基于珠海萬山定標(biāo)場(chǎng)沿岸驗(yàn)潮儀的HY-2B雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)研究

張宇飛，蔣興偉，馬超飛*

(1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

1 引言

高度計(jì)從提出至今已有50余年，極大地促進(jìn)了海洋科學(xué)、地球物理、大地測(cè)量等諸多領(lǐng)域的發(fā)展，其精度目前已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí)，能夠很好地滿足人們對(duì)海浪、海流等方面研究的需要。然而，高度計(jì)在對(duì)海面高度進(jìn)行測(cè)量的過程中存在著偏差和偏移，其變量較多，不確定性較大，因此，高度計(jì)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量需要嚴(yán)格的定標(biāo)和驗(yàn)證來保證。衛(wèi)星高度計(jì)的定標(biāo)是指通過獨(dú)立的方法，根據(jù)確定的受控信號(hào)（微波脈沖），定量地定義和比較測(cè)距系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果（海面高度）的過程。目前的高度計(jì)海面高度定標(biāo)分為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)絕對(duì)定標(biāo)與星星交叉相對(duì)定標(biāo)，其中只有絕對(duì)定標(biāo)能夠給出絕對(duì)意義的高度計(jì)定標(biāo)參數(shù)，反映真實(shí)的海面高度。

海洋二號(hào)B衛(wèi)星（HY-2B）是我國第2顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，其于2018年10月26日發(fā)射。該衛(wèi)星集主、被動(dòng)微波遙感器于一體，具有高精度測(cè)軌、定軌與全天時(shí)、全天候、全球探測(cè)能力。雷達(dá)高度計(jì)是HY-2B最重要的一項(xiàng)載荷，其主要功能是用于測(cè)量海面高度、有效波高和海面風(fēng)速，可用于重力場(chǎng)、全球流場(chǎng)等研究。

隨著高度計(jì)定標(biāo)需求日益增加，目前，國際上已經(jīng)建成4個(gè)業(yè)務(wù)化高度計(jì)定標(biāo)場(chǎng)。我國也由于HY-2系列定標(biāo)需要，于珠海萬山HY-2B的星下點(diǎn)附近建立了HY-2系列衛(wèi)星高度計(jì)專用的定標(biāo)場(chǎng)，目前，珠海萬山定標(biāo)場(chǎng)已經(jīng)建設(shè)完成，主要設(shè)備布放于外伶仃島、擔(dān)桿島、直灣島和廟灣島及周邊海域。萬山定標(biāo)場(chǎng)位于HY-2B升軌軌道375與降軌軌道362交叉點(diǎn)附近。萬山定標(biāo)場(chǎng)目前布放有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）浮標(biāo)與永久性驗(yàn)潮站，除此之外，還建立了業(yè)務(wù)化運(yùn)行的GNSS基準(zhǔn)站，為驗(yàn)潮站提供水位基準(zhǔn)，并為高度計(jì)定標(biāo)提供濕大氣路徑延遲校正項(xiàng)。在HY-2B成功發(fā)射后，國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心立即于2018年11?12月開展了HY-2B的在軌測(cè)試試驗(yàn)，于珠海萬山定標(biāo)場(chǎng)使用GNSS浮標(biāo)與沿岸驗(yàn)潮儀進(jìn)行了HY-2B雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)檢驗(yàn)試驗(yàn)。本文主要使用試驗(yàn)中的沿岸驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)，對(duì)我國HY-2B雷達(dá)高度計(jì)進(jìn)行了初步定標(biāo)工作。

2 高度計(jì)測(cè)高與定標(biāo)

高度計(jì)測(cè)高測(cè)量的是衛(wèi)星的高度計(jì)到星下點(diǎn)海面的距離。其觀測(cè)過程可簡(jiǎn)述為高度計(jì)向星下點(diǎn)海面發(fā)射一束短微波脈沖，脈沖與海面相互作用，部分脈沖被粗糙的海面反射回高度計(jì)，高度計(jì)以發(fā)射脈沖與接收脈沖回波的時(shí)間差測(cè)量星下點(diǎn)足印內(nèi)的平均海面高度。其計(jì)算公式如下式所示：

高度計(jì)作為一個(gè)精密的主動(dòng)式微波雷達(dá)，其在對(duì)海面高度進(jìn)行觀測(cè)的過程中會(huì)受到諸如儀器誤差、軌道誤差、測(cè)距誤差、地球物理誤差等幾個(gè)方面的影響。除地球物理誤差外，其余3項(xiàng)均會(huì)直接影響高度計(jì)測(cè)距，地球物理誤差的影響體現(xiàn)在計(jì)算海面動(dòng)力地形高度時(shí)的偏差。因此，式（1）中的距離 R在對(duì)高度計(jì)進(jìn)行絕對(duì)定標(biāo)前，需要對(duì)上述地球物理誤差以外的誤差項(xiàng)進(jìn)行校正。如果GNSS基站對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行解算時(shí)去除了地球物理誤差，則需要在高度計(jì)對(duì)海面高度進(jìn)行計(jì)算時(shí)予以去除。進(jìn)行誤差校正后，高度計(jì)測(cè)得的海面高度如下式所示[1]：

式中，S SHalt為進(jìn)行誤差校正后的高度計(jì)測(cè)量的海面高度；halt為衛(wèi)星高度計(jì)距參考橢球面的軌道高度；Rcorr為校正儀器誤差、軌道誤差與測(cè)距誤差后高度計(jì)到星下點(diǎn)海面的距離；t idecorr為地球物理誤差校正項(xiàng)。經(jīng)過誤差校正后，高度計(jì)到星下點(diǎn)海面的距離如下式所示[1]：

式中，R為與式（1）相同的測(cè)距誤差校正前高度計(jì)距離測(cè)量值，其余各項(xiàng)均為測(cè)距誤差校正項(xiàng)，包含干大氣延遲校正 ?Rdy、濕大氣延遲校正 ?Rwet、電離層延遲校正 ?Riono與 海況校正 S SB。

地球物理誤差校正項(xiàng)tidecorr如下式所示：

式中，?Rsolid為地球固體潮；?Rloading為負(fù)荷潮；?Rpole為極潮。衛(wèi)星高度計(jì)的絕對(duì)定標(biāo)原理可以做如下解釋：通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在衛(wèi)星星下點(diǎn)處、衛(wèi)星過境時(shí)刻測(cè)量的海面絕對(duì)高度值，與衛(wèi)星高度計(jì)星上測(cè)量的海面高度進(jìn)行對(duì)比，二者對(duì)比的結(jié)果即為高度計(jì)的偏差或偏移（Bias）[2]，表達(dá)形式如下式所示：

目前通用現(xiàn)場(chǎng)外定標(biāo)，基本的方法大致有下列4種：（1）通過在星下點(diǎn)布放的GNSS浮標(biāo)直接對(duì)海面高度進(jìn)行測(cè)量[4]；（2）通過星下點(diǎn)離岸錨系壓力驗(yàn)潮儀與GNSS浮標(biāo)進(jìn)行同步觀測(cè)；（3）利用沿岸的驗(yàn)潮儀進(jìn)行水位測(cè)量，再通過模型將沿岸水位外推至星下點(diǎn)；（4）通過陸上布放的有源定標(biāo)器進(jìn)行衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)距精度定標(biāo)。其中，使用沿岸驗(yàn)潮儀進(jìn)行的高度計(jì)定標(biāo)方法儀器布放簡(jiǎn)單且便于維護(hù)，能夠大范圍布放，適合作為定標(biāo)場(chǎng)長期業(yè)務(wù)化運(yùn)行的主要測(cè)量手段[5]，也是本文對(duì)HY-2B進(jìn)行絕對(duì)定標(biāo)所使用的方法。

3 基于萬山定標(biāo)場(chǎng)沿岸驗(yàn)潮儀的HY-2B雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)試驗(yàn)

高度計(jì)的絕對(duì)定標(biāo)參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與星上觀測(cè)數(shù)據(jù)兩部分組成。本節(jié)將分別對(duì)萬山定標(biāo)場(chǎng)HY-2B定標(biāo)試驗(yàn)中這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的獲取進(jìn)行詳細(xì)論述，并最終得到HY-2B雷達(dá)高度計(jì)在軌測(cè)試期間通過沿岸驗(yàn)潮儀計(jì)算得到的絕對(duì)定標(biāo)參數(shù)。

3.1 通過沿岸驗(yàn)潮儀獲取 SSHtg

通過上述方法，沿岸驗(yàn)潮儀現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)獲得的星下點(diǎn)海面高度如下式所示[8]：

式中，SSHcomparisionpoint為間接測(cè)量的星下點(diǎn)海面高度；hTGBM為GNSS基站相對(duì)參考橢球面的高度；?Hlev為GNSS基站與驗(yàn)潮儀0點(diǎn)的高度差；Htide為星下點(diǎn)處潮高；Htidetg為驗(yàn)潮儀處潮高；?Hmss為驗(yàn)潮儀處與星下點(diǎn)處的平均海平面高度之差；Hzero為壓力驗(yàn)潮儀0點(diǎn)至海面的水位高度，即驗(yàn)潮儀測(cè)量的瞬時(shí)水位變化。

本次HY-2B的定標(biāo)試驗(yàn)在珠海萬山定標(biāo)場(chǎng)的直灣島共布放了3個(gè)沿岸驗(yàn)潮儀，3個(gè)驗(yàn)潮儀均布放在定標(biāo)場(chǎng)的同一經(jīng)緯度坐標(biāo)位置，使用與HY-2B相同的T/P參考橢球體。驗(yàn)潮儀中有2個(gè)布放在水下，1個(gè)布放在水面上用以進(jìn)行大氣校正，只有水下驗(yàn)潮儀記錄了水位信息。驗(yàn)潮儀布放時(shí)間為2018年11月3日至12月12日，在此期間，HY-2B共經(jīng)過驗(yàn)潮儀所在位置附近的星下點(diǎn)3次，分別為UTC時(shí)間11月12日、11月26日和12月10日的10時(shí)08分前后。經(jīng)過比對(duì)，兩個(gè)布放在相同位置的水下驗(yàn)潮儀在校正高程基準(zhǔn)后測(cè)量結(jié)果一致，只使用其中的一個(gè)水下驗(yàn)潮儀進(jìn)行定標(biāo)即可。驗(yàn)潮儀具體參數(shù)如表1所示。

表1 萬山定標(biāo)場(chǎng)驗(yàn)潮儀位置與試驗(yàn)時(shí)間Table 1 Position and time of tide gauge experiment in Wanshan calibration site

水下驗(yàn)潮儀所記錄的水位信息為驗(yàn)潮儀距離瞬時(shí)海面的距離，使用驗(yàn)潮儀觀測(cè)的水位需要根據(jù)GNSS基站測(cè)量的驗(yàn)潮儀的高程轉(zhuǎn)換為海面高度，如下式所示：

式中，SSHtg為驗(yàn)潮儀所測(cè)的海面高度，其余各項(xiàng)與式（6）中的各項(xiàng)含義一致。經(jīng)過高程基準(zhǔn)校正后，驗(yàn)潮儀試驗(yàn)測(cè)得的HY-2B過境當(dāng)日的海面高度與過境時(shí)刻（北京時(shí)間）的海面高度如圖1所示。

圖1a至圖1c分別為HY-2B周期001、周期002與周期003過境當(dāng)日，萬山定標(biāo)場(chǎng)驗(yàn)潮儀所測(cè)量的海面高度變化。其中，曲線為海面高度變化的300 s滑動(dòng)平均，用于消除海面的隨機(jī)信號(hào)，測(cè)量頻率為1 Hz，每日共測(cè)量86 400個(gè)海面高度數(shù)據(jù)。直線表示HY-2B經(jīng)過星下點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間。二者的交點(diǎn)即為驗(yàn)潮儀所測(cè)的海面高度SSHtg。

圖1 驗(yàn)潮儀測(cè)量的海面高度與 HY-2B 過境時(shí)刻Fig.1 Sea surface height from tide gauge and HY-2B passing moment

3.2 通過 SSHtg計(jì)算 SSHcomparisionpoint

沿岸驗(yàn)潮儀所測(cè)量的海面高度并非星下點(diǎn)的海面高度，因此需要將海面高度通過式（6）將驗(yàn)潮儀處的海面高度外推至星下點(diǎn)。

HY-2B在經(jīng)過萬山定標(biāo)場(chǎng)附近時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)個(gè)星下點(diǎn)足印，通過對(duì)比這些不同星下點(diǎn)的定標(biāo)參數(shù)，可以研究高度計(jì)定標(biāo)參數(shù)的變化趨勢(shì)。在星下點(diǎn)的選擇上，與驗(yàn)潮儀的距離范圍選取不應(yīng)過大也不應(yīng)過小。選取范圍過大時(shí)，除了潮汐與大地水準(zhǔn)面的差異，還會(huì)產(chǎn)生其他誤差，諸如地轉(zhuǎn)流與中尺度渦的影響，不便于進(jìn)行潮汐外推工作。在選取范圍過小時(shí)，獲得的定標(biāo)參數(shù)有限，無法準(zhǔn)確判斷定標(biāo)參數(shù)的變化趨勢(shì)。蔣興偉等[9]對(duì)萬山定標(biāo)場(chǎng)附近海面高度進(jìn)行了長期觀測(cè)，結(jié)果顯示：在距離萬山定標(biāo)場(chǎng)擔(dān)桿島10 km處的同時(shí)刻最大潮差為2 cm，在5 km范圍內(nèi)同時(shí)刻最大潮差小于1 cm。而在20 km范圍內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生最大5 cm的同時(shí)刻潮位差。因此，選擇萬山定標(biāo)場(chǎng)驗(yàn)潮儀位置附近10 km上下范圍內(nèi)的HY-2B星下點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)可以盡可能地減小同時(shí)刻潮差所帶來的影響。

影響驗(yàn)潮儀與星下點(diǎn)海面高度差異的因素主要為大地水準(zhǔn)面、平均海面動(dòng)力地形與海洋潮汐差異，大地水準(zhǔn)面與平均海面動(dòng)力地形之和為平均海平面。本文主要使用DTU10平均海平面模型對(duì)平均海平面高度進(jìn)行校正，使用 TMD（Tide Mode Driver）潮汐模型對(duì)同時(shí)刻潮汐偏差進(jìn)行校正。

3.2.1 DTU10 平均海平面校正

平均海平面（Mean Sea Surface，MSS）是在一個(gè)較長時(shí)期內(nèi)剔除了周期性海面高度變化信息后的平均海面。平均海平面的全球分布與大地水準(zhǔn)面分布基本一致，高度差為?2～2 m。平均海平面與大地水準(zhǔn)面的不同之處在于，平均海平面除大地水準(zhǔn)面外還包含了平均海面動(dòng)力地形。平均海平面高度的表達(dá)式為

本文使用的平均海平面模型為丹麥國家空間中心發(fā)布的DTU10模型。相比于EGM2008大地水準(zhǔn)面模型提供的最高1°分辨率，DTU10能夠提供最高(1/60)°的遠(yuǎn)高于EGM2008的空間分辨率，覆蓋范圍為 90°S～90°N，其平均了包括 Jason-1/2、T/P、ERS、Envisat等多種高度計(jì)數(shù)據(jù)[10–11]。

不同于HY-2B使用的T/P參考橢球體，DTU10模型使用WGS84參考橢球體。WGS84與T/P存在約70 cm的高度差。T/P參考橢球體與WGS84參考橢球體的參數(shù)如表2所示。

表2 參考橢球體參數(shù)Table 2 Reference ellipsoid parameters

在計(jì)算平均海平面高度時(shí)，需要進(jìn)行嚴(yán)格的橢球轉(zhuǎn)化，但是本文計(jì)算的是星下點(diǎn)與驗(yàn)潮儀處的平均海平面高度差，橢球差異可以忽略不計(jì)，因此不需要進(jìn)行橢球轉(zhuǎn)化。星下點(diǎn)與驗(yàn)潮儀距離與其對(duì)應(yīng)的平均海面高度差如圖2所示。

圖2 平均海平面校正相關(guān)參數(shù)Fig.2 Parameters for mean sea surface correction

3.2.2 TMD 潮汐模型校正

TMD模型是一個(gè)基于最小二乘擬合的全球潮汐模型，同化了眾多高度計(jì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。TMD模型提供的中國近海區(qū)域模型同化了531個(gè)周期的T/P高度計(jì)數(shù)據(jù)，225個(gè)周期的Jason-2數(shù)據(jù)，249個(gè)周期的Envisat淺水海面高度數(shù)據(jù)，共計(jì)156 779個(gè)星下點(diǎn)，其中代表性的站點(diǎn)有915個(gè)。此外，使用了總計(jì)104個(gè)驗(yàn)潮儀，其中包含51個(gè)沿岸驗(yàn)潮儀，44個(gè)TSW淺水驗(yàn)潮儀與9個(gè)TC沿岸驗(yàn)潮儀的長期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正。其中國近海區(qū)域模型為1 801×2 161的網(wǎng)格，分辨率能夠達(dá)到（1/30）°，很好地滿足了將沿岸驗(yàn)潮儀潮汐外推至星下點(diǎn)的需要[12]。

TMD 模型能夠提供 8 個(gè)分潮 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1分別的相位、振幅、潮汐調(diào)和常數(shù)。在使用時(shí)可以根據(jù)需要選取不同的分潮進(jìn)行調(diào)和分析。本論文在計(jì)算驗(yàn)潮儀與星下點(diǎn)潮差時(shí)選擇了全部8個(gè)分潮進(jìn)行潮汐預(yù)報(bào)。

根據(jù)TMD模型進(jìn)行潮汐預(yù)報(bào)前首先驗(yàn)證TMD潮汐模型的準(zhǔn)確性。使用TMD模型預(yù)報(bào)的驗(yàn)潮儀處海面高度與驗(yàn)潮儀實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 TMD潮汐預(yù)報(bào)模型海面高度與驗(yàn)潮儀實(shí)測(cè)海面高度差Fig.3 Sea surface height differences between TMD tide prediction and tide gauge

潮汐模型的預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在著最大約0.35 m，均方根誤差為0.18 m的差異。雖然潮汐模擬的潮位與實(shí)測(cè)潮位存在一定差距，但是二者表征的參數(shù)并不完全一致。潮汐模型反映的是潮位變化，驗(yàn)潮儀測(cè)量的是水位變化，水位數(shù)據(jù)需要采用調(diào)和函數(shù)提取水位數(shù)據(jù)中的潮汐部分再進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 通過 HY-2B 高度計(jì)獲取 SSHalt

本文通過HY-2B的IGDR產(chǎn)品計(jì)算驗(yàn)潮儀附近星下點(diǎn)海面高度。HY-2B的二級(jí)IGDR產(chǎn)品除了記錄了星下點(diǎn)的經(jīng)緯度與時(shí)間信息外，還提供了各種誤差校正項(xiàng)，包括實(shí)時(shí)儀器誤差、測(cè)距誤差、地球物理誤差等項(xiàng)。經(jīng)過式（2）中去除誤差校正項(xiàng)后，3次過境時(shí)分別測(cè)得的海面高度如圖4所示。

圖4 HY-2B 高度計(jì)測(cè)量沿軌星下點(diǎn)海面高度Fig.4 Sea surface height of calibration point from HY-2B altimeter

除周期003由于軌道漂移，星下點(diǎn)接近陸地，只獲得1個(gè)測(cè)量值外，在周期001與周期002皆獲得了1個(gè)以上的沿軌星下點(diǎn)海面高度，海面高度的測(cè)量值隨著高度計(jì)升軌緯度的逐漸增加而逐漸降低。

3.4 定標(biāo)結(jié)果

在經(jīng)過上述誤差校正后，可以通過式（5）計(jì)算得到HY-2B雷達(dá)高度計(jì)在發(fā)射后前3個(gè)周期的定標(biāo)參數(shù)偏差，如圖5所示。

圖5 HY-2B 前 3 個(gè)周期的定標(biāo)參數(shù)偏差Fig.5 Calibration bias of HY-2B in first 3 cycles

計(jì)算得到3個(gè)周期的HY-2B雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)參數(shù)分別為（3.06±3.48）cm、（2.85±1.03）cm、?7.41 cm，由此可見，高度計(jì)的定標(biāo)參數(shù)存在沿星下點(diǎn)與軌道變化的差異。后續(xù)需要對(duì)HY-2B雷達(dá)高度計(jì)進(jìn)行持續(xù)定標(biāo)以確定漂移的大小以及原因。

4 結(jié)語

本文使用2018年11?12月于萬山定標(biāo)場(chǎng)布放的沿岸驗(yàn)潮儀對(duì)HY-2B雷達(dá)高度計(jì)進(jìn)行了初步的定標(biāo)工作，定標(biāo)結(jié)果表明，HY-2B在珠海萬山使用沿岸驗(yàn)潮儀定標(biāo)可行且定標(biāo)結(jié)果良好，定標(biāo)參數(shù)總體比較穩(wěn)定，存在少量漂移。

目前萬山定標(biāo)場(chǎng)的大地水準(zhǔn)面已經(jīng)測(cè)量完成，后續(xù)定標(biāo)時(shí)將使用測(cè)量的大地水準(zhǔn)面與平均動(dòng)力地形代替本文中的DTU10平均海平面。萬山定標(biāo)場(chǎng)附近的淺水分潮模型沒有建立，使用TMD模型進(jìn)行潮汐外推時(shí)存在較大誤差，無法精確地將沿岸驗(yàn)潮儀的測(cè)量結(jié)果外推至星下點(diǎn)。目前萬山定標(biāo)場(chǎng)已經(jīng)建成永久性驗(yàn)潮站，后續(xù)將使用驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)建立更精確的潮汐模型。本文中驗(yàn)潮儀的布放時(shí)長僅有1個(gè)月，包含3個(gè)HY-2B重訪周期的數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)較少。隨著萬山定標(biāo)場(chǎng)的建設(shè)，GNSS浮標(biāo)與永久性驗(yàn)潮站的布放與建立，多種現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的海面高度數(shù)據(jù)能夠相互補(bǔ)充，未來HY-2系列高度計(jì)的定標(biāo)精度能夠不斷提升。