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多源卫星测高数据基准的统一研究


第 2 8卷第 3期
2 0 0 8年 6月

大地测量与地球动力学
JOURNAL O F GEOD ESY AND GEOD YNAM I CS

Vol 28 No. 3 .

  June, 2008

多源卫星测高数据基准的统一研究
金涛勇   李建成   邢乐林
1) 1) 1, 2)

1)武汉大学测绘学院 ,武汉  430079

2 )中国地震局地震研究所 ,武汉  430071

摘    要 研究并给出了多源卫星测高数据基准统一的方法 。利用经过精密预处理的测高卫星观测数据 , 计算得
到了各测高系统之间的框架转换参数 。同时 ,利用该转换参数结合交叉点平差技术建立了中国海域的平均海面高 模型 ,并与 K S04、 M CLS01 和 WHU2000 平均海面高模型进行比较 ,验证了多源卫星测高数据基准统一方法及其确 定的框架转换关系的可靠性 。

关键词   卫星测高 ; 参考椭球 ; 参考框架 ; 基准统一 ; 交叉点 中图分类号 : P207      文献标识码 : A

1 ) S chool of Geodesy and Geom a tics, W uhan U n iversity, W uhan  430079 2 ) Institu te of S eism ology, CEA, W uhan  430071

Abstract The methods for datum

确地提供海洋表面高度的观测值 , 为研究海洋学及 [1] 相关学科提供丰富的信息源 。近 30 多年来实施 的海洋卫星测高计划已在海洋信息提取方面取得了 许多突破性的成果 。随着计划的不断实施 , 测高数 据以海量形式增加 。多种测高卫星项目的出现 , 为

pared w ith CLS01, K S04 and WHU2000 m ean sea surface models, the validity and credibility of m ean sea sur2 M face model of China sea and the transform m ethod and parameters are verified. Key words: satellite alti etry; reference ellip soid; reference frame; datum unification; crossovers m

nally, a m ean sea surface model of China Sea are established after data unification and crossover adjustm ent Com 2 .

1  引言

transfer parameters betw een several alti etric system were calculated from edited and corrected altim etric data. Fi2 m

卫星测高能在全球范围内全天候 、 多次重复 、 准

3 收稿日期 : 2008 2 2 03 19

基金项目 : 国家自然科学基金 ( 40637034, 40704004) ,中国地震局地震研究所所长基金 ( I S200736026) O 作者简介 : 金涛勇 ,男 , 1982 年生 ,博士生 ,主要从事卫星大地测量研究 . E - mail: whutyjin@163. com

RESEARCH O N DATUM UN IF ICAT IO N O F M UL T I2SATELL ITE AL T IM ETR IC DATA
J in Taoyong , L i J iancheng , Xing Lelin
1) 1) 1, 2)

unification of m ulti2satellite altim etric data were studied and given, and the

地学和大地测量学的研究提供了更加丰富的数据 。 对所有这些测高系统的综合和交叉运用 , 可以充分 发挥各测高系统的优势 。然而多种多代测高卫星数 据的精度水平差距较大 , 有些还存在参考椭球和参 考框架的差别 ,联合处理多种多代卫星测高数据必 须考虑对各测高系统使用参考椭球和参考框架进行 统一 ,即参考基准的统一 。针对这一问题 ,本文讨论 了多种多代测高数据的基准统一方法 , 并以该方法

   文章编号 : 1671 2 5942 ( 2008 ) 03 2 0092 2 05

 褚永海

1)

and Chu Yonghai

1)

3

  3期 第

金涛勇等 : 多源卫星测高数据基准的统一研究

93

统一了基准 ,联合多种数据建立了中国海域海面高 [2] 模型 。

可能有相同点的观测值 。因此 , 可采用下述两种方 法寻找公共点观测值进行参考框架的转换 : 一是通 过某一高精度的全球平均海平面模型 , 内插出单一 测高卫星观测点的模型值 , 将模型值与观测值之差 作为观测值 ,计算此卫星与参考平均海平面模型之 间的框架转换参数 ,同理 ,得到其他卫星与该模型框 架的转换关系 ,从而可以获得各测高系统之间的参 考框架转换关系 ; 二是通过两测高卫星求解交叉点 , 以交叉点不符值作为观测值 , 直接得到这两颗卫星 之间的参考框架转换关系 。

2  基准转换方法
2. 1   参考椭球的转换
不同的测高卫星 ,椭球参数 、 椭球定位和定向的 差别可以导致测高数据观测值的差距达到 70 cm 左 右 ,因此 ,在联合数据处理时 , 必须将各卫星所使用 参考椭球转换到同一参考椭球 ,表 1 为相关测高卫 星的参考椭球参数
[3]



表 1  各测高卫星所用参考椭球参数
Tab. 1   Param eters of reference ellipso id used by sa tellite a lti eters m

3  数值计算分析
以 T / P测高卫星数据为目标框架 ,计算 Geosat/
ERM、 ERS2 /35、 1 ERS2 /35、 2 Jason 2 和 Envisat2 到 1 1 T / P框架的转换关系 。

卫星 Geosat
ERS2 /2 1 T/ P Jason 2 1
[1 ]

长半轴 (m ) 6 378 136. 3
6 378 137 6 378 136. 3 6 378 136. 3 6 378 137

扁率 ( 1 / f) 298. 257
298. 257 223 563 298. 257 298. 257 298. 257 222 101

3. 1   采用的数据与预处理

致引起的海面高差异为

式中 , a 是参考椭球的长半轴 , f 是参考椭球的扁率 , φ是大地纬度 , W =
1 - e sin φ, e为椭球的第一偏
2 2

心率 , da = a0 - a、 = f0 - f 分别为椭球的长半轴改 df 正和扁率改正 , dh 为参考椭球转换引起的海平面变 化。

2. 2   参考框架的转换
由于海平面的时变效应 、 卫星残余轨道误差 、 测 高仪的偏差 、 参考框架的不一致性以及各种地球物 理改正误差的存在 , 不同任务测高卫星所得到的平 均海平面之间存在一定的系统性误差或长波部分的 差异 。当对两种或两种以上测高卫星的海面高 数据联合处理时 , 应消除其影响 。这种系统误差可 以用原点的 3 个偏移量和一个整体的偏移量来表 示
[5 - 6 ]

φ λ φ λ φ H1 = H2 +Δx cos cos +Δy cos sin +Δz sin + B ( 2 ) 其中 , H1 为目标框架的海平面高 , H2 为转换框架相 φ 应点的海平面高 ,λ、 为对应点的经纬度 , △x、 y、 △ △z为原点的 3 个偏移量 , B 为整体的偏移量 。 两测高卫星之间的海平面高差组成参考框架转 换方程的观测值 , 但卫星的时空分辨率不尽相同 , 即 使是相同机构发射的后续卫星 , 重复周期轨道也存 在 1 ~2 km 的漂移 , 大地测量任务的卫星轨道更不

Envisat2 1

对于选定的测高卫星 , 由于参考椭球参数不一
[4 - 7]

:
( 1)

a 2 dh = - W da + ( 1 - f ) sin φdf W

:

数据 ; 4 ) 324 个周期时间跨度为 9 年的 T / P数据 ; 5 ) 110 个周期时间跨度为 3 年的 Jason 2 数据 ; 6 ) 20 个 1 周期时间跨度为 2 年的 Envisat2 数据 。 1 册为基础
[ 8 - 12 ]

比较全面的数据编辑准则 , 剔出原始数据中无效观 测记录并作地球物理和环境改正 。同时针对个别卫 星观测数据中某些改正值进行特殊处理
[3]

轨迹 。共线法利用重复平行轨迹上同纬度点海面高 的时间平均 ,可有效地消除周期短于所用共线轨迹 时间跨度的时变海面高影响 ,例如海潮潮汐的影响 , 以及部分轨道误差影响 ,当然 ,其中还包括具有随机 特性的时变量 。所求得的平均海面可以认为至少在 观测时间跨度 (如几个月 , 几年或更长 ) 内的稳态平 均海面 。 在对上述原始数据进行精密预处理后 , 分别对

期的 Jason 2 以及 20 个周期的 Envisat2 数据进行 1, 1 共线平差 。共线中从各卫星采用数据选取每个弧段 数据量最大的作为参考弧段 (仅参考其经纬度位置 信息 ,忽略对应海面高 ) ,并剔除与平均值差距大于 1 m 的海面高观测值 (表 2 ) 。

选取 的 测 高 数 据 为 : 1 ) 43 个 周 期 的 Geosat/ ERM 数据 ; 2 ) 11 个周期时间跨度为 1 年的 ERS2 / 1 35 数据 ; 3 ) 73 个周期时间跨度为 7 年的 ERS2 /35 2 数据预处理编辑标准以各测高卫星数据用户手
, 综合国内外同行的先进经验 , 得出



3. 2   共线平差

重复轨道测高卫星相邻的周期轨迹间偏离为 1

~2 km ,因此 ,可以把相邻的周期轨迹间视为平行的

43 个周期的 Geosat/ ERM、 个周期的 ERS2 /35、 11 1 73 个周期的 ERS2 /35、 个周期的 T / P、 个周 2 324 110

94

大地测量与地球动力学

28 卷

表 2  共线平差前后各卫星交叉点不符值精度统计 ( 单位 :
cm ) Tab. 2  Sta tistics of cross2over d ifferences of sa tellite a lti 2 m eters before and after collin ear adjust en t ( un it: m cm )

共线前

共线后

卫星

平均 均方根

Geosat/ ERM ERS2 /35 1 ERS2 /35 2 T/ P JASON 2 1 T/P

标准 标准 平均 均方根 偏差 偏差 - 0. 19 22. 78 22. 78 0. 35 12. 34 12. 34 1. 24 16. 92 16. 88 1. 35 10. 62 10. 53
2. 43 18. 81 18. 65 2. 67 11. 10 10. 76 3. 54 5. 80 6. 26 3. 48 5. 74 6. 26 - 0. 24 14. 12 14. 12 - 0. 62 - 0. 65 14. 14 14. 13 0. 79 - 0. 09 15. 06 15. 06 0. 32

3. 3   基于过渡框架的转换关系计算

由于 ERS2 /2、 1 Geosat/ ERM、 / P具有相同参考 T 平均海平面模型 ( OSU M SS95 ) , 以参考平均海平面 模型为过渡框架计算其相互转换关系 。 测高卫星具有重复周期的特点 , 这主要是卫星 运动与地球自转联合作用的结果 , 由于地球自转的 角速度在不同的纬度是不同的 , 高纬度的自转角速 度慢 ,导致卫星测高观测数据的空间分布不均匀 ,在 高纬度区密集 ,低纬度区稀疏 。因此 ,必须对不同纬 度的测高数据给予不同的权来降低密集的高纬度数 据的影响 。本文采用基于卫星倾角的纬度定权
[ 13 ]

据与其对应参考海平面模型 OSU M SS95 框架的转 换参数 。表 4 为利用表 3 数据得到的 Geosat/ ERM、

3. 4   基于交叉点的转换关系计算

对具有相同参考平均海平面模型的测高数据可 以利用前节所述方法得到其相互参考框架的转换关 系 ,然而所有测高系统采用的参考平均海平面高模 型并非一致 ,那么 ,仍需探求一种寻找公共点观测值 的方法 。本文设计了两测高系统间互交叉点作为公 共点观测值来求解其参考框架转换关系的方法 (表 5) 。
框架转换参数 (单位 : cm )

表 3   Geosa t/ ERM 、 ERS 2 /2 和 T / P 卫星与 O SU M SS95 1
Tab. 3  Tran sfer param eters from Geosa t/ ERM , ERS 2 /2 1 and T / P to O SU M SS95( un it: cm )

ERS2 /2 到 T / P 参考框架的转换参数 。 1
卫星 Geosat/ ERM
ERS2 /35 1 ERS2 /35 2

ENV ISAT2 1



表 3 为计算的 Geosat/ ERM、 2 /2 和 T / P 数 ERS 1
△x 6. 54 △y - 5. 67
0. 48 1. 10

表 4  利用 O SU M SS95 计算 Geosa t/ ERM 、 ERS2 /2 到 T / 1
P框架转换参数 (单位 : cm ) to T / P com puted by O SU M SS95( un it: cm )

表 5  互交叉点数据所得各卫星到 T / P 框架转换参数 ( 单 位 : cm )

出 ,两者所得的 3 个平移参数基本相同 ,差距在 1 ~
2 cm ,而偏差参数表现了较大的差距 ,后者在量级上

明显高出前者很多 。原因可能是 , 前者计算中公共 点为原始观测值 ,区域内点数分布较合理 ,能够反应 数据的整体趋势 ; 交叉点为原始数据内插所得点 ,一 方面由于点数少 , 分布稀疏 , 以点代面 , 不能反映整 体变化 ,另一方面可能存在一定的内插误差 。 两测高卫星的交叉点不符值中既含有径向轨道

误差 ,又存在基准不统一的误差 ,前者通过交叉点平 差削弱 ,后者通过参考框架转换消除 ,两者均采用交 叉点的不符值作为观测值 ,各自影响很难分离 ,但是 两者的目标一致 ,即削弱交叉点不符值 。因此 ,可以 考虑将两者联合求解 , 以平衡两种误差之间的相互 影响 。

架中已知的公共点坐标作为检验 。但本文中两测高 卫星参考框架间没有已知公共点 , 因此对转换关系 做验证 ,截取共线平差后中国海域及邻海部分数据 ,
CLS01 和 WHU2000
[ 1, 2 ]

Tab. 4  Tran sfer param eters from Geosa t/ ERM , ERS 2 /2 1

卫星

△x

△y

△z

偏差

Geosat/ ERM →T/ P ERS2 /35 →T/ P 1 ERS2 /35 →T/ P 2

- 8. 67

4. 66

- 0. 17 - 0. 29

26. 99 13. 62

0. 60 - 1. 49 1. 39 - 2. 11

0. 81 - 27. 08

Tab. 5   Tran sfer param eters from each a lti eter to T / P m com puted by co 2crossovers( un it: cm )

卫星

△x

△y

△z

偏差

Geosat→T/ P ERS2 →T/ P 1 ERS2 →T/ P 2

- 9. 29

5. 29

0. 16

11. 78

0. 31 - 2. 20 1. 04 - 2. 76 0. 20 0. 88 0. 36

- 0. 36 - 1. 38 - 1. 83 0. 75

- 42. 38 - 1. 86 - 0. 81

△z - 1. 83
- 2. 81 - 1. 71 - 2. 00

偏差 - 23. 06
31. 01 3. 93 - 9. 69

建立 中 国 海 域 的 平 均 海 面 高 模 型 , 并 与 K S04、 M 平均海面高模型进行比较 。 利用上述数据 , 首先进行各卫星数据的自交叉

- 2. 73 - 3. 52 - 2. 13

- 1. 01

点平差 ,然后采用自平差后的数据分别与 T/ P 数据 进行互交叉点平差以削弱径向轨道误差 。平差过程

ERM、 2 /2 到 T / P 参考框架转换参数 , 可以看 ERS 1

4  中国海域平均海面高模型的建立

Envisat2 →T/ P 1

Jason2 →T/ P 1

- 0. 43

- 40. 13

比较基 于 过 渡 框 架 和 交 叉 点 计 算 的 Geosat/

一般来说 , 框架之间的转换关系可以采用两框

  3期 第

金涛勇等 : 多源卫星测高数据基准的统一研究

95

中 ,对参与平差的弧段数据进行改正 ,舍弃未参与平 差的弧段数据 , 最终得到经参考椭球 、 参考框架转 换 ,以及自交叉点和与 T / P 数据互交叉点平差后的 总数据量为 127 684 个 。在交叉点平差的基础上 , 将改正后的各测高卫星数据与对应参考模型点上的 海面高进行对比 ,剔除差值大于 0. 5 m 的观测值 ,采 [1 - 3] 用 Shepard格网化方法 得到了 30 ′ 30 ′ × 中国海 域的平均海面高模型 (图 1 ) 。 作为 检 核 , 将 计 算 结 果 与 K S04、 M CLS01 和
WHU2000 平均海平面模型进行数值比较 。由于建

立的海面高模型只是对转换关系的一种检验 , 未利 用波形重跟踪算法对近海沿岸和海岛礁附近观测数 据进行改善 , 这部分数据对模型比较有较大影响 。 故首先剔除了差值绝对值大于 0. 5 m 的数据 , 然后 进行数值统计 ,如表 6,其中除点数外统计结果均以 区间上界为参考 。
图 1  30 ′ 30 ′ 国海域平均海面高模型 × 中
Fig 1  M ean sea surface model in China sea by 30 ′ 30 ′ . ×

表 6   KM S04、 S01 和 W HU2000 差值绝对值小于 0. 5 m 点位区间统计 (单位 :m ) 与 CL
Tab. 6  Sta tistics of po i t zones of d ifference less than 0. 5 m between Ch ina sea SSH n and KM S04, CL S01, W HU2000( un it:m )

统计区间 K S04 M 点数
CLS01 WHU2000 K S04 M

0 ~0. 1 1 559 1 620 1 340 0. 016 0. 014 0. 009 0. 054 0. 054 0. 055 0. 052 0. 052 0. 054

0. 1 ~0. 2 761 736 693 0. 026 0. 022 0. 014 0. 094 0. 093 0. 097 0. 090 0. 090 0. 096

0. 2 ~0. 3 339 307 396 0. 029 0. 023 0. 015 0. 124 0. 120 0. 134 0. 120 0. 119 0. 133

0. 3 ~0. 4 209 218 255 0. 031 0. 022 0. 017 0. 152 0. 150 0. 166 0. 148 0. 148 0. 166

0. 4 ~0. 5 138 119 136 0. 032 0. 021 0. 020 0. 176 0. 172 0. 190 0. 174 0. 170 0. 189

平均

CLS01 WHU2000 K S04 M

均方根

CLS01 WHU2000 K S04 M

标准偏差

CLS01 WHU2000

   从表 6 可以看出 ,中国海域平均海面高模型与 上述 3 个模型的精度相当 。由于只是对转换结果的 一种验证 ,未采纳大地测量任务数据 ,故分辨率低于 上述 3 个模型 ,但仍可以证明上述所得测高数据间 框架转换关系计算结果是正确的 。

5  结论
在总结比对参考框架转换方法的基础上 , 进行 大量的数据处理和分析后得到了不同测高卫星观测 数据参考框架之间的转换关系 。基于该转换关系 , 联合交叉点平差技术建立了中国海域平均海面高模 型 ,并与 K S04、 M CLS01 和 WHU2000 平均海面高模 型进行比较 ,统计结果验证了所建立海面高模型的 正确性 ,也表明所得转换关系是可靠的 。

本文所得转换参数能够较好地反应框架间的不 一致误差 ,但转换后的结果仍受径向轨道误差和残 余改正误差的影响 ,在联合多种测高数据应用时 ,仍 需要进行星间交叉点平差来削弱残余误差影响 , 即 联合运用多种测高数据必须同时进行参考框架转换 和星间交叉点平差 。 致谢   衷心感谢丹麦空间研究中心提供的 K S04, M CNES提供的 CLS01 以及武汉大学 GNSS中心姜卫 平教授提供的 WHU2000 平均海平面模型 。 参 考 文 献

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(下转第 99 页 )

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99

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(上接第 95 页 )

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地球物理大地测量国家测绘地理信息局重点试验室科技.doc

学科及研究领域发展概述 地球重力场、大地测量地球...同时全球高程基准统一越来越得到各国学者的关注。 (...联合多源卫星测高、 InSAR、卫星重力等观测数据反演...

地球物理大地测量国家测绘地理信息局重点实验室科技发展.doc

学科及研究领域发展概述 地球重力场、大地测量地球...同时全球高程基准统一越来越得到各国学者的关注。 (...联合多源卫星测高、 InSAR、卫星重力等观测数据反演...

地球物理大地测量国家测绘地理信息局重点试验室科技发....doc

学科及研究领域发展概述 地球重力场、大地测量地球...同时全球高程基准统一越来越得到各国学者的关注。 (...联合多源卫星测高、 InSAR、卫星重力等观测数据反演...

地球物理大地测量国家测绘地理信息局重点试验室科技-国....doc

学科及研究领域发展概述 地球重力场、大地测量地球...联合多源卫星测高、InSAR、卫 星重力等观测数据反演...全球和局部高 程基准统一等关键技术,建立全国厘米级...

地球重力场研究现状与进展_图文.pdf

在上述计划中, 卫星测高数 据与这些计划观测数据的...以及建立高精度的陆地和海洋统 一垂直基准面等方面的...联合多代 多源测高卫星观测数据和不断增加的地面、...

测绘新进展.doc

(2)摄影测量与遥感基础理论与方法 ) 主要围绕多源对地观测数据高可靠高精度处理...1、GNSS 现代三维基准研究我国卫星导航系统的完善技术,开展基于 GNSS (GPS...

多源海洋重力数据融合技术研究_图文.pdf

研究融合多源重力数据构建高精度海洋重力图是重力辅助...研究卫星测高的重力数据、航空向下延拓的重力数据、...作为重力辅助导航的基准图,要求重力图准 确的描述...

海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室.doc

数据采集方法和数据处理理论,建立无缝海洋 测绘基准,实现基准统一,提供不同基准...卫星重力、卫星测 高、地形测量、海洋测深、GNSS、水准测量等,研究多源数据融合...

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