卫星测高的概念是由美国著名大地测量学者W.M.考拉(W.M.Kaula)在1969年首次提出。20世纪80年代以来,计算机技术和空间技术高速发展,卫星测高追随着卫星遥感遥测技术的应用发展起来。1973年美国国家航空航天局(NASA)发射了第一颗带有测高仪的原理性试验卫星Skylab-193,已有Geosat、ERS-1、Topex/Poseidon、GFO、ERS-2、Envisat、Jason-1、Spot等主要测高卫星的资料可以利用,截至2021年5月正在执行的任务有Sentinel-3、Jason-3、Saral、Cryosat、Jason-2、CFOSat、Jason-CS-A等测高卫星,中国已先后发射海洋一号(HY-1)和海洋二号(HY-2)海洋卫星。
卫星测高主要利用卫星测高仪来实现其功能,卫星测高仪是一种星载的微波雷达,由发射机、接收机、时间系统和数据采集系统组成,根据卫星测高仪获取的海洋面至卫星的高度,确定海洋大地水准面(见大地水准面)和海面地形,并通过数据处理和分析,来研究大地测量学、地球物理学和海洋学方面的问题。卫星测高的基本原理是:利用卫星上装载的微波雷达测高仪,辐射计和合成孔径雷达等仪器,以一定的脉冲重复频率向地球表面发射调制后的压缩脉冲,经海面反射后,由接收机接收返回的脉冲,实时测量卫星到海面的距离、有效波高和后向散射系数,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及返回的波形来确定卫星至海面星下点的高度。根据已知的卫星轨道和各种改正(包括卫星的地心向径、地球椭球体面的地心向径、轨道改正、仪器改正、大气改正、海洋物理改正等),来确定某种稳态意义上或一定时间尺度平均意义上的海面相对于一个参考椭球高或海洋大地水准面的海拔高。卫星发射雷达波束到达海面的波迹半径约为3~5千米,测高仪测得的距离相当于卫星天线相位中心到这个半径为3~5千米圆形面积内海面的平均距离。卫星雷达脉冲从卫星到地球海洋表面再返回卫星必须穿过大气层和电离层,由于微波在大气介质中传播时会受到各种影响,因而使得卫星测高仪的测量值并不等于在理想情况下卫星质心到海洋表面的瞬时距离,还需要进行各种改正。
海洋卫星测高技术历经由单频到双频、单波段到多波段,测高精度从米级发展到厘米级,地面轨迹分辨率达到1′×1′~2′×2′。随着传统高度计与干涉计联合使用的宽幅卫星测高以及全球卫星导航系统(GNSS)等新技术的联合应用,卫星测高精度、分辨率有了很大的提升,它可以在全球范围内全天候地多次重复、准确地提供海洋、冰面等表面高度的观测值,为海洋学、大地测量学及地球物理学的相关研究积累了丰富的数据。卫星测高已成为全球气候观测系统GCOS和全球大地测量观测系统GGOS的一个重要组成部分。随着卫星测高资料的不断补充和积累,以及新的数据处理手段的提出和改进,卫星测高技术的研究和应用领域将得到进一步拓宽和深化。
卫星测高