擇的數(shù)據(jù)處理策略為：選擇一個穩(wěn)固且坐標精確已知的基準站，基于GNSS雙差定位模型消除接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差等未知參數(shù)，采用雙頻無電離層組合方法消除電離層一階項的折射影響，并在處理過程中加入接收機和衛(wèi)星天線相位中心位置偏差、固體潮及大氣延遲等多項改正，最后采用卡爾曼濾波法逐歷元進行參數(shù)估計，得到GNSS浮標和參考站之間的坐標差值，并進一步得到ITRF2008框架下的GNSS浮標1 Hz海面高度。

利用TRACK解算浮標數(shù)據(jù)獲得的瞬時海面高時間序列包含長周期潮位變化、中長周期的潮波、海浪的變化以及短周期的浮標上下起伏變化，本文采用姿態(tài)改正和“滑動平均”低通濾波方法消除這些因素的影響，其中姿態(tài)改正數(shù)據(jù)來自浮標姿態(tài)傳感器，浮標SSH的解算結(jié)果例子如圖3所示。

圖3 GNSS浮標解算結(jié)果示例Fig.3 Example of the GNSS buoy SSH solutionsa.4 h時長的浮標SSH時間序列，曲線表示濾波后的浮標SSH序列，豎線表示衛(wèi)星過境時刻; b.衛(wèi)星過境前后5 min的時間序列a. Four hours’ time series of GNSS buoy measured SSH, in which the curve line shows the filtered SSH and the vertical line shows the satellite passing time；b. five minutes’ time series of SSH before and after satellite passing through

3.3 驗潮資料

本文采用的驗潮數(shù)據(jù)為10 min采樣數(shù)據(jù)，時間跨度為2013年11月至2014年7月，覆蓋了HY-2A第56周期至73周期觀測區(qū)間。由于千里巖驗潮站高程基準面是獨立參考面，本研究通過精密水準連測獲得了驗潮基本水準點和GPS控制點之間的高差，將驗潮海面高歸算到WGS-84參考橢球?；舅疁庶c和GPS點的距離約100 m，水準測量閉合差為1 mm，具有較高的精度。由于927大地水準面模型主要是通過船測重力以及測高數(shù)據(jù)反演得到，是我國近海高精度大地水準面模型，且通過和GNSS浮標實測數(shù)據(jù)的比較，二者的一致性要優(yōu)于DTU模型，因此本文將利用該模型用于驗潮資料定標方法中的高程傳遞。

3.4 GNSS浮標測量與模型精度評定

利用在千里巖海洋觀測站設立的長期驗潮儀對GNSS浮標觀測的海面高做了精度驗證，由于千里巖海域大地水準面具有顯著梯度變化，本文分別利用平均海面高模型DTU10和我國927測繪工程提供的我國近岸大地水準面模型(927模型)進行海面梯度改正，并且通過多點浮標實測數(shù)據(jù)檢驗兩種模型的相對精度。圖4表示放置在Jason-2和Saral交叉點位置以及HY-2A星下點的浮標SSH與驗潮站的比較，二者分別距離千里巖驗潮站約2 km和20 km。圖5表示驗潮站與GNSS浮標SSH具體的差異時間序列，其中圖5a表示2 km處的浮標與驗潮站差異，統(tǒng)計表明采用DTU10模型改正后的二者差異為(3.6±2)cm，采用927模型改正則二者差異為(2.2±2)cm。圖5b為20 km處的SSH差異分布，顯然是有趨勢變化的，這主要是由于20 km的距離將帶來顯著的潮汐特征差異(2 km處的差異在毫米級，因此影響可忽略不計)，因此必須進行潮汐改正才可以比較。本文利用了中國近海精度較高的NAO.99Jb潮汐預報模型進行潮汐差異分析與改正，圖5c表示對浮標SSH進行潮汐差異的補償改正結(jié)果，其中曲線表示浮標SSH原始值，兩側(cè)豎線表示潮汐差異的改正量，改正之后浮標和驗潮站的差異分布變?yōu)閳D5d，可見加改正之前存在的趨勢已得到消除，統(tǒng)計表明經(jīng)過DTU10模型改正后的二者差異為(-2±2)cm，采用927模型則差異為(1.2±2)cm。結(jié)論表明20 km和2 km處的浮標SSH測量均具有約2 cm的精度，與驗潮站測量較好符合。另外研究發(fā)現(xiàn)采用DTU模型改正后2 km和20 km處的差異均值之差為5.6 cm，若采用927模型二者差異僅為1 cm，說明在我國近岸927大地水準面模型精度優(yōu)于DTU10模型。

圖4 驗潮站和GNSS浮標SSH比較Fig.4 The SSH time series of tide gauge and the GNSS buoy

4 高度計數(shù)據(jù)處理與定標方法

4.1 高程基準統(tǒng)一

GPS衛(wèi)星采用的參考橢球是WGS-84參考橢球(長軸6 378 137m，扁率1/ 298. 257 223 563)，HY-2A、Jason-2和Saral衛(wèi)星則采用的T/P橢球參數(shù)(長軸6 378 136.3 m，扁率1/298.257)，因此需要將衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)與GNSS浮標以及驗潮資料統(tǒng)一參考橢球。

由參考橢球參數(shù)不一致引起的海面高差異可利用下面的計算公式計算：

(1)

4.2 測高數(shù)據(jù)處理與絕對偏差計算

基于驗潮站或者GNSS浮標定標的測高數(shù)據(jù)處理方法基本一致，衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理主要包括沿軌最近點(PCA)的位置確定和PCA點SSH的內(nèi)插確定，其中PCA點指距GNSS浮標或者驗潮站最近的沿軌星下點。國外研究者對高度計定標中的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與絕對偏差計算方法做了深入研究，制定了較為優(yōu)化的處理策略，本文的測高數(shù)據(jù)處理(包括內(nèi)插方法、改正項處理等)主要參考Mertikas發(fā)表的研究成果[18,37]，計算高度計星下點PCA位置的SSH與高度計絕對偏差的主要流程如下：

(1)讀取GDR數(shù)據(jù)集中的1 Hz干延遲、濕延遲、電離層延遲和海況偏差的位置和數(shù)值。對于HY-2A，由于第73周期后的干濕延遲值無效，故在浮標定標方法中采用GNSS浮標反演的大氣對流層總延遲替代，而基于驗潮資料的定標方法中則選擇HY-2A第56至73周期數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的IGDR數(shù)據(jù)進行研究。

圖5 驗潮站與GNSS浮標的SSH差異和潮汐改正(a表示2 km處差異，b表示20 km處差異，c表示對20 km處浮標的潮汐改正，d表示正后的20 km處差異)Fig. 5 SSH difference between the tide gauge and the GNSS buoy deployed 2 km (a) and 20 km (b) from the island; tide correction for the GNSS buoy at the 20 km location (c);SSH difference between tide gauge and GNSS buoy after corrected by tide model (d)

(2)讀取定標點兩側(cè)高頻的Ku(20 Hz)或Ka波段(40 Hz)測距值和衛(wèi)星高度值。

(3)參考(I)GDR產(chǎn)品手冊，過濾異常值。

(4)通過統(tǒng)計分析消除1 Hz改正參數(shù)數(shù)據(jù)中可靠性較差的部分。

(5)對1 Hz地球物理改正參數(shù)進行多項式擬合，并內(nèi)插出20 Hz或者40 Hz的改正參數(shù)。

(6)使用20 Hz或者40 Hz的改正參數(shù)對高頻距離值進行改正。

碼頭拆除前，施工船舶在碼頭附近開挖拋錨較為困難，可采用拋設備用錨的方式：乘高潮時用錨艇將備用錨拋至碼頭后方，將錨上的鋼絲繩引至碼頭海側(cè)放置，并設置浮標標示，抓斗船拋錨時，將船上錨纜與已拋備用錨錨纜對接即可。在碼頭沉箱拆除一段后，錨艇可正常出入碼頭后方，此時可直接采用錨艇將錨拋至碼頭后方，不再需要拋設備用錨。

(7)對高頻距離值進行分析，消除異常值和不可靠值。

(8)對高頻的距離值進行平滑處理，內(nèi)插出PCA點的距離值。

(9)讀取(I)GDR中高頻衛(wèi)星軌道高度，并進行平滑處理，內(nèi)插出PCA點軌道高度。

(10)讀取(I)GDR中1 Hz潮汐相關改正參數(shù)，包括固體潮、極潮、海洋載荷潮，并內(nèi)插到PCA位置。

(11) 高度計PCA點的SSH可用式(2)計算：

SSHAlt=hAlt-(rAlt+rCorr+TLCorr)，

(2)

式中，hAlt為高度計軌道的橢球高；rAlt為高度計的距離觀測量；rCorr為距離總改正(干濕延遲、電離層延遲、SSB)；TLCorr為潮汐相關改正(固體潮、極潮、Ocean Loading Tide等)。

(13)浮標和PCA點距離較近，因此不對海洋潮汐差異特征進行改正。利用驗潮資料定標時需要利用NAO.99Jb模型對潮汐差異進行改正。

(14)按照下面的公式可獲得衛(wèi)星測高的絕對偏差：

SSHbias=SSHAlt-SSHinsitu，

(3)

式中，SSHAlt表示衛(wèi)星測高PCA點的海面高度；SSHinsitu表示衛(wèi)星過境時刻的GNSS浮標海面高或者驗潮海面高；SSHbias表示高度計的絕對偏差。

5 定標結(jié)果

通過2014-2015年的GNSS浮標定標試驗，得到了HY-2A以及Jason-2、Saral衛(wèi)星高度計多個周期的絕對偏差。表2為浮標定標結(jié)果，其中Jason-2采用的數(shù)據(jù)版本是GDR-d，試驗得到了3個周期的絕對偏差，其均值為5.7 cm，與希臘定標場2013年公布的結(jié)果2 cm[38]差異為3.7 cm。Saral的數(shù)據(jù)版本是GDR-T，試驗共獲得了2個周期的絕對偏差，其均值為-2.2 cm，與希臘定標場2015年公布的結(jié)果-4.6 cm[18]相差約2.4 cm。本文試驗中的GNSS參考站大地高精度約為±9 mm，浮標動態(tài)雙差解算精度為20 mm，最終GNSS浮標海面高觀測精度估計為±22 mm，另外考慮衛(wèi)星測高SSH的測量精度估計為2～3 cm，因此浮標定標結(jié)果精度約為3.0～3.7 cm，得到的Jason-2和Saral高度計絕對偏差與希臘定標場的結(jié)果差異基本在觀測誤差影響之內(nèi)。

表2 高度計定標結(jié)果

注：“-”表示無實驗數(shù)據(jù)。

圖6 基于驗潮資料和GNSS浮標的HY-2A定標結(jié)果Fig.6 Calibration result of HY-2A based on tide gauge data and GNSS buoy

本文中HY-2A采用的是國家衛(wèi)星海洋應用中心公布的臨時地球物理數(shù)據(jù)IGDR，使用浮標定標方法得到了2個周期的有效定標結(jié)果，分別是第78周期的絕對偏差-65 cm，第94周期的絕對偏差-91 cm。本文利用千里巖驗潮資料對HY-2A第56至73周期的定標結(jié)果如圖6所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在顯著的漂移，其漂移速率為-51 cm/a，圖6繪出了基于驗潮資料計算的置信度為95%的HY-2A絕對偏差線性回歸分析結(jié)果，結(jié)果表明HY-2A的GNSS浮標定標值均在預測區(qū)間內(nèi)，其中第78周期浮標定標值與驗潮資料預測值相差-4.7 cm，第94周期相差1.7 cm，兩種不同定標方法得到的結(jié)果具有一致性。經(jīng)過與國家衛(wèi)星海洋應用中心和國家空間科學中心溝通，確定SSH漂移主要原因是由于高度計星上的超穩(wěn)振蕩器(ultrastable oscillator，簡稱USO)漂移造成的，USO的漂移對衛(wèi)星高度計測距產(chǎn)生了直接影響，進而影響SSH。Wan等利用陸地有源定標器觀測到HY-2A的USO漂移導致的衛(wèi)星測距漂移速率為-40 cm/a[19]，與本文的定標結(jié)果基本符合，差異原因可能在于所用數(shù)據(jù)時間長度不同，另外高度計偏差除了USO漂移外還存在其他誤差源帶來的疊加效應(如星載微波校正輻射計)。本文結(jié)果與希臘專門定標場對HY-2A 第54至62周期的SGDR數(shù)據(jù)定標結(jié)果進行比較，但由于其采用的HY-2A數(shù)據(jù)時間較短，其論文未對HY-2A的漂移進行定量計算，僅給出了HY-2A絕對偏差均值為(-27±3) cm[18]，若統(tǒng)計本研究第56周期至62周期HY-2A 絕對偏差則為(-24.1±6.7) cm，二者差異小于3 cm。

6 結(jié)論

本文利用GNSS浮標和千里巖驗潮資料對HY-2A等多顆高度計進行定標研究，通過同步驗潮站檢驗表明GNSS浮標的SSH測量精度在2 cm左右，滿足高度計的定標需求。本文首先利用GNSS浮標對已知海面高偏差的國外高度計Jason-2和Saral做了定標研究，結(jié)果與希臘Crete定標場結(jié)果符合較好，差異在測量誤差范圍內(nèi)。由于利用GNSS浮標獲得的HY-2A定標結(jié)果較少，本文又利用千里巖驗潮資料分析了HY-2A IGDR第56周期至73周期的絕對偏差，回歸分析結(jié)果表明HY-2A IGDR數(shù)據(jù)的SSH存在約-51 cm/a的漂移，且浮標和驗潮資料得到的HY-2A漂移具有一致性，其海面高偏差從2013年11月的-14 cm變?yōu)?015年5月的-91 cm，并在該時期內(nèi)呈現(xiàn)出顯著的線性規(guī)律。結(jié)合已發(fā)表的地面有源定標器定標結(jié)論，確定USO漂移是造成HY-2A衛(wèi)星高度計SSH線性漂移的主要原因。由于SSH觀測誤差的多元性，HY-2A的SSH漂移可能包含其他因素，例如星載微波校正輻射計觀測的大氣濕延遲，因此在未來的工作中需對此開展研究，進一步的量化各SSH誤差源。

由于目前我國仍未建立專門的高度計定標場，本研究利用了GNSS浮標和驗潮資料對HY-2A IGDR定標，開展了相關的現(xiàn)場測量工作，首次通過海上絕對定標獲得了HY-2A衛(wèi)星高度計的測高偏差以及漂移速率，將為HY-2A 測高數(shù)據(jù)的誤差修正和升級提供依據(jù)，對我國后續(xù)海洋衛(wèi)星高度計的定標以及未來定標場的建設提供參考。

致謝：感謝千里巖海洋觀測站工作人員在試驗期間給予的生活幫助，法國AVISO提供Jason-2和Saral/AltiKa的GDR數(shù)據(jù)，國家衛(wèi)星海洋應用中心提供HY-2A的IGDR數(shù)據(jù)。與希臘克里特理工大學Mertikas教授的討論也對本文非常有益，在此表示感謝。

[1] 蔣濤, 李建成, 王正濤, 等. 聯(lián)合Jason-1與Grace衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究全球海平面變化[J]. 測繪學報, 2010, 39(2): 135.

Jiang Tao, Li Jiancheng, Wang Zhengtao, et al. Global sea level variations from combined Jason-1 and Grace data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2010, 39(2): 135.

[2] Sandwell D T, Mller R D, Smith W H F, et al. New global marine gravity model from Cryosat-2 and Jason-1 reveals buried tectonic structure[J]. Science, 2014, 346(6205): 65-67.

[3] 蔣興偉, 林明森, 張有廣. HY-2衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)綜述[J]. 中國工程科學, 2014, 16(6): 4-12.

Jiang Xingwei, Lin Mingsen, Zhang Youguang. An overview of HY-2 satellite ground application system[J]. Engineering Sciences, 2014, 16(6): 4-12.

[4] Bao L, Gao P, Peng H, et al. First accuracy assessment of the HY-2A altimeter sea surface height observations: cross-calibration results[J]. Advances in Space Research, 2015, 55(1): 90-105.

[5] 楊磊, 周興華, 彭海龍, 等. 基于Jason-2的Saral/AltiKa高度計全球統(tǒng)計評估與交叉定標[J]. 海洋科學進展, 2014, 32(4): 482-490.

Yang Lei, Zhou Xinghua, Peng Hailong, et al. Saral/AltiKa global statistic assessment and cross-calibration with Jason-2[J]. Advances in Marine Science, 2014, 32(4): 482-490.

[6] 鮑李峰，陸洋. 西太平洋海域衛(wèi)星測高重力垂直梯度分布[J]. 武漢大學學報 (信息科學版), 2005, 30(9): 68-71.

Bao Lifeng, Lu Yang. Distribution of vertical graident of altimetry gravity in the Western Pacific[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2005, 30(9): 68-71.

[7] Bonnefond P, Exertier P, Laurain O, et al. Saral/AltiKa absolute calibration from the multi-mission corsica facilities[J]. Marine Geodesy, 2015(S1): 171-192.

[8] Fu L-L，Haines B J. The challenges in long-term altimetry calibration for addressing the problem of global sea level change[J]. Advances in Space Research, 2013, 51(8): 1284-1300.

[9] Christensen E J, Haines B J, Keihm S J, et al. Calibration of TOPEX/Poseidon at platform harvest[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1994, 99(C12): 24465-24485.

[10] Haines B J, Dong D, Born G H, et al. The Harvest experiment: monitoring Jason-1 and TOPEX/Poseidon from a California offshore platform special issue: Jason-1 calibration/validation[J]. Marine Geodesy, 2003, 26(3/4): 239-259.

[11] Haines B J, Desais D, Born G H. The Harvest experiment: calibration of the climate data record from Topex/Poseidon, Jason-1 and the ocean surface topography mission[J]. Marine Geodesy, 2010, 33(S1): 91-113.

[12] Watson C, Coleman R, White N, et al. Absolute calibration of TOPEX/Poseidon and Jason-1 using GPS buoys in Bass Strait, Australia special issue: Jason-1 calibration/validation[J]. Marine Geodesy, 2003, 26(3/4): 285-304.

[13] Watson C, White N, Coleman R, et al. TOPEX/Poseidon and Jason-1: absolute calibration in Bass Strait, Australia[J]. Marine Geodesy, 2004, 27(1/2): 107-131.

[14] Watson C, White N, Church J, et al. Absolute calibration in Bass Strait, Australia: TOPEX, Jason-1 and OSTM/Jason-2[J]. Marine Geodesy, 2011, 34(3/4): 242-260.

[15] Bonnefond P, Exertier P, Laurain O, et al. Absolute calibration of Jason-1 and TOPEX/Poseidon Altimeters in corsica special issue: Jason-1 calibration/validation[J]. Marine Geodesy, 2003, 26(3/4): 261-284.

[16] Bonnefond P, Exertier P, Laurain O, et al. Absolute calibration of Jason-1 and Jason-2 altimeters in Corsica during the formation flight phase[J]. Marine Geodesy, 2010, 33(S1): 80-90.

[17] Pavlis E C, MertiKas S P. The Gavdos mean sea level and altimeter calibration facility: results for Jason-1[J]. Marine Geodesy, 2004, 27(3/4): 631-655.

[18] Mertikas S P, Zhou X, Qiao F, et al. First preliminary results for the absolute calibration of the Chinese HY-2 altimetric mission using the CRS1 calibration facilities in West Crete, Greece[J]. Advances in Space Research, 2015, 57(1): 78-95.

[19] Wan J, Guo W, Zhao F, et al. HY-2A radar altimeter ultrastable oscillator drift estimation using reconstructive transponder with its validation by multimission cross calibration[J]. Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 2015(9): 5229-5236.

[20] 彭海龍, 林明森, 穆博, 等. HY-2A衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)的全球統(tǒng)計評價及質(zhì)量分析[J]. 海洋學報, 2015, 32(7): 54-66.

Peng Hailong, Lin Mingsen, Mu Bo, et al. Global statistical evaluation and performance analysis of HY-2A satellite radar altimeter data[J]. Haiyang Xuebao, 2015, 32(7): 54-66.

[21] 彭海龍. HY-2A衛(wèi)星雷達高度計定標檢驗關鍵技術研究[D]. 青島: 中國海洋大學, 2015.

Peng Hailong. Key technology of HY-2A satellite altimeter calibration[D]. Qingdao：Ocean University of China, 2015.

[22] 楊磊, 周興華, 林明森, 等. HY-2A衛(wèi)星雷達高度計全球IGDR數(shù)據(jù)質(zhì)量評估[J]. 地球物理學進展, 2016, 31(2): 0629-0636.

Yang Lei, Zhou Xinghua, Lin Mingsen,et al. Global statistical assessment and cross-calibration of HY-2A satellite radar altimeter[J]. Progress in Geophysics, 2016, 31(2): 0629-0636.

[23] Chen W, Hu C, Li Z, et al. Kinematic GPS precise point positioning for sea level monitoring with GPS buoy[J]. Journal of Global Positioning Systems, 2004, 3(1/2):302-307.

[24] Watson C, Coleman R, Handsworth R. Coastal tide gauge calibration: A case study at Macquarie Island using GPS buoy techniques[J]. Journal of Coastal Research, 2008，2(4): 1071-1079.

[25] Born G H, Parke M E, Axelrad P, et al. Calibration of the TOPEX altimeter using a GPS buoy[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1994, 99(C12): 24517-24526.

[26] Key K W, Parke M E, Born G H. Mapping the sea surface using a GPS buoy[J]. Marine Geodesy, 1998, 21(1): 67-79.

[27] Watson C S. Satellite altimeter calibration and validation using GPS buoy technology[D]. Tasmania: University of Tasmania, 2005.

[28] 徐曦煜, 王振占, 葉沛, 等. GPS浮標數(shù)據(jù)反演海浪譜的理論仿真與試驗驗證[J]. 海洋學報, 2014, 36(7): 34-44.

Xu Xiyu, Wang Zhenzhan, Ye Pei, et al. The oretically simulation and campaign validation of ocean wave spectrum retrieval from GPS buoy measurements[J]. Haiyang Xuebao, 2014, 36(7): 34-44.

[29] 陳春濤, 閆龍浩, 張曉旭, 等. 基于 GPS 的高度計海面高度定標浮標設計[J]. 中國工程科學, 2014, 16(6): 109-112.

Chen Chuntao，Yan Longhao，Zhang Xiaoxu, et al. Design of buoy for the calibration of altimeter sea surface height based on GPS[J]. Engineering Sciences, 2014, 16(6): 109-112.

[30] 陳春濤, 翟萬林, 張倩, 等. 基于GPS 的測高浮標的設計、研制與測試[J]. 海洋技術學報, 2014, 33(1): 102-108.

Chen Chuntao, Zhai Wanlin, Zhang Qian, et al. Design, manufacture and test of sea surface height buoy for altimeter calibration based on the Global Positioning System[J].Journal of Ocean Technology,2014, 33(1): 102-108.

[31] Dong X, Woodworth P, Moore P, et al. Absolute calibration of the TOPEX/Poseidon altimeters using UK tide gauges, GPS, and precise, local geoid-differences[J]. Marine Geodesy, 2002, 25(3): 189-204.

[32] 周東旭, 周興華, 梁冠輝, 等. GPS浮標天線高的動態(tài)標定方法[J]. 測繪科學, 2015, 40(12): 121-124.

Zhou Dongxu, Zhou Xinghua, Liang Guanhui, et al. Research on dynamic calibration method of GPS buoy antenna heights[J]. Science of Surveying and Mapping, 2015, 40(12): 121-124.

[33] King R, Bock Y. Documentation for the GAMIT GPS Analysis Software[R]. Mass Inst of Technol, Cambridge Mass, 1999.

[34] Herring T, King R, Mcclusky S. GLOBK: Global Kalman Filter Vlbi and GPS Analysis Program Version 10.0[R]. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2002.

[35] Herring T, King R, Mcclusky S. Introduction to GAMIT/GLOBK[R]. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, 2008.

[36] Chen G. GPS Kinematic Positioning for the Airborne Laser Altimetry at Long Valley[D]. Boston: Massachusetts Institute of Technology, 1998.

[37] Mertikas S, Ioannides R, Tziavos I, et al. Statistical models and latest results in the determination of the absolute bias for the radar altimeters of Jason Satellites using the Gavdos facility[J]. Marine Geodesy, 2010, 33(S1): 114-149.

[38] Mertikas S. Latest result for the calibration of Jason and HY-2 using Gavodos/Crete permanent calibration facility[R]. OSTST, Boulder , 2013.

Absolute calibration of sea surface height for HY-2A Satellite altimeter by GNSS buoy and tide gauge data

Yang Lei1, Zhou Xinghua1, Wang Zhaoyang1,2, Liang Guanhui1, Tang Qiuhua1,Zhou Dongxu1,2, Lei Ning1,2, Yang Long1, Mu Bo3

(1.FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China; 2.CollegeofGeodesyandGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China；3.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100081,China)

In order to determine the absolute bias of HY-2A sea surface height (SSH) and monitor the on-orbit working conditions of HY-2A Satellite altimeter, we conducted the absolute calibration experiments in the Qianliyan and Dangan area of China. In this study we adopted two independent methods which are deploying the GNSS buoy under satellite tracks for simultaneous observation and using the tide gauge data combined with the precise geoid model. In addition, for verifying the accuracy of the GNSS buoy calibration method, the Jason-2 and Saral Satellite altimeters, which were already calibrated by international calibration sites, were also calibrated using the same GNSS buoy. The SSH accuracy of the GNSS buoy is estimated to be about 2 cm by comparison with the tide gauge data. The absolute biases of Jason-2 and Saral calibrated by the GNSS buoy are 5.7 cm and -2.3 cm, which are in accordance with the results of the international calibration sites. According to the GNSS buoy the SSH absolute biases for HY-2 are determined to be -65 cm in September 2014 and -91 cm in May 2015, which are changed significantly for the two experiments. Thus in order to quantify the drift velocity of HY-2A SSH and assess the on-orbit working conditions of HY-2A Satellite altimeter more accurately, we used long time series of tide gauge data of the Qianliyan oceanic station to calibrate the cycles 56 to 73 of HY-2A. The drift phenomenon of HY-2A SSH is confirmed by the long-time series altimeter data and the drift velocity is estimated to be -51 cm/a. By the regression analysis with 95% confidence coefficient, the GNSS buoy calibration result of HY-2A is in good accordance with the result from the tide gauge data. From the result of this paper, we conclude that under the condition of no dedicate calibration site the altimeter absolute bias could be determined by GNSS buoy with flexibility and high accuracy and the drift of absolute bias could be quantified by the tide gauge data combined with the precise geoid mode.

GNSS buoy； absolute calibration； HY-2A； Saral/AltiKa；Jason-2

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.012

2016-04-15；

2016-07-14。

國家國際科技合作專項“自主星載高度計海面測高在軌絕對定標關鍵技術研究”(2014DFA21710);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(GY0214G21, GY0214G23,GY02-2011T05)；開展衛(wèi)星海洋測繪應用(WX0316005)。

楊磊(1988—)，男，山東省鄆城縣人，工程師，主要從事海洋測繪研究。E-mail：leiyang@fio.org.cn

*通信作者：周興華(1964—)，男，博士生導師，研究員，主要從事海洋測繪研究。E-mail：xhzhou@fio.org.cn

P715.6

A

0253-4193(2017)01-0111-10

楊磊，周興華，王朝陽, 等. 基于GNSS浮標和驗潮資料的HY-2A衛(wèi)星高度計絕對定標[J]. 海洋學報, 2017, 39(1): 111-120,

Yang Lei, Zhou Xinghua, Wang Zhaoyang, et al. Absolute calibration of sea surface height for HY-2A Satellite altimeter by GNSS buoy and tide gauge data[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 111-120, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.012