CN111045099A - 一种成像式高度计数据反演海洋重力场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像式高度计数据反演海洋重力场的方法，属于海洋测量领域，针对卫星测高技术确定垂线偏差以及反演海洋重力场，考虑传统星下点高度计数据的精度和分辨率相互制约，同时，由于轨迹间距离较大导致海洋重力场有效空间分辨率有限。利用成像式高度计卫星的高精度星下点高度计和高分辨率同步刈幅高度计海面高观测数据，在滤除高频噪声后，通过将星下点和刈幅高度计观测数据联合交叉点平差提升整体海面高精度，然后进行差分计算得到丰富的垂线偏差信息并反演海洋重力场。通过本发明可以克服传统星下点高度计对垂线偏差东向分量不敏感的缺陷，反演各方向精度较均匀的高分辨率海洋重力场。

Description

一种成像式高度计数据反演海洋重力场的方法

技术领域

本发明属于海洋测量技术领域，更具体地，涉及一种成像式高度计数据反演海洋重力场的方法。

背景技术

目前，由卫星测高数据反演海洋重力场的方法都是基于星下点高度计数据计算的垂线偏差。星下点高度计观测数据为一维剖面，精度和分辨率相互制约，且确定的垂线偏差东向和北向分量精度差异大，限制了海洋重力场的反演精度，联合多源多代卫星才能满足高分辨率的需求，然而，不同卫星之间存在观测时间和精度差异大等问题，导致垂线偏差精度有限，进而导致反演的海洋重力场精度存在局限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种成像式高度计数据反演海洋重力场的方法，由此解决现有基于星下点高度计数据计算的垂线偏差精度有限，进而导致反演的海洋重力场精度存在局限的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种成像式高度计数据反演海洋重力场的方法，包括：

(1)滤除误差改正后的成像式高度计数据的高频噪声影响，得到二维海面高数据；

(2)对所述二维海面高数据进行交叉点平差处理得到平差处理后的目标海面高数据；

(3)对平差处理后星下点和刈幅内的每个观测点的目标海面高数据，利用海面地形模型移去海面地形得到每个观测点的近似大地水准面高数据，基于海洋重力场反演的空间分辨率，联合星下点和刈幅内每个观测点的近似大地水准面高数据计算格网垂线偏差；

(4)将所述格网垂线偏差移去参考地球重力场模型确定的垂线偏差，得到残余垂线偏差，采用拉普拉斯方程，由所述残余垂线偏差反演得到残余重力异常，然后由所述残余重力异常恢复参考地球重力场模型确定的重力异常，得到最终反演的格网海洋重力异常模型。

优选地，步骤(1)包括：

利用谱相干性方法确定成像式高度计数据的有效分辨率，并以所述有效分辨率作为高斯滤波波长，滤除海面高的高频噪声，得到二维海面高数据。

优选地，步骤(2)包括：

(2.1)在一个观测周期内，联合星下点高度计和刈幅高度计海面高数据进行全组合式的交叉点计算得到目标交叉点；

(2.2)考虑静态重力场反演目的，以所述目标交叉点处静态海面高相等为原则，顾及星下点高度计与刈幅高度计的偏差、刈幅高度计基线长度误差及刈幅高度计相位误差，约束交叉点观测时间差，得到星下点与星下点之间的数据交叉、星下点与刈幅之间的数据交叉以及刈幅与刈幅之间的数据交叉；

(2.3)固定星下点轨迹形成的交叉点海面高差，进行整体平差得到平差处理后的目标海面高数据。

优选地，步骤(3)包括：

(3.1)对平差处理后星下点和刈幅内的每个观测点的目标海面高数据，利用海面地形模型移去海面地形得到每个观测点的近似大地水准面高数据，在一个观测周期内，联合星下点和刈幅内每个观测点的近似大地水准面高数据，基于海洋重力场反演空间分辨率，以每个近似大地水准面高数据为中心，以格网分辨率为半径搜索其它近似大地水准面高数据，分别计算搜索到的近似大地水准面高数据与中心的近似大地水准面高数据形成的大地水准面梯度，依次获得当前观测周期内所有大地水准面梯度值；

(3.2)利用步骤(3.1)得到所有观测周期内的大地水准面梯度值，按海洋重力场反演空间分辨率搜索格网内所有的大地水准面梯度值，建立垂线偏差格网点的垂线偏差与格网内大地水准面梯度值间的观测方程，平差后得到格网内的平均垂线偏差北向和东向分量。

优选地，由

建立垂线偏差格网点的垂线偏差与格网内大地水准面梯度值间的观测方程，其中，

分别为垂线偏差北向分量平均值和东向分量平均值，ε_i、α_i和v_i分别表示第i个观测点的大地水准面梯度、方位角和残差，n表示观测点个数。

优选地，所述方法还包括：

在星下点高度计与刈幅高度计之间的观测空白区域，采用步骤(3.1)的方法，扩大大地水准面梯度计算的搜索半径以及格网搜索范围，以当前格网预设范围内计算的垂线偏差平均值作为格网点垂线偏差，进而弥补空白。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明通过交叉点平差方法，利用其自身携带的星下点高度计高精度海面高观测值提升刈幅高度计海面高观测值精度，校正星下点高度计和刈幅高度计的偏差，并削弱残余误差改正影响，提升海面高观测数据整体精度，然后利用刈幅二维海面高观测数据获得高精度高分辨率的垂线偏差，可同时满足海洋重力场反演的精度和分辨率的需求，克服星下点高度计的缺陷。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种成像式高度计数据反演海洋重力场的方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种仿真的成像式高度计数据在一个周期对南海区域的覆盖；

图3是本发明实施例提供的一种仿真的成像式高度计的二维误差；

图4是本发明实施例提供的一种成像式高度计与传统高度计确定垂线偏差的比较；

图5是本发明实施例提供的一种由成像式高度计在南海区域反演的海洋重力异常。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明利用的成像式高度计包括同步观测的星下点高度计和两侧宽刈幅高度计，可以获得高空间分辨率的高精度海面高观测数据，其刈幅内的观测数据分辨率高、时间同步，通过对同一轨观测的成像式高度计数据进行差分可以削弱大部分误差影响，获得高精度高分辨率的垂线偏差，克服星下点高度计的缺点，提高反演海洋重力场的水平。

因国际上尚未有成像高度计实测数据，下面以规划的SWOT卫星为例，对其观测数据进行模拟，并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。

如图1所示是本发明实施例提供的一种成像式高度计数据反演海洋重力场的方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤S1：成像式高度计观测数据的模拟：利用SWOT卫星的设计参数，以2km为刈幅内产品分辨率，模拟得到地面观测格网，在观测格网利用全球平均海面高模型内插得到模拟静态海面高观测值，如图2所示。由SWOT卫星的误差功率谱设计模拟得到观测误差序列，如图3所示。将静态海面高观测值与误差序列结合作为SWOT卫星成像式高度计的模拟海面高观测。

具体的实施步骤如下：

步骤S1.1：根据SWOT卫星开普勒根数计算卫星轨道的大地坐标，根据刈幅高度计的幅宽，将卫星位置认为是星下点观测位置，由大地坐标正算和反算得到观测刈幅边界，根据高度计的观测分辨率，在观测刈幅中生成等间隔的地理坐标格网；

步骤S1.2：基于DTU15 MSS平均海面高模型，在观测刈幅和星下点内插海面高，作为模拟静态海面高观测值；

步骤S1.3：将一维沿轨误差序列分解为2000个随机实现，利用逆傅立叶变换由每种观测误差的功率谱计算得到对应频率域中各频率的幅值，相位则采用随机相位，由相位和幅值计算每个随机实现序列，叠加得到一维的误差序列；

步骤S1.4：由SWOT定义的各种误差从近幅到远幅变化的公式，将步骤S1.3中的一维误差序列计算得到二维刈幅每个格网的误差；

步骤S1.5：将步骤S1.4中的误差序列与步骤S1.2中的静态海面高相加，作为成像式高度计模拟海面高观测。

步骤S2：成像式高度计数据的误差处理：因步骤S1中模拟数据已进行了对流层、电离层等误差改正，下面仅对步骤S1的模拟海面高观测，以8km为滤波半径，采用高斯高通滤波滤除高频噪声影响；

步骤S3：成像式高度计数据计算垂线偏差：对步骤S2中的每个观测点，以1′为模型反演空间分辨率，计算观测点附近8个方向垂线偏差，如图4所示。并联合星下点高度计数据与距星下点最近的刈幅数据弥补近星下点空白，计算得到格网垂线偏差；具体的实施步骤如下：

步骤S3.1：在一个观测周期内，对步骤S2中的每个海面高观测值，利用海面地形模型移去海面地形得到近似大地水准面高数据，计算与观测点最近的8个观测点形成的大地水准面梯度；

步骤S3.2：在一个观测周期内，联合星下点高度计数据与距星下点最近的刈幅数据弥补近星下点空白，对星下点及近幅部分，使用近幅边缘的近似大地水准面高数据联合星下点近似大地水准面高数据计算沿轨和垂轨大地水准面梯度；

步骤S3.3：基于海洋重力场反演的空间分辨率，以格网中心点为计算点，在格网半径内搜索所有观测周期的大地水准面梯度值，建立计算点垂线偏差与格网内大地水准面梯度值间的观测方程，平差后得到该计算点处的平均垂线偏差，平差由公式：

计算每个格网点的垂线偏差分量平均信息。其中

为垂线偏差北向分量平均值和东向分量平均值，ε_i、α_i和v_i分别表示第i个观测数据的大地水准面梯度、方位角和残差。基于这一方法计算得到研究区域内所有格网点的垂线偏差。

步骤S4：将步骤S3计算的格网垂线偏差由“移去-恢复”技术移去EGM2008地球重力场模型计算的垂线偏差，使用拉普拉斯方程，反演得到残余重力异常，然后恢复EGM2008地球重力场模型确定的重力异常，得到由成像式高度计反演的格网重力异常模型，如图5所示。具体的实施步骤如下：

步骤S4.1：由EGM2008球谐系数计算得到步骤S3中的对应地理位置的垂线偏差，将步骤S3中的垂线偏差格网与EGM2008模型垂线偏差作差，得到残余垂线偏差北向分量和东向分量；

步骤S4.2：利用步骤S4.1中的残余垂线偏差信息，由Sandwell基于拉普拉斯方程导出的公式：

计算得到残余重力异常，其中δg(K,0)、ξ(K)和η(K)分别表示重力异常以及垂线偏差分量δg(x,y,z)、ξ(x,y)和η(x,y)的二维傅立叶变换，γ₀为地球正常重力平均值，i为虚数单位。其中，K满足如下条件：

步骤S4.3：利用EGM2008模型计算对应步骤S4.1中的格网重力异常，将步骤S4.1中的残余重力异常与EGM2008模型重力异常相加，得到由成像式高度计反演的格网重力异常模型。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种成像式高度计数据反演海洋重力场的方法，其特征在于，包括：

(1)滤除误差改正后的成像式高度计数据的高频噪声影响，得到二维海面高数据；

(2)对所述二维海面高数据进行交叉点平差处理得到平差处理后的目标海面高数据；

(3)对平差处理后星下点和刈幅内的每个观测点的目标海面高数据，利用海面地形模型移去海面地形得到每个观测点的近似大地水准面高数据，基于海洋重力场反演的空间分辨率，联合星下点和刈幅内每个观测点的近似大地水准面高数据计算格网垂线偏差；

(4)将所述格网垂线偏差移去参考地球重力场模型确定的垂线偏差得到残余垂线偏差，采用拉普拉斯方程，由所述残余垂线偏差反演得到残余重力异常，然后由所述残余重力异常恢复参考地球重力场模型确定的重力异常，得到最终反演的格网海洋重力异常模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括：

利用谱相干性方法确定成像式高度计数据的有效分辨率，并以所述有效分辨率作为高斯滤波波长，滤除海面高的高频噪声，得到二维海面高数据。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：

(2.1)在一个观测周期内，联合星下点高度计和刈幅高度计海面高数据进行全组合式的交叉点计算得到目标交叉点；

(2.2)考虑静态重力场反演目的，以所述目标交叉点处静态海面高相等为原则，顾及星下点高度计与刈幅高度计的偏差、刈幅高度计基线长度误差及刈幅高度计相位误差，约束交叉点观测时间差，得到星下点与星下点之间的数据交叉、星下点与刈幅之间的数据交叉以及刈幅与刈幅之间的数据交叉；

(2.3)固定星下点轨迹形成的交叉点海面高差，进行整体平差得到平差处理后的目标海面高数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：

(3.1)对平差处理后星下点和刈幅内的每个观测点的目标海面高数据，利用海面地形模型移去海面地形得到每个观测点的近似大地水准面高数据，在一个观测周期内，联合星下点和刈幅内每个观测点的近似大地水准面高数据，基于海洋重力场反演空间分辨率，以每个近似大地水准面高数据为中心，以格网分辨率为半径搜索其它近似大地水准面高数据，分别计算搜索到的近似大地水准面高数据与中心的近似大地水准面高数据形成的大地水准面梯度，依次获得当前观测周期内所有大地水准面梯度值；

(3.2)利用步骤(3.1)得到所有观测周期内的大地水准面梯度值，按海洋重力场反演空间分辨率搜索格网内所有的大地水准面梯度值，建立垂线偏差格网点的垂线偏差与格网内大地水准面梯度值间的观测方程，平差后得到格网内的平均垂线偏差北向和东向分量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由

建立垂线偏差格网点的垂线偏差与格网内大地水准面梯度值间的观测方程，其中，

分别为垂线偏差北向分量平均值和东向分量平均值，ε_i、α_i和v_i分别表示第i个观测点的大地水准面梯度、方位角和残差，n表示观测点个数。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在星下点高度计与刈幅高度计之间的观测空白区域，采用步骤(3.1)的方法，扩大大地水准面梯度计算的搜索半径以及格网搜索范围，以当前格网预设范围内计算的垂线偏差平均值作为格网点垂线偏差，进而弥补空白。

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