周興華楊 磊徐永生朱 琳

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.山東科技大學 海洋工程技術(shù)學院,山東 青島266590;3.中國科學院 海洋研究所,山東 青島266071;4.山東科技大學 測繪科學與技術(shù)學院,山東 青島266590)

經(jīng)歷30余a的發(fā)展,衛(wèi)星測高獲得的海面動力學資料已成為物理海洋學、大地測量學等學科的重要基石[1-2]。至今全球已發(fā)射了數(shù)十顆不同系列高度計衛(wèi)星,從早期的SEASAT[3]、Geosat[4]到現(xiàn)在的Jason-3[5]、Sentinel3[6]等,數(shù)據(jù)觀測精度從最初的米級提高到現(xiàn)在的3 cm 左右[2],2011年和2017年我國分別發(fā)射的HY-2A 和HY-2B高度計衛(wèi)星使我國具備了衛(wèi)星海洋動力觀測的業(yè)務(wù)化能力,HY-2A/B 全球測高資料在國際測高領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[7-12]。由于不同系列衛(wèi)星高度計的測量偏差各有差異,同一顆衛(wèi)星高度計的測量偏差也可能隨儀器老化等原因而產(chǎn)生漂移,這就需要開展持續(xù)性的定標檢驗工作[13-15]。

定標檢驗(Calibration Validation)是監(jiān)測衛(wèi)星高度計測量數(shù)據(jù)偏差和系統(tǒng)漂移的基本手段,是保障業(yè)務(wù)化衛(wèi)星資料精度和質(zhì)量長期一致性和連續(xù)性的關(guān)鍵[16-18]。定標檢驗通常是利用地面實測真值評估衛(wèi)星測量的精度和質(zhì)量,地面實測真值通常又包含:1)具有參考橢球基準的驗潮站[19];2)GNSS浮標[20-23];3)有源定標器[24-26];4)全球驗潮站網(wǎng)、海底壓力傳感器、Argo網(wǎng)[27-30]①LEGEAIS J F.Validation of altimeter data by comparison with in-situ T/S argo profiles,2012.等。上述地面實測數(shù)據(jù)中以統(tǒng)一基準的驗潮站和GNSS浮標使用最為廣泛,而有源定標器等方法的應(yīng)用研究偏少[13]。

目前國外主要的定標場:美國NASA 運行的Harvest石油平臺定標場[31-33]、法國CNES運行的Corsica定標場[6,34-38]、希臘克里特理工大學運行的Crete定標場[39-45]、澳大利亞塔斯馬尼亞大學負責的Bass海峽定標場[46-48]。中國建設(shè)的衛(wèi)星高度計定標站點有千里巖定標場[49-52]和珠海萬山綜合定標場等[13,53-55]。這些定標場最長的觀測近30余a,為傳統(tǒng)雷達高度計提供服務(wù),對于探測衛(wèi)星測高偏差,統(tǒng)一衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)基準發(fā)揮了重要作用[16]。

傳統(tǒng)高度計的噪聲水平被限定在100 km 以上的空間分辨率[56-57],為了以更高的分辨率觀測海洋現(xiàn)象,美國NASA 和法國CNES于2009年正式提出SWOT 干涉雷達高度計計劃②LEE L F,DOUG L A,ERENSTO R,et al.The SWOT(Surface Water and Ocean Topography)mission:spaceborne radar interferometry for oceanographic and hydrological applications,2009.,經(jīng)過10余a的論證和發(fā)展,SWOT 計劃于2022年發(fā)射[58]。該衛(wèi)星將利用干涉雷達測量技術(shù),獲得120 km 寬度刈幅的海面高度信息,使高度計觀測中尺度、亞中尺度海洋現(xiàn)象成為可能,對于進一步研究海洋和全球氣候變化的互相作用具有重大意義[59]。同時該衛(wèi)星還將觀測高分辨率的陸地水表面高度,對研究氣候變化和全球陸地水分布、儲量變化的相互作用意義重大[60]。然而目前現(xiàn)有的定標檢驗技術(shù)均服務(wù)于傳統(tǒng)星下點高度計,其點對點式的定標方法很難適用于具有百余公里寬度刈幅的干涉雷達高度計[61]。如何利用地面實測資料實現(xiàn)干涉雷達高度計的定標檢驗已經(jīng)成為國內(nèi)外學者所關(guān)注的重點問題之一[59,62]。因此,NASA 研制了AirSWOT 機載干涉雷達高度計系統(tǒng),并進行了相關(guān)定標檢驗試驗[63-64],開發(fā)了SWOT simulator模擬程序以及SWOT OSSE定標檢驗?zāi)M系統(tǒng)[61,65-66]③GAULTIER L,UBELMANN C,FU L L.SWOT simulator documentation,2017.,進行SWOT 短波分量的定標檢驗?zāi)M工作;我國也開展了相應(yīng)的預(yù)研工作,其中“天宮”二號搭載全球首個成像雷達高度計獲取了高分辨率的寬刈幅海面高度[67],我國也開展了機載干涉雷達高度計飛行試驗,對衛(wèi)星載荷原型進行了性能檢驗和評估[62,68]。

1 SWOT定標檢驗技術(shù)

圖1 SWOT 干涉衛(wèi)星高度計工作原理以及誤差波數(shù)譜需求④DANIEL E F.SWOT project mission performance and error budget revision A:JPL D-79084,2017.Fig.1 Conceptual illustration of the SWOT mission measurement and the sea surface height error spectrum requirement as a function of wavenumber④

SWOT 主要載荷包括Ka波段的雷達干涉計(KaRIN),它可以通過干涉測量方式獲取海洋和陸地水的二維高度信息,此外還有一個傳統(tǒng)的剖面高度計載荷用于星下點測量,在這種測量模式下,SWOT 可以覆蓋寬20～120 km、平行于基線方向的范圍,其網(wǎng)格像素大小在10～70 m 范圍,在垂直于基線方向可以獲得高達2.5 m 的理論分辨率④DANIEL E F.SWOT project mission performance and error budget revision A:JPL D-79084,2017.(圖1)。在7.5 km×7.5 km的范圍內(nèi),通過濾波可以使SWOT噪聲水平降低到2cm2/(cycle·km-1),而Jason系列的噪聲水平約為100 cm2/(cycle·km-1)[69],因此SWOT 對海洋信號的分辨能力與傳統(tǒng)高度計比較提高一個數(shù)量級,其對海洋信號的目標分辨率高達15 km[65]。針對SWOT二維海面高度特征以及全新的科學目標,其定標檢驗也有別于傳統(tǒng)高度計,例如傳統(tǒng)高度計的定標檢驗?zāi)康闹饕獮楂@取測高偏差,并以均值和均方根誤差的形式進行評估,而SWOT 的定標檢驗開創(chuàng)性地將高度計誤差分解為波數(shù)譜的形式[69],并設(shè)定2個目標:大地測量檢驗和海洋學定標檢驗。其中大地測量檢驗主要評估SSH(Sea Surface Height)是否滿足SWOT 波數(shù)譜的科學需求,主要可用的設(shè)備包括GNSS和LiDAR;海洋學檢驗主要是評估SWOT 滿足既定科學目標的能力,如亞中尺度海洋信號的探測等,可用的現(xiàn)場測量設(shè)備有溫鹽潛標、Glider、海洋上層剖面儀等⑤⑥FU L L.Ocean in-situ Cal Val,2018.。此外SWOT 還觀測陸地水域,因此其定標檢驗也在河流湖泊開展,目前國外已經(jīng)利用機載干涉雷達高度計和GNSS浮毯、無人船、LiDAR 等開展了河流觀測和定標檢驗⑦⑧FROIDEVAL L,LAIGNEL B,PICOT N.Cal Val LiDAR,2018.。

1.1 海洋長波信號定標

結(jié)合SWOT 的科學目標,其海洋領(lǐng)域的定標檢驗需在15～1000 km 波長范圍內(nèi)開展,其中短波部分(15～120 km)需使用現(xiàn)場觀測資料進行定標檢驗,而長波部分(120～1000 km)則使用SWOT 攜帶的Jason型傳統(tǒng)高度計[59,70]。研究表明,Jason級的傳統(tǒng)高度計在大于100 km 波長范圍海洋信號強于噪聲,在SWOT 刈幅寬度120 km 處的信噪比為5,具備在長波部分評估SWOT 的條件[59],但Jason系列高度計無法識別小于70 km 波長的海洋信號[71](圖2)。Wang等詳細研究了SWOT 傳統(tǒng)高度計評估干涉雷達高度計長波信號的能力,考慮了SWOT 誤差與沿軌距離的相關(guān)性,選擇刈幅的內(nèi)邊緣(距離星下點最近)和中間線(儀器噪聲最小)分別與傳統(tǒng)高度計比較波數(shù)譜,通過模擬實驗證明傳統(tǒng)高度計可評估最短為120 km 波長的SWOT 數(shù)據(jù)[70],因此僅波長小于120 km 的海洋信號需要通過現(xiàn)場觀測進行檢驗。

圖2 Jason-2和Jason-1串聯(lián)任務(wù)觀測的波數(shù)譜以及SWOT 傳統(tǒng)高度計對干涉高度計長波信號的定標波長概率分布函數(shù)Fig.2 The sea surface height wavenumber spectra of Jason-1 and Jason-2 during the tandem mission and the probability function of the globally sampled nadir scale for SWOT

1.2 海洋短波信號檢驗

SWOT 設(shè)計的主要科學目標之一為通過海面地形觀測海洋亞中尺度現(xiàn)象,因此SWOT 短波部分的定標檢驗非常重要[61,66]。由于SWOT 攜帶的傳統(tǒng)高度計可在長波部分對SSH 進行評估,故地面觀測主要用于SWOT 短波部分(15～120 km)的定標檢驗。為了開展短波信號的定標檢驗,SWOT 設(shè)計了總計90d、重訪周期1 d的快速Cal/Val飛行軌道,和傳統(tǒng)高度計比較,該設(shè)計可大大提高時間分辨率,提高地面固定定標場的定標檢驗效率[69]。短波信號的定標檢驗同樣采用波數(shù)譜的形式,可利用的定標檢驗數(shù)據(jù)包括機載LiDAR、機載干涉高度計和海上實測資料等。目前除了機載數(shù)據(jù),尚無海面現(xiàn)場觀測資料可以提供15～120 km 波長的可靠波數(shù)譜,通過現(xiàn)場觀測資料評估SWOT 短波信號是一項具有挑戰(zhàn)性的工作[69]。Wang等研究了利用固定站位Glider、溫鹽錨系定標檢驗SWOT 短波信號的可行性,為使現(xiàn)場觀測資料能滿足15 km波長的信號解析能力,站位空間間隔至少為7.5 km,為滿足150 km 的最大波長信號解析能力,需沿著SWOT 軌跡布設(shè)20個觀測站位[61]。Wang等結(jié)合傳統(tǒng)高度計解析長波信號的能力修改了短波信號的上限波長為120 km[70],因此現(xiàn)場站位數(shù)可降低為16個。此外,NASA 關(guān)于GNSS浮標用于SWOT 短波定標檢驗的可行性正在評估之中[69]⑨HAINES B,DESAI S,MEINIG C,et al.Status,results and plans for development of GPS buoys:potential for SWOT in-situ Cal-Val,2018.。然而成像雷達高度計獲得的直接海面高度信息為相對于參考橢球的SSH,如與Glider/溫鹽錨系結(jié)果比較,需要轉(zhuǎn)化成動力高度SLA,因此定標結(jié)果中將包含大地水準面誤差。目前大地水準面在短波分量的誤差尚難以確定[72-73],所以在實際的海洋定標過程中可能產(chǎn)生由大地水準面誤差引起的潛在問題。

圖3 SWOT 和現(xiàn)場設(shè)備模擬的波數(shù)譜誤差[61]Fig.3 Simulated wavenumber spectra of SWOT and field facilities[61]

因機載干涉雷達高度計存在顯著的wave-bunching效應(yīng),機載LiDAR 將替代AirSWOT 進行SWOT短波信號的定標檢驗[74]。美國Scripps海洋研究所開發(fā)了一套MASS(Modular Aerial Sensing System)系統(tǒng),主要攜帶機載地形測量LiDAR、視頻、紅外高光譜成像儀等設(shè)備,可以直接觀測SSH、海浪譜和海流等參數(shù)[74]。因為海洋表面真實值難以確定,所以MASS選擇不變的地面目標且與海洋波動類似的沙丘進行了系統(tǒng)噪聲檢驗,結(jié)果如圖4所示,MASS的噪聲水平在傳統(tǒng)高度計之下,符合SWOT 需求。然而MASS尚未在海洋領(lǐng)域獲得可靠的結(jié)論,主要原因是缺少海上實測資料支持15～120 km 的準確波數(shù)譜觀測,相關(guān)研究仍在進行之中。

圖4 MASS在沙漠中觀測的高度波數(shù)譜和SWOT 目標誤差⑩Fig.4 MASS lidar height error spectra obtained over the dunes,with the SWOT ocean requirements and typical nadir altimetry signal levels overlaid⑩ LENAIN L,MELVILLE K,STATOM N,et al.Broad range airborne ocean topography measurements:Modular Aerial Sensing System(MASS)in support of SWOT Calval,2019.

1.3 AirSWOT河流定標檢驗

SWOT 陸地水觀測的科學目標為直接觀測地表水面高度,并進一步獲得水儲量、流量、洪水動力等參數(shù),陸地水觀測的誤差分配(error budget)包含高度誤差、坡度誤差和水分類誤差,SWOT設(shè)計的陸地水表面高度測量目標為1 km2面積平均后的誤差不大于10 cm,坡度測量目標為10 km 長度誤差不大于1 cm/km,對面積大于250 m2的水體或者寬度大于100 m 的河流識別誤差小于15%。和傳統(tǒng)高度計比較SWOT 可以觀測不低于70 m 分辨率的二維陸地水文信息,通過觀測水面坡度可估計得到水流速度、流量等信息,對于研究水文動力學意義重大[75-78]。

圖5 AirSWOT 河流測量實驗區(qū)域及WSE觀測的定標檢驗結(jié)果[63]Fig.5 Location of the Tanana River study by AirSWOT,and the Cal/Val results from the WSE measurement[63]

為驗證SWOT 所設(shè)定的科學目標能否實現(xiàn),美國科學家利用AirSWOT 干涉雷達高度計進行了大量的河流觀測定標檢驗試驗[63-64]⑩LENAIN L,MELVILLE K,STATOM N,et al.Broad range airborne ocean topography measurements:Modular Aerial Sensing System(MASS)in support of SWOT Calval,2019.。AirSWOT 河流定標檢驗地點之一是美國阿拉斯加州的Tanana河,通過機載干涉雷達高度計得到了河流的水面高度(Water Surface Elevation,WSE)和水面坡度兩個參數(shù),地面驗證數(shù)據(jù)采用船載測繪型GPS和河底壓力計。該試驗結(jié)果表明,AirSWOT觀測到的WSE誤差均方根為9.0 cm(1 km 平均),坡度均方根誤差為1.0 cm/km(10 km 長度),符合SWOT 科學目標的精度需求,因此未來可使用AirSWOT 開展SWOT 陸地水域的現(xiàn)場定標檢驗工作[63]。此外,AirSWOT 在美國俄勒岡州的Willamette河也開展了定標檢驗試驗,其WSE誤差均方根為11.6 cm,坡度誤差均方根為3.2 cm/km[64],與文獻[63]有所不同,高出SWOT 的目標誤差值,這也表明SWOT 的地面定標檢驗仍舊存在挑戰(zhàn)和不確定性。

2 中國干涉雷達高度計定標檢驗技術(shù)

目前我國多家機構(gòu)也計劃研制干涉雷達高度計,其中“觀瀾”衛(wèi)星是一顆由青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室牽頭研發(fā)的干涉雷達高度計衛(wèi)星,除干涉雷達高度計外,“觀瀾”還計劃搭載激光雷達進行海洋的剖面觀測,“觀瀾”干涉雷達高度計的主要科學目標與SWOT 類似,也是海洋中尺度和亞中尺度海洋信號的觀測[79]。但“觀瀾”干涉雷達高度計設(shè)計參數(shù)與SWOT 略有不同,其設(shè)計的刈幅寬度為166.4 km,觀測信息的像素大小為5 km,設(shè)定的目標是識別10 km 尺度的亞中尺度海洋信息。為了驗證“觀瀾”干涉雷達高度計的概念設(shè)計,目前已開展機載海洋觀測進行定標試驗[62]。

2.1 機載系統(tǒng)定標檢驗

機載干涉雷達高度計系統(tǒng)(Airborne Interferometric Radar Altimeter System,AIRAS)設(shè)計波段為Ka波段,刈幅覆蓋范圍為1 km(3000 m 高度,1°～15°入射角),預(yù)期測量精度為3.4 cm。2019年3月自然資源部第一海洋研究所等在青島小麥島海域進行了機載觀測和現(xiàn)場定標檢驗試驗,現(xiàn)場觀測設(shè)備為2套同類型的GNSS測高浮標,同時搜集了小麥島海洋觀測站采集的驗潮、氣象、波浪等資料,通過GNSS靜態(tài)測量和水準測量,統(tǒng)一了小麥島驗潮站和機載資料的參考基準面。如何利用有限的GNSS浮標對機載干涉雷達高度計的二維海面高度數(shù)據(jù)進行評估是一項前人所未涉及的研究,由于GNSS僅提供固定點位的SSH 時間序列(1 Hz),而機載干涉雷達高度計則測量二維SSH(原始分辨率0.3 m),因此無法使用直接比較的辦法進行誤差分析。對此,提出一種適用于GNSS浮標評估二維海面高度的方法,對于時空域中波浪引起的海平面高程(Wind-induced Sea Surface Elevation,WSSE)的均勻場,假定以下3個陳述正確[62]:

1)如果被測WSSE的時間序列足夠長,則在域內(nèi)任何位置測得的WSSE的方差都相同;

2)如果被測WSSE的面積足夠大,則域內(nèi)隨時測量的WSSE的方差相同;

3)如果條件1)和2)為真,則波浪引起的WSSE在空間和時間上是均勻的場,并且1)和2)的方差相等。

進而通過功率密度譜分析可以得到空間域的波數(shù)譜和時間域的頻率譜,通過積分可以獲得海洋波動信號方差,GNSS浮標和機載數(shù)據(jù)的在時空域的積分方差差異可視為二者的總體差異。然而時空域的波數(shù)譜采用了不同的數(shù)學單位,因此無法直接分析誤差在單獨的空間域或者時間域的分布特征。為此,Yang等[62]提出一種時空譜統(tǒng)一方法,通過頻散關(guān)系和方差守恒關(guān)系可以得到:

式中:f為頻率;k為波數(shù);S和Q分別為時間域和空間域的能量密度函數(shù)。

通過上述轉(zhuǎn)換關(guān)系可統(tǒng)一GNSS浮標一維時間頻率譜和機載干涉雷達高度計二維空間波數(shù)譜,使之在同樣的坐標單位下進行比較。結(jié)果表明,機載干涉雷達高度計和GNSS浮標的方差差異小于8 cm2,對應(yīng)約2.8 cm 的標準偏差,二者波數(shù)譜的相關(guān)性大于0.9,表明二者在頻率域的方差分布具有很高的一致性。

圖6 機機載干涉雷達高度計和GNSS浮標統(tǒng)一后風浪引起的海面高度波數(shù)譜比較[64]Fig.6 Unified VPSin frequency domain of Wind-induced Sea Surface Elevation measured by AIRAS and GNSS buoys[64]

2.2 衛(wèi)星定標檢驗計劃

我國“觀瀾”干涉雷達高度計設(shè)計的定標方案同SWOT 相似,同樣采用波數(shù)譜的方式進行誤差評估。目前我國在西太平洋、印度洋、南海等海域布設(shè)了溫鹽潛標,這些已有的設(shè)施可為我國相關(guān)衛(wèi)星的定標檢驗提供潛在的數(shù)據(jù)支持,衛(wèi)星發(fā)射后的定標檢驗計劃還包括布設(shè)GNSS 浮標陣列、PIES(Pressure-sensorequipped Inverted Echo Sounders)陣列,以及在南海石油平臺安裝GNSS、驗潮儀定標設(shè)備等[79]。

圖7 “觀瀾”任務(wù)的定標示意圖[79]Fig.7 A schematic illustration of calibration/validation facility for the′Guanlan′mission[79]

3 其他方法

除現(xiàn)場觀測和機載激光測量方法,SWOT 二維海面高度的誤差評估還可以采用交叉譜分析方法[80]。由于SWOT 的觀測數(shù)據(jù)誤差源多樣(如地球物理誤差、儀器誤差等),并且測量誤差和距離向的長度相關(guān),如何定量分離各項誤差成為一項挑戰(zhàn)性的研究。Ubelmann等研究表明利用交叉譜分析可以探測雷達距離向的絕大多數(shù)誤差并給出能量密度譜,對于天線滾動誤差、相位誤差、基線膨脹誤差具有非常高的精度[80]。由于SWOT 的誤差評估采用的波數(shù)譜的策略,因此交叉譜誤差分析的方法對于SWOT 的定標檢驗具有一定的適用性。此外,該方法還可用于SWOT 數(shù)據(jù)去噪及計算誤差協(xié)方差等方面,對于SWOT 網(wǎng)格數(shù)據(jù)產(chǎn)品的制作有一定價值。交叉定標也是SWOT 干涉雷達高度計數(shù)據(jù)定標檢驗的方法之一[81-82],Dibarboure等研究表明利用經(jīng)驗交叉定標方法可以探測并顯著降低SWOT 天線的姿態(tài)誤差,例如由天線基線長度誤差和翻滾誤差帶來的最大可為70 cm 的誤差通過交叉定標可降低為2 cm[82]。

4 挑戰(zhàn)和展望

SWOT 及其同類型干涉雷達高度計的科學目標之一是通過二維海面高度的觀測來解析海洋中尺度和亞中尺度信號,因此設(shè)定的目標分辨率為10～15 km,較傳統(tǒng)高度計高出一個數(shù)量級。干涉雷達高度計通過InSAR 技術(shù)進行海面高觀測,與傳統(tǒng)高度計測量方式不同,其測量方式和科學目標使得定標檢驗具有一定的挑戰(zhàn)性,且尚無成熟經(jīng)驗可以借鑒。其主要挑戰(zhàn)可簡述為以下幾方面:1)衛(wèi)星干涉雷達高度計觀測亞中尺度海洋信號本身即一項具有挑戰(zhàn)性的工作,實現(xiàn)此目標應(yīng)首先將干涉雷達高度計儀器噪聲水平控制在約2 cm2/(cycle·km),較現(xiàn)在傳統(tǒng)雷達高度計的噪聲水平需提高2個數(shù)量級,因此對儀器硬件噪聲控制以及數(shù)據(jù)濾波算法都提出了很高要求,特別是在利用機載干涉雷達高度計標定衛(wèi)星數(shù)據(jù)時,機載資料的噪聲水平不應(yīng)高于衛(wèi)星的噪聲水平,同理對浮標、PIES等現(xiàn)場設(shè)備也存在噪聲水平的控制問題;2)干涉雷達高度計定標的主要目標之一是獲得噪聲誤差譜,分析其在不同尺度(特別是亞中尺度)的誤差水平,平均海平面模型(MSS)或者大地水準面模型(Geoid)是海洋動力信號提取的重要參考基準,MSS包含了大地水準面高度和穩(wěn)態(tài)海面地形(Mean Dynamic Topography,MDT)高度,MSS是海面高度異常(SLA)的參考基準,大地水準面是絕對動力高度(Absolute Dynamic Topography,ADT)的參考基準[83],目前常用的MSS模型為多年測高平均模型(如DTU MSS 2018),大地水準面模型為理論模型EGM2008等,其中多年測高數(shù)據(jù)平均得到的MSS模型忽略了可能存在的亞中尺度的季節(jié)性變化,其引入的誤差可能對分離較弱的亞中尺度海洋信號帶來干擾,進而影響誤差譜分析,因此解決MSS基準模型在亞中尺度波段的精度評估和優(yōu)化格外重要[72]。

本文對SWOT 發(fā)展至今10余年內(nèi)的國外定標檢驗工作和研究成果進行了總結(jié)分析,并對我國相關(guān)的同類型干涉雷達高度計的機載定標檢驗工作做了闡述。由于SWOT 和我國的同類衛(wèi)星都尚未發(fā)射,目前絕大部分工作都是基于理論模擬數(shù)據(jù)開展,在真實海洋中的相關(guān)機載定標檢驗工作依舊缺乏。目前美國NASA/JPL證實AirSWOT 尚不具備海洋亞中尺度信號的定標檢驗?zāi)芰?而轉(zhuǎn)為采用機載激光測高系統(tǒng)MASS,這也給我國的相關(guān)機載試驗帶來啟示,需盡早開展機載干涉雷達高度計的海洋觀測性能分析,并對海洋干涉雷達高度計數(shù)據(jù)處理算法進行優(yōu)化設(shè)計,論證是否可以滿足相關(guān)要求。SWOT 和我國同類衛(wèi)星的科學目標之一還包括陸地水域測高,因此陸地水域的定標檢驗也是重要工作之一。陸地河、湖、濕地等資源是寶貴的自然資源,通過新型干涉雷達高度計觀測其水位、儲量和流量意義重大,我國在開展海洋領(lǐng)域定標檢驗研究同時,建議同步考慮陸地水域的測高定標研究工作。

參考文獻(References):

[1]XU Y S,GAO L,ZHANG Y H.New generation altimetry satellite SWOT and its reference to China′s swath altimetry satellite[J].Remote Sensing Technology and Application,2017,32(1):84-94.徐永生,高樂,張云華.美國新一代測高衛(wèi)星SWOT 及對我國寬刈幅干涉衛(wèi)星的發(fā)展借鑒[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2017,32(1):84-94.

[2]CHELTON D,RIES J,HAINES B,et al.Satellite altimetry and earth sciences:a handbook of techniques and applications[M].California:Academic Press,2001.

[3]TAPLEY B D,BORN G H,PARKE M E.The SEASAT altimeter data and its accuracy assessment[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,1982,87(C5):3179-3188.DOI:10.1029/JC087iC05p03179.

[4]CHENEY R E,DOUGLAS B C,MILLER L.Evaluation of Geosat altimeter data with application to tropical Pacific sea level variability[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,1989,94(C4):4737-4747.DOI:10.1029/JC094iC04p04737.

[5]BIANCAMARIA S,SCHAEDELE T,BLUMSTEIN D,et al.Validation of Jason-3 tracking modes over French rivers[J].Remote Sensing of Environment,2018(209):77-89.DOI:10.1016/j.rse.2018.02.037.

[6]BONNEFOND P,LAURAIN O,EXERTIER P,et al.Calibrating the SAR SSH of Sentinel-3A and CryoSat-2 over the Corsica facilities[J/OL].Remote Sensing,2018,10(1):92.http:∥www.mdpi.com/2072-4292/10/1/92.DOI:10.3390/rs10010092.

[7]CHEN N,HAN G,YANG J,et al.Hurricane Sandy storm surges observed by HY-2A satellite altimetry and tide gauges[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2014,119(7):4542-4548.DOI:10.1002/2013jc009782.

[8]LI M,ZHAO C,ZHAO Y,et al.Polar sea ice monitoring using HY-2A scatterometer measurements[J].Remote Sensing,2016,8(8):688.DOI:10.3390/rs8080688.

[9]JIANG X W,LIN M S,ZHANG Y G.An overview of HY-2 satellite ground application system[J].Strategic Study of CAE,2014,16(6):4-12.蔣興偉,林明森,張有廣.HY-2 衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)綜述[J].中國工程科學,2014,16(6):4-12.

[10]YANG L,ZHOU X H,WANG Z Y,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.楊磊,周興華,王朝陽,等.基于GNSS浮標和驗潮資料的HY-2A 衛(wèi)星雷達高度計絕對定標[J].海洋學報,2017,39(1):111-120.

[11]PENG H L,LIN M S,MU B,et al.Global statistical evaluation and performance analysis of HY-2A satellite radar altimeter data[J].Haiyang Xuebao,2015,32(7):54-66.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.

[12]ZHU C,GUO J,HWANG C,et al.How HY-2A/GM altimeter performs in marine gravity derivation:assessment in the South China Sea[J].Geophysical Journal International,2019,219(2):1056-1064.DOI:10.1093/gji/ggz330.

[13]YANG L,ZHOU X H,XU Q J,et al.Current status of satellite altimeter calibration[J].Journal of Remote Sensing,2019,23(3):392-407.楊磊,周興華,徐全軍,等.衛(wèi)星高度計定標現(xiàn)狀[J].遙感學報,2019,23(3):392-407.DOI:10.11834/jrs.20198262.

[14]ANDERSEN O B,CHENG Y.Long term changes of altimeter range and geophysical corrections at altimetry calibration sites[J].Advances in Space Research,2013,51(8):1468-1477.DOI:10.1016/j.asr.2012.11.027.

[15]BROWN S,DESAI S,KEIHM S,et al.Microwave radiometer calibration on decadal time scales using on-earth brightness temperature references:application to the TOPEX microwave radiometer[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2009,26(12):2579-2591.DOI:10.1175/2009jtecha1305.1.

[16]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.

[17]BONNEFOND P,HAINES B J,WATSON C.In situ absolute calibration and validation:a link from coastal to open-ocean altimetry[M/OL].VIGNUDELLI S,KOSTIANOY A G,CIPOLLINI P.∥Coastal Altimetry.Springer Berlin Heidelberg,2011:259-296.http:∥dx.doi.org/10.1007/978-3-642-12796-0_11.DOI:10.1007/978-3-642-12796-0_11.

[18]LEULIETTE E W,NEREM R S,MITCHUM G T.Calibration of TOPEX/Poseidon and Jason altimeter data to construct a continuous record of mean sea level change[J].Marine Geodesy,2004,27(1-2):79-94.

[19]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.DOI:10.1080/714044520.

[20]XU X,XU K,SHEN H,et al.Sea surface height and significant wave height calibration methodology by a GNSS buoy campaign for HY-2A altimeter[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2016,9(11):5252-5261.

[21]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.DOI:10.1029/94jc00920.

[22]CHADWELL C D,BOCK Y.Direct estimation of absolute precipitable water in oceanic regions by GPS tracking of a coastal buoy[J].Geophysical Research Letters,2001,28(19):3701-3704.

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

[24]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].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2015(9):5229-5236.

[25]ZHEN G A O.Simulations of satellite-borne altimeter tracking system with transponder in calibration test[J].International Journal of Remote Sensing,1993,14(2):365-382.DOI:10.1080/01431169308904342.

[26]WANG C,GUO W,ZHAO F,et al.Development of the reconstructive transponder for in-orbit calibration of HY-2A altimeter[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2015,9(6):2709-2719.

[27]CHAMBERS D,RIES J,SHUM C,et al.On the use of tide gauges to determine altimeter drift[J].Journal of Geophysical Research:Oceans(1978-2012),1998,103(C6):12885-12890.

[28]FENOGLIO-MARC L,SCH?NE T,ILLIGNER J,et al.Sea level change and vertical motion from satellite altimetry,tide gauges and GPS in the indonesian region[J].Marine Geodesy,2012,35(Suppl.1):137-150.DOI:10.1080/01490419.2012.718682.

[29]VALLADEAU G,LEGEAIS J F,ABLAIN M,et al.Comparing altimetry with tide gauges and Argo profiling floats for data quality assessment and mean sea level studies[J].Marine Geodesy,2012,35(Suppl.1):42-60.DOI:10.1080/01490419.2012.718226.

[30]GE L,XU Y S,YIN B S.Comparison of sea surface height anomalies derived by pressure-sensor-equipped inverted echo sounder[J].Marine Sciences,2016,40(2):128-135.葛磊,徐永生,尹寶樹.日本海西南海域現(xiàn)場觀測和衛(wèi)星高度計獲取的海面高度距平的比較研究[J].海洋科學,2016,40(2):128-135.

[31]CHRISTENSEN E J,HAINES B J,KEIHM SJ,et al.Calibration of TOPEX/POSEIDON at platform harvest[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,1994,99(C12):24465-24485.DOI:10.1029/94jc01641.

[32]HAINES B J,DESAI S 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(Suppl.1):91-113.DOI:10.1080/01490419.2010.491028.

[33]MNARD Y,JEANSOU E,VINCENT P.Calibration of the TOPEX/POSEIDON altimeters at Lampedusa:additional results at harvest[J].Journal of Geophysical Research:Oceans(1978-2012),1994,99(C12):24487-24504.

[34]BONNEFOND P,EXERTIER P,MENARD Y,et al.Calibration of radar altimeters and validation of orbit determination in the Corsica-Capraia area[J].Molecular Human Reproduction,1997,15(414):205-213.

[35]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.DOI:10.1080/714044521.

[36]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(Suppl.1):80-90.

[37]BONNEFOND P,EXERTIER P,LAURAIN O,et al.SARAL/AltiKa absolute calibration from the multi-mission corsica facilities[J].Marine Geodesy,2015,38(Suppl.1):171-192.

[38]GOURINE B,KAHLOUCHE S,EXERTIER P,et al.Corsica SLR positioning campaigns(2002 and 2005)for satellite altimeter calibration missions[J].Marine Geodesy,2008,31(2):103-116.DOI:10.1080/01490410802053658.

[39]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.DOI:10.1016/j.asr.2015.10.016.

[40]MERTIKAS S P,DASKALAKIS A,TZIAVOS I N,et al.Ascending and descending passes for the determination of the altimeter bias of Jason satellites using the gavdos facility[J].Marine Geodesy,2011,34(3-4):261-276.DOI:10.1080/01490419.2011.584837.

[41]MERTIKAS S P,DASKALAKIS A,TZIAVOS I N,et al.First calibration results for the SARAL/AltiKa altimetric mission using the gavdos permanent facilities[J].Marine Geodesy,2015(Suppl.1):249-259.

[42]MERTIKAS S P,DASKALAKIS A,TZIAVOS I N,et al.Altimetry,bathymetry and geoid variations at the Gavdos permanent Cal/Val facility[J].Advances in Space Research,2013,51(8):1418-1437.DOI:10.1016/j.asr.2012.10.021.

[43]PAVLIS E C,MERTIKASS P.The GAVDOS mean sea level and altimeter calibration facility:results for Jason-1[J].Marine Geodesy,2004,27(3-4):631-655.DOI:10.1080/01490410490902106.

[44]TZIAVOS I N,VERGOS G S,MERTIKAS S P,et al.The contribution of local gravimetric geoid models to the calibration of satellite altimetry data and an outlook of the latest GOCE GGM performance in Gavdos[J].Advances in Space Research,2013,51(8):1502-1522.DOI:10.1016/j.asr.2012.06.013.

[45]MERTIKAS,DONLON,VUILLEUMIER,et al.An action plan towards fiducial reference measurements for satellite altimetry[J].Remote Sensing,2019,11(17):1993.DOI:10.3390/rs11171993.

[46]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.DOI:10.1080/01490410490465373.

[47]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.DOI:10.1080/01490419.2011.584834.

[48]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.DOI:10.1080/714044522.

[49]LEI Y,XINGHUA Z,P.M S,et al.First calibration results of Jason-2 and Saral/AltiKa satellite altimeters from the Qianliyan permanent facilities[J].Advances in Space Research,2017,59(12):2831-2842.

[50]ZHOU X,YANG L,LIN M,et al.Absolute calibration of HY-2,Jason-2 and Saral/AltiKa from China in-situ calibration site:Qian Li Yan[C]∥2015 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).DOI:10.1109/IGARSS.2015.7326616.

[51]ZHOU X,YANG L,LEI N,et al.Calibration results of multiple satellite altimetry missions from QianliYan permanent CAL/VAL facilities[C]∥2017 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).DOI:10.1109/IGARSS.2017.8127392.

[52]ZHOU X,YANG L,WANG Y,et al.Research progress of satellite altimeter calibration in China[C]∥IGARSS 2019-2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.DOI:10.1109/IGARSS.2019.8898571.

[53]ZHANG Y F,JIANG X W,MA C F.The progress of the altimeter calibration based on the in-situ observation[J].Remote Sensing Technology and Application,2019,34(6):1190-1196.張宇飛,蔣興偉,馬超飛.基于現(xiàn)場觀測的星載雷達高度計定標方法進展[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2019,34(6):1190-1196.

[54]ZHAN Y G,LIN M S.Research progress of calibration site and calibration method of satellite altimeter[J].Marine Science Bulletin,2007,26(3):87-92.張有廣,林明森.衛(wèi)星高度計海上定標場及定標方法研究進展[J].海洋通報,2007,26(3):87-92.

[55]LIU Y L.Research on HY-2 radar altimeter sea height calibration technology[D].Qingdao:Ocean University of China,2014.劉亞龍.HY-2雷達高度計海面高度定標技術(shù)研究[D].青島:中國海洋大學,2014.

[56]XU Y,FU L L.The effects of altimeter instrument noise on the estimation of the wave number spectrum of sea surface height[J].Journal of Physical Oceanography,2012,42:2229-2233.

[57]XU Y,FU L L.Global variability of the wavenumber spectrum of oceanic mesoscale turbulence[J].Journal of Physical Oceanography,2011,41:802-809.

[58]CHEVALIER L,DESROCHES D,LAIGNEL B,et al.High-resolution SWOT simulations of the macrotidal seine estuary in different hydrodynamic conditions[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2019,16(1):5-9.DOI:10.1109/LGRS.2018.2862470.

[59]FU L L,UBELMANN C.On the transition from profile altimeter to Swath altimeter for observing global ocean surface topography[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2014,31(2):560-568.DOI:10.1175/JTECH-D-13-00109.1.

[60]PRIGENT C,LETTENMAIER D P,AIRES F,et al.Toward a high-resolution monitoring of continental surface water extent and dynamics,at global scale:from GIEMS(Global Inundation Extent from Multi-Satellites)to SWOT(Surface Water Ocean Topography)[M/OL]∥CAZENAVE A,CHAMPOLLION N,BENVENISTE J.Remote Sensing and Water Resources.Cham:Springer International Publishing,2016:149-165[2018-10-17].https:∥doi.org/10.1007/978-3-319-32449-4_7.DOI:10.1007/978-3-319-32449-4_7.

[61]WANG J,FU L L,QIU B,et al.An observing system simulation experiment for the calibration and validation of the surface water ocean topography sea surface height measurement using in situ platforms[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2017,35(2):281-297.DOI:10.1175/JTECH-D-17-0076.1.

[62]YANG L,XU Y,ZHOU X H,et al.Calibration of an airborne interferometric radar altimeter over the Qingdao coast sea,China:10[J].Remote Sensing,2020,12(10):1651.DOI:10.3390/rs12101651.

[63]ALTENAU E H,PAVELSKY T M,MOLLER D,et al.AirSWOT measurements of river water surface elevation and slope:Tanana river,AK[J].Geophysical Research Letters,2017,44(1):181-189.DOI:10.1002/2016GL071577.

[64]TUOZZOLO S,LIND G,OVERSTREET B,et al.Estimating river discharge with Swath altimetry:a proof of concept using AirSWOT observations[J].Geophysical Research Letters,2019,46(3):1459-1466.DOI:10.1029/2018GL080771.

[65]WANG J,FU L L,TORRES H S,et al.On the spatial scales to be resolved by the surface water and ocean topography Ka-band radar interferometer[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2019,36(1):87-99.DOI:10.1175/JTECH-D-18-0119.1.

[66]LI Z,WANG J,FU L L.An observing system simulation experiment for ocean state estimation to assess the performance of the SWOT mission:part 1 a twin experiment[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2019,124(7):4838-4855.DOI:10.1029/2018JC014869.

[67]ZHANG Y,SHI X,WANG H,et al.Interferometric imaging radar altimeter on board Chinese Tiangong-2 space laboratory[C]∥2018 Asia-Pacific Microwave Conference(APMC).DOI:10.23919/APMC.2018.8617189.

[68]CHEN H,GUO W,YANG S B,et al.A method of calibration of SAR altimeter[J].Journal of Electronics&Information Technology,2017,39(9):2232-2237.諶華,郭偉,楊雙寶,等.一種合成孔徑雷達高度計定標方法[J].電子與信息學報,2017,39(9):2232-2237

[69]MORROW R,FU L-L,ARDHUIN F,et al.Global observations of fine-scale ocean surface topography with the surface water and ocean topography(SWOT)mission[J/OL].Frontiers in Marine Science,2019,6[2020-04-04].https:∥www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00232/full.DOI:10.3389/fmars.2019.00232.

[70]WANG J,FU L L.On the long-wavelength validation of the SWOT KaRIn measurement[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2019,36(5):843-848.DOI:10.1175/JTECH-D-18-0148.1.

[71]DUFAU C,ORSZTYNOWICZ M,DIBARBOURE G,et al.Mesoscale resolution capability of altimetry:present and future[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2016,121(7):4910-4927.DOI:10.1002/2015JC010904.

[72]PUJOL M I,SCHAEFFER P,FAUGRE Y,et al.Gauging the improvement of recent mean sea surface models:a new approach for identifying and quantifying their errors[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2018,123(8):5889-5911.DOI:10.1029/2017JC013503.

[73]DIBARBOURE G,PUJOL M I.Improving the quality of sentinel-3A data with a Hybrid Mean Sea Surface Model,and implications for sentinel-3B and SWOT[J/OL].Advances in Space Research,2019[2020-04-12].http:∥www.sciencedirect.com/science/article/pii/S027311771930434X.DOI:10.1016/j.asr.2019.06.018.

[74]MELVILLE W K,LENAIN L,CAYAN D R,et al.The modular aerial sensing system[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2016,33(6):1169-1184.DOI:10.1175/JTECH-D-15-0067.1.

[75]BARATELLI F,FLIPO N,RIVIèRE A,et al.Retrieving river baseflow from SWOT spaceborne mission[J].Remote Sensing of Environment,2018,218:44-54.DOI:10.1016/j.rse.2018.09.013.

[76]GRIPPA M,ROUZIES C,BIANCAMARIA S,et al.Potential of SWOT for monitoring water volumes in Sahelian Ponds and Lakes[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2019:1-9.DOI:10.1109/JSTARS.2019.2901434.

[77]DOMENEGHETTI A,SCHUMANN G J-P,FRASSON R P M,et al.Characterizing water surface elevation under different flow conditions for the upcoming SWOT mission[J].Journal of Hydrology,2018,561:848-861.DOI:10.1016/j.jhydrol.2018.04.046.

[78]BIANCAMARIA S,DURAND M,ANDREADIS K M,et al.Assimilation of virtual wide swath altimetry to improve Arctic river modeling[J].Remote Sensing of Environment,2011,115(2):373-381.DOI:10.1016/j.rse.2010.09.008.

[79]CHEN G,TANG J,ZHAO C,et al.Concept design of the"Guanlan"science mission:China′s novel contribution to space oceanography[J].Frontiers in Marine Science,2019,6.

[80]UBELMANN C,DIBARBOURE G,DUBOIS P.A cross-spectral approach to measure the error budget of the SWOT altimetry mission over the ocean[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2017,35(4):845-857.DOI:10.1175/JTECH-D-17-0061.1.

[81]DIBARBOURE G,UBELMANN C.Investigating the performance of four empirical cross-calibration methods for the proposed SWOT mission[J].Remote Sensing,2014,6(6):4831-4869.

[82]DIBARBOURE G,LABROUE S,ABLAIN M,et al.Empirical cross-calibration of coherent SWOT errors using external references and the altimetry constellation[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,50(6):2325-2344.DOI:10.1109/TGRS.2011.2171976.

[83]XIE L,ZHENG Q,TIAN J,et al.Cruise observation of Rossby waves with finite wavelengths propagating from the Pacific to the South China Sea[J].Journal of Physical Oceanography,2016,46(10):2897-2913.DOI:10.1175/JPO-D-16-0071.1.