卫星测高原理

卫星测高技术是指利用卫星载体携带的高度计，实时测量地球表面高度随时间的变化信息。由于科学技术的发展和限制，卫星测高技术的实际应用起始于20世纪80年代，早期的测高卫星主要用于测量全球海平面的高度及其随时间的变化信息。其典型代表是欧洲和美国联合开发的Topex/Poseidon卫星，其测量精度达到2~3cm。

卫星测高技术的主要原理如图1所示：1利用GPS卫星和地面卫星跟踪系统，实时计算出测高卫星的运行轨迹（经纬度、高度、时间），从而实时得到卫星距地球质心的高度；2 利用星载高度计实时计算卫星到星下点瞬时海面的高度；3 计算星下点的椭球高度。考虑到地球是一个扁圆的旋转椭球体，因此还需要考虑椭球（地球扁率）的影响。

图1 卫星测高原理示意图

海面地形是指海面高度减去大地水准面高。海洋学认为，海面地形主要是由海洋洋流或环流引起的。因此，利用卫星测高资料和大地水准面资料可以研究海洋环流。对于大地测量学和地球物理学来讲，利用长期的卫星测高资料可以得到平均海面高度。长期平均海平面近似认为大地水准面，大地水准面一阶导数即重力异常，由重力异常可以反演海底地形，如图2所示。

图2 卫星测高数据在大地测量及地球物理学方面的应用

早期的测高卫星主要用于研究全球海平面的变化信息。因此，在轨道设计上主要针对纬度±60°以内的海洋变化。随着科学技术的发展和时间的推移，人们越来越渴望了解两极地区冰川冰盖积雪等变化信息，进而研究大气、海洋以及全球气候的变化过程对人类的影响。针对两极地区地形高度变化的特点，人们设计了激光测距卫星（ICESAT），其测量原理和先前的测高卫星一样，只是高度计的设计采用了激光系统。相对于以前的电磁波测高系统，激光系统具有更小的散射半径（地面光斑直径70米），进一步减小了地形起伏对测量结果的影响，其测量原理如图3所示。

图3 ICESAT卫星测量示意图

(詹金刚供稿)

来源：中国科学院测量与地球物理研究所