海洋衛(wèi)星雷達(dá)測高技術(shù)進(jìn)展*

許 可 蔣茂飛

（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190）

0 引言

雷達(dá)高度計(jì)是一種主動(dòng)式的微波遙感器，其通過向海面發(fā)射電磁波和接收海面返回的回波，測量衛(wèi)星至海面的高度、海面有效波高和后向散射系數(shù)，通過后向散射系數(shù)可以反演海面風(fēng)速。衛(wèi)星雷達(dá)測高所獲取的高精度海洋觀測信息，為海洋學(xué)、地球物理、大地測量學(xué)、大氣物理及全球氣候變化等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供了穩(wěn)定、可靠、連續(xù)的數(shù)據(jù)源，促進(jìn)了人類對(duì)海洋的認(rèn)知。衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)已經(jīng)成為全球氣候觀測系統(tǒng)（Global Climate Observing System, GCOS）和全球大地測量觀測系統(tǒng)（Global Geodetic Observing System, GGOS）的重要組成部分。

美國著名大地測量學(xué)家Kaula 在1969 年首次提出利用星載雷達(dá)高度計(jì)對(duì)全球海洋進(jìn)行測量的構(gòu)想[1]。從20 世紀(jì)70 年代開始，國際上先后發(fā)射了一系列雷達(dá)測高衛(wèi)星，用于海面高度、海面有效波高、海面風(fēng)速的測量，進(jìn)一步應(yīng)用于海洋環(huán)流[2,3]、中尺度渦[4,5]、全球和區(qū)域性海平面變化[6,7]、海洋短波重力場[8,9]、海底地形[10,11]、海洋潮汐[12,13]、冰蓋高程[14,15]、海冰厚度[16,17]、內(nèi)陸水位[18,19]等方面的研究。表1給出了目前已發(fā)射的雷達(dá)測高衛(wèi)星。

表1 目前已發(fā)射的雷達(dá)測高衛(wèi)星Table 1 Past and current radar altimetry mission characteristics

本文論述了雷達(dá)測高技術(shù)的基本原理以及國內(nèi)外衛(wèi)星雷達(dá)測高技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，并對(duì)未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 雷達(dá)測高技術(shù)基本原理

雷達(dá)高度計(jì)通過測量衛(wèi)星到海平面的距離從而進(jìn)一步獲得海面高度數(shù)據(jù)。測量過程中，高度計(jì)向海面發(fā)射脈沖信號(hào)，脈沖被海面反射回接收天線，通過確定脈沖信號(hào)的往返時(shí)間來測量衛(wèi)星到海面的距離為

其中，c為光速，t為脈沖在高度計(jì)和海面之間的往返時(shí)間。

在雷達(dá)高度計(jì)測量過程中，高度計(jì)先向觀測目標(biāo)表面發(fā)射微波脈沖信號(hào)，并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行跟蹤，確定回波到達(dá)時(shí)間，進(jìn)而可以計(jì)算出雷達(dá)高度計(jì)與被觀測目標(biāo)之間的距離R。在測高衛(wèi)星中需要配備精密定軌設(shè)備，通過精密定軌可以得到衛(wèi)星到參考橢球面的高度H。二者相減就可以得到海面到參考橢球面的距離，即海面高度為

在測量過程中，雷達(dá)高度計(jì)微波信號(hào)傳播過程中會(huì)經(jīng)過大氣層，大氣層中的干大氣、水汽和電離層都會(huì)減慢雷達(dá)脈沖的傳播速度。不同海況對(duì)雷達(dá)脈沖的反射特性不同，也會(huì)造成衛(wèi)星到海面距離的海況誤差，并且還存在著潮汐、大氣壓力等地球物理和環(huán)境因素引起的誤差。同時(shí)，雷達(dá)高度計(jì)還存在各項(xiàng)儀器誤差等。圖1 給出了雷達(dá)高度計(jì)測高示例，衛(wèi)星到平均海面的實(shí)際距離可表示為

圖1 雷達(dá)高度計(jì)測高示例Fig. 1 A schematic of the satellite radar altimetry measurement

其中，ΔRi為各測高誤差校正項(xiàng)，n為校正項(xiàng)的個(gè)數(shù)。校正后的海面高度為

目前雷達(dá)高度計(jì)技術(shù)體制主要有三種：第一種是脈沖有限體制雷達(dá)高度計(jì)（Pulse Limited Radar Altimeter, PLR altimeter），以T/P，Jason，HY-2 衛(wèi)星等為代表；第二種是合成孔徑體制雷達(dá)高度計(jì)（Synthetic Aperture Radar Altimeter, SAR altimeter），以Sentinel-3 和Sentinel-6 衛(wèi)星等為代表；第三種是寬刈幅體制高度計(jì)（Width Swath Ocean Altimeter,WSOA），以SWOT 衛(wèi)星等為代表。

2 國外海洋衛(wèi)星測高技術(shù)的發(fā)展

2.1 脈沖有限體制高度計(jì)的發(fā)展

1973 年5 月14 日，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）發(fā)射了Skylab 空間站，衛(wèi)星軌道高度425 km，軌道傾角 50°。Skylab 上搭載的雷達(dá)高度計(jì)S-193 為世界上首個(gè)雷達(dá)高度計(jì)，工作頻率在13.9 GHz，主要目標(biāo)是獲取海面狀態(tài)對(duì)脈沖響應(yīng)的影響信息，以確定雷達(dá)高度計(jì)的可行性及其測量海面地形的能力。該雷達(dá)高度計(jì)采用100 ns 脈沖寬度，得到了15 m 的分辨率，測高精度為1 m[20]，首次得到了因海底特征引起的海洋大地水準(zhǔn)面觀測值[21]。雖然S-193 雷達(dá)高度計(jì)只能在低軌道段運(yùn)行，但是通過 Skylab 還是證實(shí)了雷達(dá)高度計(jì)可以觀測出海洋大地水準(zhǔn)面的粗略特征（例如可以觀測出主要的海溝），同時(shí)Skylab 證明了測高概念具有強(qiáng)大的生命力和發(fā)展?jié)摿Γ瑸楹罄m(xù)雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)展提供了許多寶貴的技術(shù)依據(jù)。

1975 年4 月9 日，美國宇航局發(fā)射了第一顆專門用于測高的海洋地形衛(wèi)星，即地球動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)海洋衛(wèi)星 GEOS-3，該衛(wèi)星搭載了雷達(dá)高度計(jì)、激光反射鏡和跟蹤信標(biāo)等設(shè)備。GEOS-3 衛(wèi)星的軌道徑向精度達(dá)到2 m，該衛(wèi)星軌道高度為840 km，軌道傾角為115°，衛(wèi)星軌道的重復(fù)周期為23 天。受存儲(chǔ)能力的限制， GEOS-3 只進(jìn)行了3 年約 1680 h 的數(shù)據(jù)采集和觀測，直到 1978 年12 月任務(wù)結(jié)束。與 Skylab 高度計(jì)相比， GEOS-3 的各方面都有了許多重大的改進(jìn)，例如精度和分辨率均有很大提高，儀器性能有了進(jìn)一步的改善，全球覆蓋范圍也有較大提高。GEOS-3 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)對(duì)于確定全球海洋重力場精細(xì)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的高精度海洋大地水準(zhǔn)面具有開拓意義[22]，另外也證實(shí)了雷達(dá)高度計(jì)在陸地和海冰也能夠提供有效的數(shù)據(jù)。

1978 年6 月28 日，美國NASA 發(fā)射了海洋衛(wèi)星Seasat，繼續(xù)開展對(duì)全球海洋的觀測任務(wù)。Seasat 衛(wèi)星軌道高度為800 km，軌道傾角為108°，衛(wèi)星軌道的重復(fù)周期為17 天。在脈沖壓縮技術(shù)上，Seasat 衛(wèi)星高度計(jì)設(shè)計(jì)了全去斜技術(shù)，此后所有高度計(jì)都使用了此技術(shù)，大大提高了儀器性能。在Seasat 設(shè)計(jì)中，增加了回波采樣的數(shù)量，采樣間隔為 3.125 ns。雖然Seasat 僅僅運(yùn)行約3 個(gè)月的時(shí)間，但是 Seasat 高度計(jì)首次提供了全球范圍的海洋環(huán)流、波浪和風(fēng)速[23]。利用Seasat 測高數(shù)據(jù)繪制的海洋地形，科學(xué)家可以確定海洋環(huán)流和熱存儲(chǔ)。Seasat 數(shù)據(jù)還揭示了地球重力場和海底地形的新信息，找到了小尺度地幔對(duì)流的證據(jù)[24]。GEOS-3 和Seasat 衛(wèi)星的成功實(shí)施，證實(shí)了雷達(dá)高度計(jì)在測量海面和海洋重力場[25]，以及應(yīng)用地球物理學(xué)和海洋學(xué)方面的巨大潛力。

1985 年3 月12 日，專門為美國海軍研制的大地測量衛(wèi)星Geosat 發(fā)射成功。Geosat 衛(wèi)星軌道傾角為108°，軌道高度為800 km。該衛(wèi)星搭載的雷達(dá)高度計(jì)工作頻率為13.5 GHz，海面高度測量精度約為10 cm。Geosat 衛(wèi)星的主要目標(biāo)在于提供高精度、高分辨率的海洋重力數(shù)據(jù)，進(jìn)而增加對(duì)于海洋大地水準(zhǔn)面的認(rèn)識(shí)，圖2 給出了利用Geosat 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)得到的全球海底地形。同時(shí)，Geosat 高度計(jì)提供的高緯度測高數(shù)據(jù)在研究冰川融化、冰蓋質(zhì)量均衡以及繞南極圈環(huán)流方面具有很高的價(jià)值，其是第一個(gè)提供具有重復(fù)性、長期性、高分辨率、高質(zhì)量特征的全球海面高數(shù)據(jù)的衛(wèi)星，被認(rèn)為是衛(wèi)星海洋學(xué)和衛(wèi)星大地測量學(xué)的里程碑，標(biāo)志著衛(wèi)星測高技術(shù)進(jìn)入了成熟階段[26]。

1998 年2 月10 日，美國海軍發(fā)射了Geosat 的后續(xù)衛(wèi)星（Geosat follow-on, GFO）。GFO 與Geosat的精密重復(fù)測量任務(wù)的軌道相同，旨在實(shí)現(xiàn)雷達(dá)測高任務(wù)的連續(xù)性。GFO 衛(wèi)星主要目的是為美國海軍提供實(shí)時(shí)的海洋地形數(shù)據(jù)，并為NOAA 和NASA 提供測高數(shù)據(jù)。GFO 搭載的雷達(dá)高度計(jì)可提供基本的、近實(shí)時(shí)的海面地形數(shù)據(jù)，用于確定漩渦、冰緣位置、表面風(fēng)速和有效波高等信息，同時(shí)可為建立海洋模型提供動(dòng)態(tài)輸入數(shù)據(jù)，這些模型有助于理解全球氣候變化、長期氣候預(yù)報(bào)機(jī)制和行星能量平衡等[27]。GFO的數(shù)據(jù)通過同化處理，已廣泛用于提供環(huán)流和海洋環(huán)境結(jié)構(gòu)的數(shù)值預(yù)測系統(tǒng)中，在科學(xué)研究以及全球極端變化事件的監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。

1992 年8 月10 日，美國NASA 和法國國家空間研究中心（Centre National d′ Etudes Spatiales, CNES）合作研制的Topex/Poseidon （T/P）衛(wèi)星發(fā)射成功，該衛(wèi)星軌道高度為1336 km，軌道傾角為66°，軌道重復(fù)周期為10 天。T/P 衛(wèi)星的載荷分布如圖3 所示，衛(wèi)星上搭載了兩臺(tái)雷達(dá)高度計(jì)：一臺(tái)是由美國NASA研制的雙頻Topex 雷達(dá)高度計(jì)，工作在Ku 波段（13.575 GHz）和C 波段（5.4 GHz）；另一臺(tái)是法國CNES 研制的單頻固態(tài)雷達(dá)高度計(jì)Poseidon-1，工作在Ku 波段（13.65 GHz）。Topex 高度計(jì)是世界上第一臺(tái)雙頻雷達(dá)高度計(jì)，通過雙頻同步測量來校正電離層引起的路徑延遲，其儀器參數(shù)如表2 所示。另外T/P 衛(wèi)星搭載了三頻段（17.0，21.0 和37.0 GHz）微波輻射計(jì)（Topex Microwave Radiometer, TMR），用于校正濕對(duì)流層引起的路徑延遲。T/P 衛(wèi)星首次搭載了全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）和多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)（Doppler Orbitograph and Radio Positioning Integrated by Satellite,DORIS），使得T/P 衛(wèi)星的徑向軌道精度達(dá)到了3～4 cm[28]。

圖3 T/P 衛(wèi)星載荷分布Fig. 3 T/P spacecraft illustration

表2 Topex 雷達(dá)高度計(jì)儀器參數(shù)Table 2 Specification of the Topex radar altimeter

T/P 衛(wèi)星的主要目標(biāo)是觀測海洋環(huán)流及其對(duì)氣候變化的作用，并為海洋大地測量以及地球物理相關(guān)的研究提供數(shù)據(jù)支持。T/P 衛(wèi)星以每10 天一個(gè)重復(fù)周期提供全球動(dòng)力海洋地形（Dynamic Ocean Topography, DOT）；T/P 衛(wèi)星還用于測量全球洋流變化，確定洋流對(duì)氣候變化的影響，并提供潮汐、海浪和風(fēng)等海況信息。2002 年9 月15 日， T/P 衛(wèi)星調(diào)整到新的軌道高度，新軌道調(diào)整到原地面軌跡的中間位置上，而T/P 衛(wèi)星的初期軌道由Jason-1 取代。

2001 年12 月T/P 衛(wèi)星的后續(xù)衛(wèi)星Jason-1 發(fā)射成功，Jason-1 衛(wèi)星由NASA 和CNES 合作實(shí)施，用于接替已經(jīng)運(yùn)行了9 年的T/P 衛(wèi)星，繼續(xù)對(duì)全球海平面進(jìn)行高精度的測量，同時(shí)為全球洋流變化和氣候研究積累更長時(shí)間的數(shù)據(jù)。 圖4 給出了Jason-1 衛(wèi)星載荷分布，Jason-1 衛(wèi)星其主要特征（軌道、儀器、觀測精度等）與 T/P 基本一致，其中Poseidon-2高度計(jì)為雙頻固態(tài)雷達(dá)高度計(jì)，由 CNES 研制，工作頻率為 13.575 GHz （Ku 波段）和 5.3 GHz （C 波段），可用于電離層校正，其儀器參數(shù)如表3 所示。校正輻射計(jì)的工作頻率是18.7，23.8，34.0 GHz。相比于T/P 衛(wèi)星，Jason-1 衛(wèi)星搭載了技術(shù)水平和精度水平更高的星載GPS 接收機(jī)、DORIS 接收機(jī)以及激光反射器，用于獲取衛(wèi)星的精密軌道。Jason-1 衛(wèi)星的海面高度測量精度達(dá)到4 cm，每10 天即可實(shí)現(xiàn)全球95%無冰覆蓋海面的精確重復(fù)測量[29]。

圖4 Jason-1 衛(wèi)星載荷分布Fig. 4 Instrument allocations on the Jason-1 spacecraft

Jason-2 是Topex/Poseidon 和Jason-1 的后續(xù)衛(wèi)星，主要用于海洋表面地形觀測，因此也稱為海洋表面地形任務(wù)（Ocean Surface Topography Mission,OSTM）。Jason-2 衛(wèi)星于2008 年6 月20 日發(fā)射，由CNES、NASA、歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織 （European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites, EUMETSAT） 以及NOAA 等機(jī)構(gòu)聯(lián)合實(shí)施。其中Poseidon-3 高度計(jì)由CNES 提供，與Poseidon-2 基本特征一致，但是儀器的噪聲功率更低。為了更好地跟蹤陸地表面和冰面，Jason-2 高度計(jì)采用了新的跟蹤算法。Jason-2 衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)與T/P和Jason-1 衛(wèi)星相同，其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)海面高度的測定，進(jìn)而確定海洋環(huán)流和平均海平面的變化趨勢，為天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測等提供科學(xué)依據(jù)，該衛(wèi)星獲得海面高精度可達(dá)2.5～3.4 cm[30]。圖5 給出了分別利用T/P 和Jason-2 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)觀測到的1997—1999 年和2015—2017 年厄爾尼諾事件。

圖5 利用T/P 衛(wèi)星和Jason-2 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)監(jiān)測到的1997—1999 年和2015—2017 年厄爾尼諾事件Fig. 5 El Ni?o events detected using the T/P and Jason-2 radar altimeters in 1997—1999 and 2015—2017

Jason-3 衛(wèi)星由CNES ，NASA ，EUMETSAT和NOAA 共同研制，于2016 年1 月17 日發(fā)射，衛(wèi)星軌道高度為1336 km，軌道傾角為66°，軌道重復(fù)周期為10 天。Jason-3 作為T/P，Jason-1 及Jason-2 衛(wèi)星的后續(xù)衛(wèi)星，將提供與其一致的、連續(xù)的、高精度和相同覆蓋范圍的觀測數(shù)據(jù)。 Jason-3 衛(wèi)星以優(yōu)于4 cm 的精度探測全球海面高度，目的是研究海洋環(huán)流、氣候變化和海平面上升。圖6 給出了利用T/P，Jason-1，Jason-2 和Jason-3 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)得到的全球海平面變化[6]，圖7 給出了利用多源衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)得到的全球海洋潮汐模型[12]。

圖6 聯(lián)合T/P，Jason-1，Jason-2 和Jason-3 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)得到的全球海平面變化Fig. 6 Measuring global sea level rise derived from the Jason-1, Jason-2 and Jason-3 satellite altimetry data

圖7 聯(lián)合T/P，Jason-1，Jason-2 和Jason-3 等衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)得到的全球海洋潮汐模型Fig. 7 Global ocean tide model obtained by combining T/P, Jason-1, Jason-2, and Jason-3 satellite altimeter data

ERS-1 是歐洲空間局（European Space Agency,ESA）發(fā)射的第一顆地球觀測衛(wèi)星，于1991 年7 月17 日發(fā)射進(jìn)入太陽同步軌道，軌道高度為785 km，軌道傾角為98.5°。ERS-1 衛(wèi)星載荷分布如圖8 所示，ERS-1 攜帶的雷達(dá)高度計(jì)（RA1: Radar Altimeter1）主要用于測量大地水準(zhǔn)面、海洋重力場以及極地冰蓋和海冰，其儀器載荷參數(shù)如表4 所示。ERS-1 衛(wèi)星主要利用SLR 進(jìn)行軌道改正，海面高度測量精度為10 cm。ERS-1 衛(wèi)星包含多個(gè)任務(wù)階段，分別為重復(fù)周期3 天、35 天和168 天的大地測量任務(wù)。3 天的重復(fù)軌道任務(wù)主要用于定標(biāo)，35 天的重復(fù)軌道任務(wù)用于海洋觀測，168 天的重復(fù)軌道任務(wù)則用于大地測量。

圖8 ERS-1 衛(wèi)星載荷分布Fig. 8 ERS-1 spacecraft

表4 RA-1 雷達(dá)高度計(jì)儀器參數(shù)Table 4 Specification of the RA-1 instrument

為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，ESA 于1995 年4 月21 日發(fā)射了ERS-1 衛(wèi)星的后續(xù)衛(wèi)星ERS-2。ERS-2軌道高度為785 km，軌道傾角為98.5°，軌道重復(fù)周期為35 天。該衛(wèi)星的主要任務(wù)是進(jìn)行地球觀測，特別是對(duì)大氣和海洋的觀測，觀測區(qū)域包括南極、北極在內(nèi)的地球表面，并可用于監(jiān)測海冰范圍及其密集度，圖9 給出了利用ERS-1/2 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)反演得到的北極海冰厚度[16]。ERS-2 雷達(dá)高度計(jì)的基本參數(shù)與 ERS-1 高度計(jì)一致。ERS-2 和ERS-1 發(fā)射日期間隔不到4 年，兩顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了同一軌道平面內(nèi)的組網(wǎng)觀測，為大氣、陸地、海洋、冰川監(jiān)測打下了基礎(chǔ)。

圖9 利用ERS-1 和ERS-2 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)得到的北極海冰厚度Fig. 9 Arctic sea ice thickness derived from the ERS-1 and ERS-2 radar altimetry data

Envisat 屬于ERS-1/2 的后續(xù)衛(wèi)星，由ESA 制造，發(fā)射于2002 年3 月1 日，主要應(yīng)用于環(huán)境研究，特別是氣候變化研究，主要任務(wù)是對(duì)地球大氣及地球表面進(jìn)行觀測。Envisat 軌道與ERS-2 相似，軌道為764～825 km 的太陽同步軌道，軌道傾角為 98.5°，運(yùn)行重復(fù)周期為 35 天，實(shí)際地面軌跡與標(biāo)稱偏差保持在1 km 以內(nèi)[31]。Envisat 衛(wèi)星的載荷分布如圖10 所示，載荷主要有第二代雷達(dá)高度計(jì)（RA2: Radar Altimeter2）、微波輻射計(jì)（Microwave Radiometer,MWR）、 DORIS 系統(tǒng)、 LRA 系統(tǒng)，其中RA-2 雷達(dá)高度計(jì)儀器參數(shù)如表5 所示。

表5 RA-2 雷達(dá)高度計(jì)儀器參數(shù)Table 5 Specification of the RA-2 instrument

法國CNES 和印度空間研究組織 （Indian Space Research Organization, ISRO） 聯(lián)合研制的SARAL 衛(wèi)星于2013 年2 月25 日成功發(fā)射，其載荷分布如圖11 所示，SARAL 衛(wèi)星的主要有效載荷為Altika 雷達(dá)高度計(jì)，Altika 為第一臺(tái)Ka 波段雷達(dá)高度計(jì)，由法國CNES 研制，其儀器參數(shù)如表6 所示。

圖11 SARAL 衛(wèi)星載荷分布Fig. 11 SARAL spacecraft configuration

表6 AltiKa 雷達(dá)高度計(jì)參數(shù)Table 6 Key parameters of the AltiKa radar altimeter

相比于Ku 波段高度計(jì)，Ka 波段測高的優(yōu)點(diǎn)包括： 電離層延遲小、分辨率高、更精細(xì)的海面探測能力等[32]。Ka 波段也有一定的缺點(diǎn)，在對(duì)流層傳播時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的衰減[33,34]。

2.2 合成孔徑體制高度計(jì)的發(fā)展

自從1978 年Seasat 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)正式業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，雷達(dá)高度計(jì)（Geosat，ERS-1/2，T/P，GFO，Envisat，Jason-1/2/3 等） 一直采用脈沖有限體制的工作模式。為了進(jìn)一步提高雷達(dá)高度計(jì)的測量精度和空間分辨率，Raney 提出了基于延遲校正的多普勒銳化技術(shù)，提高了測量精度和順軌向分辨率，從而形成延遲-多普勒雷達(dá)高度計(jì)（Delay/Doppler Radar Altimeter, DDA）[35]，目前國際上也普遍稱之為合成孔徑高度計(jì)（Synthetic Aperture Radar Altimeter,SAR altimeter）。

如圖12（a）（b）所示，脈沖有限體制雷達(dá)高度計(jì)的脈沖有限足跡是直徑為 2 km 左右的圓，且隨著海面粗糙度的增大而增大；圖12（c）（d）表明，合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)在順軌向進(jìn)行了合成孔徑處理，其足跡是沿航跡向?qū)挾葹?300 m 左右的條帶，且不隨著海面粗糙度的變化而變化，提高了有效觀測次數(shù)，同時(shí)提高了測量精度和沿航跡向分辨率。由于回波足跡的改變，合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)的回波形狀也與脈沖有限體制雷達(dá)高度計(jì)（類似于階躍函數(shù)） 不同，類似于脈沖函數(shù)，如圖13 所示。

圖12 脈沖有限雷達(dá)高度計(jì)和合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)照亮足跡對(duì)比Fig. 12 Comparison of the footprint geometry between PLR altimeter and SAR altimeter

圖13 合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)回波波形Fig. 13 Echo generation process of SAR altimeter

為了監(jiān)測極地冰的范圍和厚度的變化，ESA 于2005 年10 月8 日發(fā)射了一顆專門用于極地觀測的衛(wèi)星Cryosat，但由于火箭發(fā)射失敗，該衛(wèi)星發(fā)射不久后墜毀。 2010 年4 月8 日，ESA 又發(fā)射了Cryosat 的替代星Cryosat-2 衛(wèi)星。為了觀測更大范圍內(nèi)的海冰及冰蓋變化情況，Cryosat-2 衛(wèi)星的軌道傾角設(shè)定為92°，測量的緯度范圍可達(dá)±88°，軌道高度為717 km，軌道重復(fù)周期為369 天。

Cryosat-2 衛(wèi)星主要科學(xué)目標(biāo)為：確定海洋中海冰厚度的變化，確定南極、北極海冰質(zhì)量和厚度的區(qū)域性變化、季節(jié)性變化、年際變化趨勢，以及冰蓋和冰川厚度的變化，研究南極和格陵蘭島冰蓋消融對(duì)全球海平面上升的影響，以及氣候變化對(duì)南極和北極海冰厚度變化的影響[36]。

CryoSat-2 衛(wèi)星的載荷分布如圖14 所示，其主要有效載荷是合成孔徑干涉雷達(dá)高度計(jì)（SAR Interferometric Radar Altimeter, SIRAL），SIRAL 雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)在極地測量方面取得了巨大成功，圖15～17分別給出了CryoSat-2 數(shù)據(jù)在極地冰蓋[15]、北極海冰厚[17]、北極地轉(zhuǎn)流[3]等方面的典型應(yīng)用。在進(jìn)行冰測量的同時(shí)，CryoSat-2 衛(wèi)星還在海洋上進(jìn)行了高度計(jì)合成孔徑測高模式的實(shí)驗(yàn)并取得了巨大的成功，CryoSat-2 合成孔徑測高體制下獲得的海面高度噪聲水平都低于Jason-2[37]，這些結(jié)果為ESA 的 Sentinel-3 A 和Sentinel-3 B 上搭載的合成孔徑高度計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

圖14 CryoSat-2 衛(wèi)星載荷分布Fig. 14 CryoSat-2 spacecraft and its instruments

圖15 利用CryoSat-2 雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)生成的格陵蘭島冰蓋數(shù)字高程模型Fig. 15 Ice elevation model of Greenland derived from CryoSat-2 radar altimetry data

圖16 利用CryoSat-2 雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)反演的北極海冰厚度Fig. 16 Arctic sea ice thickness derived from the CryoSat-2 altimetry data

圖17 利用CryoSat-2 測高數(shù)據(jù)獲取的北極海面高度異常與地轉(zhuǎn)流Fig. 17 Arctic sea level anomaly and geotrophic current derived from the CryoSat-2 radar altimetry data

Sentinel-3 衛(wèi)星由ESA 和歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites，EUMETSAT） 組織實(shí)施。該衛(wèi)星軌道高度為814 km，軌道傾角為98.6°， 軌道重復(fù)周期為27 天。其中Sentinel-3 A 衛(wèi)星于2016 年2 月16 日發(fā)射，Sentinel-3 B 于2018 年4 月25 日發(fā)射。

Sentinel-3 衛(wèi)星的載荷分布如圖18 所示，Sentinel-3 A 和Sentinel-3 B 衛(wèi)星都搭載了合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)（Synthetic Aperture Radar Altimeter, SRAL）。為了修正電離層傳輸延時(shí)帶來的誤差，SRAL 雷達(dá)高度計(jì)技術(shù)方案采用雙頻體制，工作頻率分別是 Ku（13.575 GHz）和C （5.41 GHz），共用一臺(tái)天線[38]。SRAL 的主要目的是進(jìn)一步研究海洋環(huán)流、水深測量和海洋大地水準(zhǔn)面特性。同時(shí)SRAL 還將測量海岸帶、內(nèi)陸水域（湖和大的河流）、極地海冰和冰蓋。從雷達(dá)回波測量的風(fēng)速和有效波高可以對(duì)天氣和海況進(jìn)行預(yù)測。

圖18 Sentinel-3 衛(wèi)星載荷分布Fig. 18 Alternate view of the Sentinel-3 spacecraft and the accommodation of the payload

Jason-CS （Jason Continuity of Service）又稱Sentinel-6 衛(wèi)星，其中Sentinel-6 A 于2020 年11 月21 日發(fā)射，軌道與Jason 系列衛(wèi)星一致，軌道高度為1336 km，軌道傾角為66°，軌道重復(fù)周期為10 天，是ESA，EUMETSAT，NASA，CNES 和NOAA 的聯(lián)合任務(wù)，確保Jason-3 后能夠提供不間斷的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)服務(wù)；Sentinel-6 B 星計(jì)劃于2025 年發(fā)射[39]。Sentinel-6 衛(wèi)星的載荷分布如圖19 所示，衛(wèi)星上搭載了合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)。區(qū)別于Sentinel-3 合成孔徑高度計(jì)的閉環(huán)工作模式，Sentinel-6 合成孔徑高度計(jì)工作在開環(huán)模式，進(jìn)一步提高了測量精度，高度計(jì)測距精度達(dá)到了0.8 cm[40]。

圖19 Sentinel-6 A 衛(wèi)星載荷分布Fig. 19 Alternate view of the Sentinel-6 A spacecraft and the accommodation of the payload

2.3 寬刈幅體制高度計(jì)的發(fā)展

脈沖有限高度計(jì)和合成孔徑高度計(jì)都采用了窄波束的天線，為了增大雷達(dá)高度計(jì)的測量刈幅，有研究提出了寬刈幅海洋高度計(jì)（Width Swath Ocean Altimeter, WSOA）的構(gòu)想[41]。其由一個(gè)傳統(tǒng)的底視高度計(jì)（Ku，C 雙波段，并且?guī)в腥l輻射計(jì)和 GPS接收機(jī)）和一個(gè) Ku 波段的側(cè)視雷達(dá)干涉儀組成。其中星下點(diǎn)高度計(jì)主要用來測量高精度海面高度、電離層以及干涉儀的校準(zhǔn)；雷達(dá)干涉儀能夠?qū)煞鶈我晱?fù)圖像，處理后得到干涉相位圖，然后從干涉相位信息中獲取海洋的三維地形圖。

2007 年，美國國家研究理事會(huì)提出了SWOT（Surface Water and Ocean Topography）衛(wèi)星計(jì)劃，由美國NASA 和法國CNES 聯(lián)合實(shí)施，該計(jì)劃采用衛(wèi)星觀測地球表面水體，研究河流、湖泊、水庫和海洋等水資源的情況，進(jìn)而監(jiān)測全球淡水資源，改進(jìn)海洋環(huán)流模型及天氣和氣候的預(yù)測。SWOT 衛(wèi)星于2022 年12 月16 日發(fā)射，衛(wèi)星的軌道高度為890 km，軌道傾角為78°，衛(wèi)星軌道重復(fù)周期為22 天（在軌校驗(yàn)期間軌道重復(fù)周期為3 天）。

SWOT 衛(wèi)星的干涉測高如圖20 所示，主要包括一個(gè)Ka 波段的寬刈幅干涉高度計(jì) （KaRIN），儀器參數(shù)如表7 所示，其能夠?qū)Φ乇磉M(jìn)行寬刈幅干涉測量，觀測帶的寬度達(dá)120 km[42]；還包括一個(gè)底視高度計(jì)、一個(gè)三頻微波輻射計(jì)、一套衛(wèi)星精密定軌/定位系統(tǒng)。

圖20 SWOT 衛(wèi)星寬刈幅干涉測高Fig. 20 SWOT integrated measurement approach

表7 KaRIN 雷達(dá)干涉儀參數(shù)Table 7 Main parameters of KaRIN

目前SWOT 衛(wèi)星干涉測高儀的數(shù)據(jù)尚未向全球用戶開放，NASA 和CNES 對(duì)外發(fā)布了一些SWOT干涉測高儀數(shù)據(jù)在海洋和陸地應(yīng)用的圖片，圖21 和圖22 分別給出了SWOT 干涉測高儀在近岸和內(nèi)陸水方面的表現(xiàn)[43,44]。

圖21 利用SWOT 干涉測高儀獲取的加利福尼亞州北部海岸海面高度異常Fig. 21 Sea surface height anomalies along the northern coast of California measured by the SWOT interferometric altimeter

圖22 SWOT 干涉測高儀捕捉到阿拉斯加的育空河（紅色為育空河和附近的湖）Fig. 22 SWOT interferometric altimeter captured the Yukon River in Alaska （The red image showing the Yukon River and nearby lakes）

3 中國海洋衛(wèi)星測高技術(shù)的發(fā)展

與歐美國家相比，中國雷達(dá)高度計(jì)的研究起步較晚，但經(jīng)過30 多年的發(fā)展，在脈沖有限體制、合成孔徑體制和寬刈幅體制方面都取得了重大的進(jìn)展。

3.1 脈沖有限體制高度計(jì)的發(fā)展

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心在1995 年研制出了第一部機(jī)載海洋雷達(dá)高度計(jì)，獲得了機(jī)載飛行數(shù)據(jù)，其測高精度為15 cm，有效波高的精度為實(shí)際波高的15%。

神舟四號(hào)（SZ-4）飛船于2002 年 12 月 30 日發(fā)射成功，其軌道高度為340 km，圖23 給出了SZ-4 飛船上搭載的多模態(tài)微波遙感器。由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制的SZ-4 主載荷多模態(tài)微波遙感器中的雷達(dá)高度計(jì)，是一個(gè)脈沖有限體制雷達(dá)高度計(jì)，其工作頻率為13.9 GHz，信號(hào)帶寬為333 MHz，測高精度為10 cm，有效波高測量精度為0.5 m，后向散射系數(shù)測量精度為1 dB。多模態(tài)微波遙感器作為中國第一個(gè)上星的微波遙感器，成功地實(shí)現(xiàn)了功能體制驗(yàn)證，為后續(xù)的海洋二號(hào)（HY-2）衛(wèi)星奠定了基礎(chǔ)。

圖23 SZ-4 飛船多模態(tài)微波遙感器Fig. 23 SZ-4 multimodal microwave remote sensor

HY-2 衛(wèi)星是中國業(yè)務(wù)化應(yīng)用的海洋動(dòng)力環(huán)境系列衛(wèi)星，首發(fā)星HY-2A 于2011 年8 月16 日發(fā)射，衛(wèi)星照片如圖24 所示，主載荷包括：雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)、微波輻射計(jì)和大氣校正輻射計(jì)。HY-2A 設(shè)計(jì)的軌道高度為971 km，軌道傾角為99°，HY-2A 衛(wèi)星初期在重復(fù)周期為14 天的動(dòng)力軌道，從2016 年3 月開始轉(zhuǎn)入重復(fù)周期為168 天的漂移軌道，開始進(jìn)行大地測量任務(wù)。HY-2A 的目標(biāo)是監(jiān)測和調(diào)查海洋環(huán)境，包括海面風(fēng)場、浪場、海流、海面溫度、海上風(fēng)暴和潮汐等海況的重要參數(shù)，掌握災(zāi)害性海況預(yù)報(bào)，為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)服務(wù)，為海洋科學(xué)研究提供實(shí)測數(shù)據(jù)。

圖24 HY-2A 衛(wèi)星Fig. 24 Photo of the HY-2A spacecraft

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制了HY-2A/B/C/D 四個(gè)衛(wèi)星的雷達(dá)高度計(jì)。HY-2 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)是一個(gè)雙頻脈沖有限體制雷達(dá)高度計(jì)，分別工作在Ku 波段和C 波段，中心頻率分別為13.58 GHz和5.25 Hz，信號(hào)帶寬為320 MHz。采用脈沖有限工作方式測量海面高度、有效波高和海面風(fēng)速等海洋基本要素。HY-2A 雷達(dá)高度計(jì)儀器測距精度達(dá)到2 cm，有效波高精度達(dá)到0.2 m，風(fēng)速測量精度達(dá)到1.5 m·s-1。HY-2A 衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為3 年，雷達(dá)高度計(jì)在軌工作了11 年，獲得了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)并已得到用戶廣泛使用，圖25 給出了利用HY-2A 高度計(jì)監(jiān)測2015—2016 年厄爾尼諾事件，圖26 給出了利用HY-2A 測量獲得的南海海域重力異常。

圖26 利用HY-2A 測量獲得的南海海域重力異常Fig. 26 Gravity anomalies in the South China Sea area obtained from HY-2A measurements

表8 給出了HY-2A 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)儀器硬件指標(biāo)，HY-2A 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)采用大時(shí)帶積線性調(diào)頻信號(hào)，并采用全去斜坡技術(shù)和雙頻全固態(tài)體制。其中雙頻設(shè)計(jì)用來校正電離層對(duì)高度測量的影響；大時(shí)帶積線性調(diào)頻信號(hào)降低了發(fā)射峰值功率；星上采用SMLE 和OCOG 并行跟蹤算法，增強(qiáng)了高度計(jì)的跟蹤能力，采用地面的二次跟蹤技術(shù)，可以獲得高精度的測高結(jié)果[45]。

表8 HY-2A 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)儀器硬件指標(biāo)Table 8 Main parameters of the HY-2A radar altimeter

2018 年10 月25 日，2020 年9 月21 日，2021 年5 月19 日，中國先后發(fā)射了海洋二號(hào)B 星、C 星和D 星，從而建成了中國首個(gè)海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，具備全天時(shí)、全天候、高精度的測量能力。HY-2B 星沿用了HY-2A 軌道，軌道傾角為99°，重復(fù)周期為14 天；HY-2C 和HY-2D 采用了66o傾角的傾斜，重復(fù)周期為10 天。隨著三星組網(wǎng)，全球海洋監(jiān)測的覆蓋能力達(dá)到80%以上，海洋監(jiān)測的效率和精度得到大幅提升，HY-2 衛(wèi)星觀測網(wǎng)格間距優(yōu)于100 km[46]，達(dá)到國際先進(jìn)水平。這3 個(gè)衛(wèi)星上分別搭載的雙頻雷達(dá)高度計(jì)，在HY-2A 星高度計(jì)的基礎(chǔ)上增加了高穩(wěn)定的銣鐘，年漂移率不超過0.1 mm，大大提高了測量的穩(wěn)定性。HY-2B/C/D 高度計(jì)的儀器測距精度均優(yōu)于2 cm，單星海面高度自交叉不符值優(yōu)于5 cm，對(duì)應(yīng)的海面高度精度優(yōu)于3.4 cm。海洋二號(hào)高度計(jì)組網(wǎng)數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于海洋預(yù)報(bào)、中尺度渦監(jiān)測[47]、重力場[48]和海底地形[49]反演、冰間水道識(shí)別[50]、海冰厚度反演[51,52]等方面的研究。圖27～30 分別給出了海洋二號(hào)高度計(jì)組網(wǎng)數(shù)據(jù)在海面高度測量、海洋重力場[48]和海底地形[49]反演、中尺度渦監(jiān)測[47]方面的典型應(yīng)用。

圖27 HY-2B 測量的海面高度異常（2018 年12 月10—24 日）Fig. 27 Sea level anomalies obtained from HY-2B measurements （10—24 December 2018）

圖28 融合HY-2A/B/C/D 高度計(jì)數(shù)據(jù)反演得到的全球重力異常Fig. 28 Global gravity anomaly obtained by fusing HY-2A/B/C/D altimeter data

圖29 融合HY-2A/B/C/D 高度計(jì)數(shù)據(jù)反演得到的全球海底地形Fig. 29 Global seafloor topography obtained by fusing HY-2A/B/C/D altimeter data

圖30 HY-2B/C/D 高度計(jì)數(shù)據(jù)在中尺度渦監(jiān)測中的應(yīng)用Fig. 30 Application of HY-2B/C/D altimetry data in mesoscale eddies monitoring

HY-2 系列衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量得到國內(nèi)外機(jī)構(gòu)的充分認(rèn)可，法國空間中心的科學(xué)家經(jīng)過多次評(píng)估，認(rèn)為HY-2 系列衛(wèi)星獲取的海面高度數(shù)據(jù)精度較高，具有與歐美國家衛(wèi)星同等的精度水平[53-55]。自2011 年10 月開始，HY-2 系列衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)已納入到歐洲業(yè)務(wù)化運(yùn)行的高度計(jì)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)（DUACS）中，為全球用戶提供數(shù)據(jù)。

3.2 合成孔徑體制高度計(jì)的發(fā)展

中國對(duì)合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)的研究從2000 年開始，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心是中國最早從事合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)研究的單位，對(duì)合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)測量原理、信號(hào)處理、回波模型和回波重跟蹤算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了重要的研究成果[56-59]。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制的合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)載荷通過了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以在閉環(huán)和開環(huán)兩種工作模式下，通過指令在兩種工作模式之間切換。在HY-2E 和HY-2F 星上，將搭載合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)（儀器參數(shù)參見表9），以替代已有的脈沖有限體制高度計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球海面高度、海岸帶、海冰和海洋重力場等目標(biāo)的持續(xù)觀測。

表9 HY-2E 星合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)參數(shù)Table 9 Main parameters of the HY-2E radar altimeter

3.3 寬刈幅體制高度計(jì)的發(fā)展

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心自1998 年開始寬刈幅體制高度計(jì)研究工作，突破了孔徑合成技術(shù)和干涉信息提取技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋和陸地的立體觀測[60]。

2016 年9 月15 日，由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制的天宮二號(hào)寬刈幅體制高度計(jì)（TG-2 高度計(jì)） 隨天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，成為了國際上第一個(gè)上星的寬刈幅雷達(dá)高度計(jì)。TG-2 高度計(jì)在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室中的位置如圖31 所示，其儀器參數(shù)如表10 所示，TG-2 高度計(jì)采用了小入射角和短基線干涉測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的單側(cè)幅寬達(dá)到了數(shù)十公里、海平面高度相對(duì)測量精度達(dá)到厘米級(jí)[61]。圖32 和圖33 給出了TG-2 寬刈幅高度計(jì)數(shù)據(jù)在海面高度測量和海洋重力異常反演中的應(yīng)用[62]。

圖31 TG-2 寬刈幅高度計(jì)在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室中的位置Fig. 31 Location of the TG-2 wide swath altimeter

圖32 TG-2 寬刈幅高度計(jì)數(shù)據(jù)得到的海面高度Fig. 32 Sea surface height measurements derived from the TG-2 interferometric imaging radar altimeter

圖33 TG-2 寬刈幅高度計(jì)數(shù)據(jù)反演得到的海洋重力異常Fig. 33 Gravity anomalies derived from the TG-2 interferometric imaging radar altimeter.

表10 TG-2 寬刈幅高度計(jì)主要系統(tǒng)參數(shù)Table 10 Main parameters of the TG-2 wide swath altimeter

4 結(jié)語

從20 世紀(jì)70 年代起，國際上已發(fā)射了一系列的測高衛(wèi)星。1973 年發(fā)射的Skylab 代表著衛(wèi)星測高技術(shù)的起步；1985 發(fā)射的Geosat 標(biāo)志著衛(wèi)星測高技術(shù)的成熟；1992 年發(fā)射的T/P 衛(wèi)星標(biāo)志著高精度測高的開端；2016 年發(fā)射的Sentinel-3A 標(biāo)志著新型的合成孔徑技術(shù)體制的成熟運(yùn)用，并將逐步替代已有脈沖有限體制高度計(jì)；2022 年發(fā)射的SWOT 標(biāo)志著衛(wèi)星測高進(jìn)入了寬刈幅測量的時(shí)代。

中國2002 年發(fā)射的SZ-4 飛船多模態(tài)微波遙感器，標(biāo)志著中國衛(wèi)星測高技術(shù)的起步；2011—2021 年期間陸續(xù)發(fā)射的HY-2A/B/C/D 四星，標(biāo)志著中國高精度衛(wèi)星測高技術(shù)的成熟，單星水平與國際同類衛(wèi)星最高水平的Jason-3 相當(dāng)，業(yè)務(wù)化組網(wǎng)觀測能力處于領(lǐng)先；計(jì)劃中的HY-2E/F 星將采用合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)體制代替HY-2A/B/C/D 的脈沖有限體制；作為國際上第一個(gè)搭載的TG-2 寬刈幅高度計(jì)，代表著中國在寬刈幅測高方面的良好開端。

目前高精度的全球海面高度連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，已在全球海洋環(huán)流、中尺度渦、全球和區(qū)域性海平面變化、海洋短波重力場、海底地形、海洋潮汐等方面發(fā)揮著不可替代的作用，同時(shí)在有效波高、海面風(fēng)速、冰蓋高程、海冰厚度和內(nèi)陸水位測量等方面發(fā)揮著重要作用。可以說衛(wèi)星測高技術(shù)開辟了海洋遙感的新領(lǐng)域，為認(rèn)知海洋、開發(fā)利用海洋、開展全球變化研究等方面提供卓越的手段。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，海洋衛(wèi)星測高也將繼續(xù)向高精度、高分辨率、寬刈幅和快速全球覆蓋方向發(fā)展，并將進(jìn)一步推動(dòng)多領(lǐng)域的科學(xué)研究。