梳状高度计编队探测海洋涡旋仿真分析

单颗星下点高度计卫星可进行一维海面高度测量,但时空分辨率较低,对涡旋的探测能力不足。梳状高度计卫星编队可提升海面高度时空分辨率,增强对涡旋的识别探测能力。为定量分析高度计编队下的涡旋探测能力,本文在黑潮延伸体海域开展观测仿真实验,对海平面高度进行沿轨采样,经优化插值算法处理后得到逐天海面高度异常数据场并进行涡旋识别与统计分析。此外,本文还同步开展了单颗星下点高度计和成像高度计卫星涡旋探测仿真实验及对比分析。结果表明,梳状高度计卫星编队在涡旋数量、极性、半径及振幅等方面识别效果较好,与成像高度计探测结果相近。

基于高度计辅助的GNSS欺骗干扰检测

气压高度计可以获得精确高程数据,且不受外界电磁干扰,利用气压高度计辅助全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)进行欺骗检测具有显著优势。为了评估气压高度计在GNSS欺骗检测中的能力并提高检测概率,首先对系统误差进行建模分析,并利用差分整合移动平均自回归(autoregressive integrated moving average,ARIMA)模型对气压高度计和GNSS测量结果进行处理。同时,通过计算欧氏距离构建数据空间,提出一种基于移动方差的自适应门限检测方法。试验结果表明,在虚警率为10^(-6)的情况下,检测率达到了92%,所提方法能够在高程信息上有效监测潜在的欺骗威胁,增强了GNSS系统的可靠性。

基于多源卫星雷达高度计的南极海冰厚度估算

南极海冰是极地气候系统的重要组成部分,对全球气候有着深远影响。海冰厚度作为海冰的关键属性之一,了解其时空分布特征和变化趋势对理解和预估气候变化进程具有重要意义。然而,目前对于南极海冰厚度的监测局限在时空分布有限的实地观测和短时间序列的卫星观测阶段,长时间序列的冰厚数据仍然缺失。针对这一问题,基于时空连续的卫星雷达高度计Envisat和CryoSat-2,构建了一致性较高的雷达干舷高度数据,定量估算了高度计雷达信号在积雪中的穿透深度,发展了一种适用于南极海冰的厚度遥感估算方法。估算的冰厚与Australian Antarctic Data Centre实测数据的平均绝对偏差约为0.28 m;与ICESat激光雷达高度计冰厚的平均绝对偏差约为0.65 m,相关系数为0.71,一致性较高。2002–2023年南极海冰厚度时空变化分析结果表明,厚冰主要分布于西威德尔海和别林斯高晋海/阿蒙森海,其他海域海冰相对较薄。南极海冰厚度在2011年之前呈现轻微降低趋势,在2011年后加速降低(-0.03 m/a)。南极海冰厚度的分布和变化趋势存在明显的季节和区域特征。

基于双频段雷达高度计数据的海面阵风反演研究

海面阵风是海洋资源开发、海洋防灾减灾和海洋科研等领域所需的重要海洋动力环境信息。但迄今为止,海面阵风观测数据严重缺失,阻碍了阵风预报、应用研究等方面的发展。本文利用双频的HY-2B卫星高度计C、Ku波段的后向散射系数,对现有海面风速(U_(10))进行修正,建立了阵风风速(U_(g))反演算法。反演结果与美国国家浮标数据中心(NDBC)2018-2022年的浮标数据进行真实性检验,相关系数(R)为0.91,均方根误差(RMSE)为1.82 m/s;国外同类卫星Jason-3基于本方法的反演结果与2018-2022年NDBC站点数据进行检验,RMSE优于常规2 m/s精度要求;反演结果与处于不同纬度的近海远洋站点进行个例验证,RMSE均优于2 m/s。因此,本文在现有的HY-2B卫星高度计海面风速观测数据的基础上,利用不同波段信息实现了海面阵风的观测,具有较高的观测精度。同时,该方法也适用于相同观测体制的国外卫星高度计。

基于SINS/OD/高度计的车载重力异常测量方法

车载重力测量沿地球表面实施,其较慢的速度和机动灵活的特点为高精度地面重力测量提供有利条件。传统动基座重力测量严重依赖全球定位系统(GPS)而无法实现完全自主性,基于捷联惯导(SINS)/里程计(OD)/高度计组合导航提出一种新的自主无源车载重力异常测量方法。组合导航系统提供了高精度的比力、姿态和载体加速度信息,气压高度计用于抑制高度通道的发散,通过直接差分法即可实现重力信息的获取;对比了以航位推算位置(SINS/DR)、里程计速度(SINS/OD)、位置速度(SINS/DR/OD)为量测和传统SINS/GPS这4种方法的测量精度,分析量测选择对所提方法测量效果的影响。重复测线仿真及单测线跑车试验结果表明:所提方法可以实现完全自主的车载重力异常测量,相比传统SINS/GPS方法具有普遍的精度优势,SINS/OD与SINS/DR/OD测量精度相差不大,且优于SINS/DR测量方法。

CryoSat-2雷达高度计海冰波形优选特征分类

监测海冰的类型变化或厚度变化是较为有效的海冰监测方式,本文通过CryoSat-2雷达高度计对北极海冰类型开展研究。利用雷达高度计对北极海冰进行分类,一方面是难以挑选出最优特征参数,另一方面单一的雷达高度计数据难以实现海冰的相对精细化分类。针对以上问题,本文构建了一种利用卡方检验、互相关信息及Wrapper包装法组合的特征优选方法,利用该方法挑选出的特征子集(SSD+Sigma0+LTPP+PP+SK+LEW)结合随机森林分类法将北极地区的雷达高度计数据分为海水、一年薄冰、一年厚冰及多年冰。本文方法在训练集分类正确率为93.32%,验证集正确率为92.42%,Kappa系数为0.90,均优于其他特征组合,可以基本实现对北极地区海冰的有效分类,同时分类结果也有助于海冰厚度的反演。

合成孔径雷达高度计应用研究进展

【目的】合成孔径雷达高度计采用延迟-多普勒技术有效提高观测精度,使得卫星测高技术可以应用于地形复杂区域。为探究合成孔径雷达高度计的应用进展,【方法】对合成孔径雷达高度计的发展进行概述,列举了目前主要载荷合成孔径雷达高度计的测高卫星,并对测高原理以及数据处理方法进行描述,针对合成孔径雷达高度计在海洋、冰川、内陆湖泊区域以及高程数据产品制作的应用进行重点分析。【结果】针对当前合成孔径雷达高度计应用现状,总结出合成孔径雷达高度计存在时空分辨率受限、数据精度检验代价较大、长序列数据短缺的问题,并提出多源数据协同、三维领域拓展以及数据处理方法优化的发展方向。【结论】合成孔径雷达高度计目前对海洋、冰川及内陆湖泊的高程监测方面已具有较强的应用能力,随着卫星观测密度的增加及数据优化处理方法的改进,合成孔径雷达高度计在高程监测、地形反演、水量监测等方面将具有更加广泛的应用,为探究地球水资源变化提供科学依据。

基于MEMS谐振式气压传感器的数字高度计研制

基于一种高精度MEMS谐振式气压传感器研制了用于辅助导航高度通道定位的数字高度计,利用谐振式压力传感器采集大气静压,并进行气压高度转换。采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)+单片机(MCU)的硬件架构,通过等精度数字频率计和16位模/数(A/D)转换器测量气压传感器输出的频率信号和电压信号,并进行温度补偿;然后分析气压高度转换过程中的误差来源,通过对拟合的气压进行IIR数字滤波并且根据实际大气和温度条件进行原理误差补偿,提高了高度输出精度。实验结果表明:数字高度计的气压测量在整个工作温度范围内都具有良好的精度,满行程最大误差小于0.02%FS;实测气压高度转换的误差小于0.8 m,具有良好的工程应用价值。

机载合成孔径雷达高度计高程参数贝叶斯估计

机载合成孔径雷达高度计(SARA)由于具有高航向分辨率,因此受到广泛关注。然而,现有的SARA地面高程重跟踪方法多基于最小二乘算子,高程参数估计精度和算法抑噪性能均存在上限,容易造成高程参数估计结果过拟合,对复杂高程变化适应能力有限。为此,该文提出一种基于参数化贝叶斯统计学习方法的机载SARA重跟踪算法(PR-Bayes)。通过引入目标场景地形先验概率模型,并结合模型驱动机器学习方法,可实现对目标高程信息重跟踪可信估计,从而有效避免估计参数过拟合问题。该算法基于布朗模型(BM)对SARA回波进行复杂模型参数反演,并设计哈密顿蒙特卡洛(HMC)统计采样器,实现对目标场景地形高度的参数估计。基于该文所提算法,分别通过点目标模拟和DEM半实物模拟对该算法进行有效性验证及高程参数估计精度验证,并通过实测数据验证该算法的实用性。

基于万山定标场验潮数据的HY-2B/C雷达高度计定标检验

对雷达高度计测高数据进行持续的定标检验是高度计数据应用的前提。基于珠海万山定标场3个沿岸验潮仪(外伶仃岛验潮仪、担杆岛验潮仪、直湾岛验潮仪)现场验潮数据,利用本研究所提方法,对HY-2B卫星2019年9月至2022年4月过境轨道375和HY-2C卫星2021年5月至2022年4月过境轨道170,172,185,187星下点海面高数据进行定标检验。结果发现:HY-2B卫星相对于3个验潮仪现场验潮数据的海面高偏差与文献的定标结果符合较好,证明所提方法是可靠的。HY-2C卫星过境轨道170(172)星下点相对3个验潮站的海面高偏差均在5 cm以内;HY-2C卫星过境轨道185(187)星下点相对3个验潮站的海面高偏差均在4 cm以内。对相同卫星的相同轨道,不同验潮站的检验结果存在差异,这可能与验潮站水位数据处理和位置归算有关。结果表明,HY-2卫星绝对海面高观测精度较好,可以满足科学研究对海洋高度计数据的应用需要。

基于高度计和漂流浮标数据的墨西哥湾东南部暖涡融合过程研究

本文结合卫星高度计和漂流浮标数据,采取海表面高度法发现并跟踪了墨西哥湾东南部附近发生的一次暖涡融合事件,通过该典型暖涡融合过程的研究初步揭示了涡间融合作用模式,有助于进一步理解复杂涡旋作用机制。欧拉涡旋结果显示,一对暖涡彼此吸引并伴随传播3周以上,随后融合为统一涡旋结构并继续向西传播。被其捕获的浮标提供了融合前后的拉格朗日涡旋轨迹,在融合发生前8天时,一个浮标随水流交换切换了原本追随的暖涡,表明融合事件被高度计观测到之前,涡间水体交流作用已经比较显著。融合前后,欧拉涡旋和拉格朗日涡旋半径均存在较大改变,其中欧拉半径提升了96.2%,受两个暖涡牵引的漂流浮标的拉格朗日半径分别提升了49.1%和115.6%。受融合效应影响,海表面温度场也表现出不同的环境响应,进一步验证了融合过程的发生。最后,对融合前后动能、涡度和散度等动力学演变,以及半径、振幅和形状等形态学变化的分析表明:融合大致经历了涡旋渐近、水体交流、轮廓压缩形变、拉长椭圆涡旋生成和边界重塑等过程;涡心所在平面的垂直结构主要表现为由双峰向单峰的演变;涡旋融合后实现了能量向中尺度的逆级联;受限于单核涡结构,在融合过程中部分属性统计存在偏差,可能导致事件前后发生突变。

天宫二号三维成像微波高度计对海洋的首次定量遥感

由中国科学院国家空间科学中心研制的三维成像微波高度计（InIRA）是世界上第一个采用小角度干涉测量技术、孔径合成技术以及海陆兼容的高度跟踪技术实现宽刈幅海面高度测量的雷达高度计,于2016年9月15日随天宫二号（TG-2）空间实验室发射升空。9月22日,三维成像微波高度计首次开机,获取了首批遥感数据。

高度计大气湿度校正的方法及其应用分析

大气中水汽造成的路径延迟的测量误差是目前卫星高度计存在误差的重要原因 ,这种误差对高度计数据的分析应用产生很大的影响。介绍了高度计大气湿度校正的 2种方法 ,并对它们的结果做了比较。最后分析了大气湿度校正对高度计数据应用的影响。

卫星高度计轨道设计的因素分析

卫星高度计轨道的选取需要综合考虑到轨道高度、偏心率、轨道倾角和重复周期等多种因素。对高度计轨道设计中涉及的诸多因素,以及高度计的采样模式进行了分析。通过对多颗高度计轨道设计标准的描述,重点分析了T/P高度计轨道参数的选择。在此基础上,提出了我国HY-2卫星高度计轨道设计的技术方案。

TOPEX/POSEIDON高度计浅海潮汐混淆的初步分析

根据对卫星轨道特征和观测结果的分析，对TOPEX／POSEIDON（简称T／P）星载高度计在我国近海的潮致混淆现象进行了初步研究．分析表明，在浅海区T／P高度计的观测结果存在很强的潮致高频混淆．NASA分发的地球物理记录中所提供的潮汐订正值虽适用于大洋，但不能有效地除去浅海潮汐．虽然如此，T／P潮致混淆的主要频段的周期小于90d，因而可以通过滤波方法提取周期较长的海面高度季节信号，从而用于季节环流（如南海季风环流）的研究．采用FFT／IFFT方法滤波试验的结果显示，T／P的海面高度观测结果有很高的精度，滤波处理后的海面高度距平变化和地面潮位观测结果一致性良好，上、下行轨道交叉处相邻测点间的标准偏差在3cm左右，可满足南海环流研究的需要．

卫星遥感海表温度资料和高度计资料的变分同化

利用国家气候中心正在发展的第二代全球海洋资料同化系统(BCC_GODAS2.0),针对多变量同化的协调性问题,发展了一种基于三维变分框架(3DVAR)下的高度计和海表温度(SST)相互约束的同化方法。该方法使海面高度和SST资料在同一个动力约束关系下进行同化。在一般方法中,海面高度和SST观测项是代价函数中2个独立的观测项,海面高度项引入动力高度计算公式,海表温度项用统计关系进行垂向投影。在代价函数的实际求解的计算过程中,虽然其总体积分效应受海面高度观测的约束,但整个水柱中各层温盐分析变量的调整是无序的。针对这个问题,文章提出一种新的同化方案。该方案将SST的观测项并入海面高度观测项中,海面高度的一部分,确切说是上层海洋部分,由SST决定,因此至少在SST的统计关系能影响到深度的上层海洋,在代价函数的求解过程中,温盐的调整是受较强的统计关系约束的,而这种统计关系的有效性已经在很多SST的同化试验中被其他学者广泛应用并证明。利用该方法,对1993—1997年的AVHRR卫星遥感海表温度资料进行变分同化试验,用TAO、OISST和SODA数据集进行检验证明,通过对卫星遥感资料的同化能够有效改进对海洋温度和盐度的估计。海洋表层的月平均温、盐度的总均方根误差相对同化前分别降低了0.67℃和0.2‰。在混合层中,同化效果较好。

卫星高度计波高资料的同化试验分析

结合经验的台风风场模型和NCEP再分析资料构造了南海台风风场,并以此作为一个第三代海浪模式的输入模拟了1999年约克(York)台风经过南海时所产生的台风浪场.模拟结果显示,尽管文中构造的南海台风风场比较接近真实的风场,但模拟出的台风浪场相对于TOPEX/Poseidon高度计的观测波高仍有一定差异,因此进而采用了一种简单的最优插值同化方法,开展了波高资料的初步同化试验.试验结果显示,资料同化显著地改进了海浪模式的(后)预报精度,而这种改进在涌浪区更加显著,同化有效维持时间大约是43h.

有效波高的非线性统计及在南海卫星高度计中的应用

在已获得的海浪非线性波面概率模式的基础上通过Ochi关系 ,导出了一种有效波高的非线性统计分布。分析表明 ,本研究结果既推广了有效波高的双参数对数 -正态分布 ,又能够以波陡作为有效波高的非线性控制参量来体现概率分布形式的变化。此研究应用于南海卫星高度计的资料分析 。

利用TOPEX/Poseidon卫星高度计资料提取黄海、东海潮汐信息的研究

为了更好地利用卫星测高数据分析黄海和东海的潮汐特性 ,对 1 993— 1 999年期间的TOPEX/Poseidon测高数据进行了质量控制和共线平差处理。在此基础上 ,在黄海、东海选取了 1 738个测高点 ,用最小二乘拟合法计算出 1 2个分潮的调和常数。计算得出的M2 和m1分潮的调和常数 ,在交叉点评估的内符精度振幅分别为 2 4cm和 0 8cm ,迟角分别为 2 3°和2 5°。测高点与附近验潮站的这两个分潮结果相比 ,振幅的均方根误差小于 4cm ,而迟角相差较大。这可能与验潮站的地理环境因素有关。用卫星测高数据算得的调和常数绘制的主要分潮特性图与现有常规观测得到的相应图进行了比较 ,在外海深水区两者符合较好 ;近岸由于卫星测高误差较大 ,所以两者符合差。

激光高度计卫星ICESAT在地学研究中的应用

介绍了世界首颗激光高度计卫星ICESat及其惟一有效的载荷———地学激光测高系统(GLAS)以及它的科学研究目的和工作原理,论述了ICESat在地学研究中的应用。