卫星测高技术在大地测量学中的应用1

武汉大学

博士学位论文

卫星测高技术在大地测量学中的应用

姓名：姜卫平

申请学位级别：博士

专业：大地测量学与测量工程

指导教师：刘经南;李建成

2000.10.20

摘要

卫星测高作为二十世纪七十年代发展起来的一项空间测量技术，它以卫星为载体，借助于空间、电子和微波等高新技术来量测全球海面高。由于卫星测高能在全球范围内全天候地多次重复、准确地提供海洋表面高度的观测值，现已使其由最初的单一目的——从空中采用遥测的方法确定海面形状，发展到在地球物理学领域和大地测量学领域的广‘泛应川。自１９７３至今为止，共有８个测高卫星９个测高仪被发射到天空，它们是ｓｋｙｌａｂ、Ｇｅｏｓ－３、Ｓｅａｓａｔ、Ｇｅｏｓａｔ、ＥＲＳ．１、ＥＲＳ．２、Ｔｏｐｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ（Ｔ／Ｐ）和ＧＦＯ，其中Ｔ／Ｐ上有两个测高仪。这些海洋测高计划收集并积累了一个十分庞大的测高数据集，为人们研究人员研究全球海平面变化、地球重力场、海底地形、海洋岩石圈、海洋环流等领域提供了特别牟富的信息源。ｒ，’

本文研究的主要目的和内容是系统地总结卫星测高技术的发展历史、应用及前景；制定测高数据的编辑准则和改善各种地球物理改正的精度；研究区域交叉点平著方法以进一步提高Ｇｅｏｓａｔ、ＥＲＳ一１和ＥＲＳ一２的径向轨道精度；完善由多种测高数据建立全球平均海面高模型的理论与方法，进而建立全球海面高模型；总结并研究利用测高数据恢复海洋重力场和分离海面地形的方法，确定中国海域的重力场：探讨海陆大地水准面拼接的问题，实现中国海陆大地水准面的拼接。ｉ研究成果和内容具体包括：

（１）系统地总结和评述了卫星测高技术的发展历史、应用及前景，详细描述了Ｇｅｏｓａｔ、ＥＲＳ．１、ＥＲＳ．２和Ｔ／Ｐ等测高卫星的原理、功能和数据结构。

（２）分析并研究了卫星测高误差的来源及其削弱或消除方法，以用户手册的编辑标准为基础，参照并综合国际上同行的编辑方法，制定了针对不同测高数据的编辑准则和改善了各种地球物理改正的精度。同时，为了处理的方便，在各种测高原始数据编辑、剔除和改正后，将其统一为相同格式、相同记录项的标准二进制数据文件，内容包括时间、位置、海平面高、逆气压改正、ＯＳＵ平均海面高以及大地水准面高等１１个参数。

（３）研究并发展了两种测高数据之间的双卫星交叉点平差方法，实现了多种卫星轨迹（弧段）之间的交叉点平差新技术，提出了利用海面异常模型来削弱海面时变对大地测量任务测高数据的影响。进一步削弱Ｇｅｏｓａｔ、ＥＲＳ．１、ＥＲＳ－２径向轨道误差以提高海面高的精度是目前测高数据处理所关注的问题。现普遍采用的方法是进行Ｇｅｏｓａｔ或ＥＲＳ．１（ＥＲＳ一２）与Ｔ／Ｐ的双交叉点平差，利用精密１仰轨道改进前者的轨道。本文发展了双交叉点乎差方法，研究并实现了多种测高数据联合交叉点平差的方法。该方法是将ＥＲＳ一２３５（ＥＲＳ－１３５）、Ｇｅｏｓａｔ／ＥＲＭ（ＧＭ）和ＥＲＳ一１／１６８与Ｔ／Ｐ一起进行交叉点平差，确定交叉点的方式为升弧与降弧组合，具体为：ＥＲＳ．２～Ｇｅｏｓａｔ／ＥＲＭ、ＥＲＳ－２～ＥＲＳ．２、ＥＲＳ一２～

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（４）系统地解决了不同测高数据的基准统一问题。不同年代不同测高卫星所采用的地球参考坐标框架和地球椭球不同，因而使得不同卫星测高数据的基准是不一致的，为了联合处理多种测高数据，必须将它们的基准统一。本文以Ｔ／Ｐ卫星所用的地球参考坐标框架和地球椭球为基准，通过参考椭球统一、参考框架转换以及多种数据的联合交叉点平差，将所有ＥＲＳ．２３５（ＥＲＳ．１３５）、Ｇｅｏｓａ征ＲＭ和ＥＲＳ一１／１６８数据的基准与Ｔｏｐｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ数据的基准统一，从而较为系统地解决了该问题。

（５）完善并发展了利用多种测高数据建立平均海面高模型的理论与方法，建立了格网分辨率为２’×２’的、范用为纬度±８２０之间的全球平均海面高模型ＷＨＵ２０００ＭＳＳ。平均海面（ＭＳＳ）是当今地球科学和环境科学所关注的科学问题。它包括了大地水准面和海面地形两部分信息，因而广泛地用于研究大地水准面、瞬时海面高、大洋环流等问题。本文首先讨论了由多种测高数据建立平均海面高模型的理论与方法，考虑了海平面高格网化的方法，然后联合利用多种测高数据确定了中国海及邻海（北纬１０Ｎ～４１０Ｎ，东经１０３０Ｅ～１３７。Ｅ）的格网分辨率为２７×２７的平均海面高模型。在此基础上，联合利用七年的聊（１１ｃｙｃｌｅ～２４９ｃｙｃｌｅ）数据、全部的ＥＲＳ．１／１６８数据、５２个周期的ＥＲＳ－２／３５（１ｃｙｃｌｅ～５２ｃｙｃｌｅ）、４４个周期的Ｇｅｏｓａｔ／ＥＲＭ（１ｃｙｃｌｅ－－－４４ｃｙｃｌｅ）数据由本文所研究的理论与方法建立了ＷＨＵ２０００ＭＳＳ模型，其整体精度优于０．０５ｍ。并将ＷＨＵ２０００ＭＳＳ与格网分辨率为３．７５’ｘ３．７５’的ＣＬＳＳＨＯＭ９８．２、３’×３’的ＧＦＺＭＳＳ９５Ａ和３．７５’ｘ３７５７的ＯＳＵＭＳＳ９５等全球平均海面高模型进行了比较，所得差值的ＲＭＳ分别是Ｏ．０９０ｍ，０．２３７ｍ和Ｏ０７９ｒｎ。ＷＨＵ２０００ＭＳＳ是目前世界上最高分辨率的海面高模型之一。

（６）总结并研究了由测高数据恢复海洋重力场以及分离海面地形的方法；利Ｊ【｛ｊ多代卫星测高资料，以测高轨迹海面高剖面梯度采样为基础数据，分别由垂线偏差法和最小二乘配置法反演了２．５７ｘ２．５’中国海域的重力异常和大地水准面差距：然后采用移去．恢复由高斯滤波方法从平均海面高中分离出１５’×１５’中国海域的动力海面地形。为了验证结果的止确性，将计算的重力异常与船测重力异常和美国ＳＩＯ的重力异常进行了比较，差值的ＲＭＳ分别是９．３ｍＧａｌ和１５．０３ｍＧａｌ。另也将本文所建立的海面地形模型与ＥＭＧ９６ＳＳＴ模型进行

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了比较，得到的结论是：它们之间差值的ＲＭＳ为Ｏ．２２０ｒｎ，在研究区域内这两个模型的等值线的趋势一致，量级也一致，但本文所建立的海面地形更能反应我国海域的海面地形实际情况。

（７）较系统地研究了海陆人地水准面拼接的问题，详细地讨论了拼接的方法，并实现了我国海陆大地水准面的拼接。由重力和ＧＰＳ水准数据确定的陆地大地水准面与主要由卫星测高数据确定的海洋大地水准面之间一般都存在以系统误差为主的拼接差，使得利用测高重力数据实现更为严密的统一的陆海大地水准面成为～个需要深入研究的问题。本文在分析产生这一现象主要原因的基础上，讨论了实现拼接的三种方法：扩展法、拟合法和最小二乘配置法，以及这三种方法的可行性。最后在保持陆地重力大地水准面不变的基础上，利用扩展法得到了完成拼接的陆海统一的重力大地水准面。此外，还利用测高大地水准面与扩展的海洋重力大地水准面对应点的差值对拼接系统差作了统计估计。

（８）深入讨论了重力异常与海深之间的关系：在考虑地壳均衡补偿效应影响的基础上，推导了由重力异常利用ＦＦＴ技术计算海深的模型；然后利用推导的模型联合测高卫星数据和海洋重力资料反演了中国南海２．５。×２５‘海底地形。将本文计算的海深分别与ＴＢＡＳＥ模型和ＧＥＯＤＡＳ在该地区４９０９６个船测海深值进行了比较，得到了利用卫星测高数据反演海深对于开阔海洋是切实可行的这一很有意义的结论。ｒ５

【关键词】：卫星测高、平均海面高、物理大地测量、重力异常、大地水准面

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８Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｇｒａｖｉｔｙａｎｏｍａｌｙａｎｄ１ＴＩａｓｓｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｏｃｅａｎ，ｔｈｅ２．５’ｘ２．５’ｂａｔｈｙｍｅｔｒｙｍｏｄｅｌｉｎｔｈｅｓｏｕｔｈｓｅａｏｆＣｈｉｎａｉｓｉｎｖｅｒｓｅｄｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉ—ｓａｔｅｌｌｉｔｅａｌｔｉｍｅｔｅｒｄａｔａａｎｄｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｄａｔａ．Ｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙ，ｔｈｅＦＦＴｔｅｃｈｎｉｑｕｅｈａｓｂｅｅｎｐｕｔｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｉｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｈｉｐｄｅｐｔｈａｎｄＴＢＡＳＥｍｏｄｅｌ，ａｎｄｄｒａｗｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｂａｔｈｙｍｅｔｒｙｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｂｙｇｒａｖｉｔｙａｎｏｍａｌｙｃａｎｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｓｕｂｏｃｅａｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．

［ＫｅｙＷｏｒｄ］：ａｌｔｉｍｅｔｒｙ，ｍｅａｎｓｅａｓｕｒｆａｃｅｈｅｉｇｈｔ，ｐｈｙｓｉｃａｌｇｅｏｄｅｓｇｇｒａｖｉｔｙａｎｏｍａｌｙ，ｇｅｏｉｄ

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里呈型壹垫查鱼叁些型墨兰主竺堕旦一一——

图索引

图１．１测高卫星示意图．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图１２重力异常与海面关系示意图．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图２．１卫星测高原理图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图２．２卫星测高示意图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图２．３从左到右依次为Ｇｅｏｓａｔ、ＥＲＳ一１、Ｔｏｐｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ卫星示意图

图２４Ｔｏｐｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ卫星地面轨迹示意图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图２．５Ｔｏｐｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ数据结构示意图．．．…．．．．．．．．．．．．．

图３．１上升弧共线示意图．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．

图３．２下降弧麸线示意图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图３３ｃＳＲ利用Ｔ／Ｐ数据确定的第１００ＣＹＣＬＥ的海面异常（ＳＬＡ）．．

｜璺｜３．４格网化拟合示意图．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．

图３．５测高数据分布图．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．

图３６２７×２’中国海域及邻海平均海面（１０Ｎ～４ｌＯＮ，１０３０Ｅ～１３７。Ｅ）

图３．７交义点平差区域划分图．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．

图３．８ＷＨＵ２０００ＭＳＳ２７×２’全球平均海面高模型（范围为纬度±８２。）．

图３＿９ＣＬＳ—ＳＨＯＭ９８．２与ＷＨＵ２０００ＭＳＳ差值图（范围为纬度＋８２。）．．

图３．ｉ０ＯＳＵＭＳＳ９５与ｗ｝ＩＵ２０００ＭＳＳ差值图（范围为纬度＋８２０－８０。）

图３．１１ＧＦＺＭＳＳ９５Ａ与肝ＩＵ２０００ＭＳＳ差值图（范围为纬度±８００）．．．．

图４．１２．５’ｘ２５’中国海域及邻海重力异常图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图４．２由本文计算的２．５’ｘ２．５’中国海域及邻海大地水准面．．．．．．．．．

图４．３由本文计算的１５’ｘ１５’中国海域及邻海海面地形图．．．．．．．．．．．

图４．４由ＥＧＭ９６ＳＳＴ模型计算的１５’ｘ１５’中国海域及邻海海面地形图．

图４．５质量亏损与重力异常关系．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图４．６由ＴＢＡＳＥ海深模型确定的南海及周边区域海底地形．．．．．．．．．

图４．７反演的南海及周边区域海底地形．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图４．８反演水深残差．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

图５．１拼接后的陆海人地水准面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表目录

表１１测高卫星基本情况简表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．－．－．．．．?

表２．１测高卫星误差改正项（单位：厘米）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表２．２ＥＲＳ一１卫星运行模式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表２．３Ｇｅｏｓａｔ／ＥＲＭ第４、１０周期数据编辑统计结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表２．４ＥＲＳ一２第８、１６周期数据编辑统计结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表２．５ＴｏＤｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ第１２、２４周期数据编辑统计结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表３．１０ＳＵ９５平均海面高模型简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表３．２ＧＦＺｂｌＳＳ９５Ａ平均海面高模型简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表３．３ＣＬＳＳＨＯＭ９８．２平均海面高模型简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表３．４测高观测值数量统计表．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．…．．…．．．．．．．．

表３．５交叉点统计结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表３６平差前后交叉点不符值精度（ＲＭＳ）统计结果（单位：米）．．．．．．．．．．．．．．

表３．７利用全部数据的不同海面高模型比较结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表３８剔除偏差大ｒ０．５米数据后的比较结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表３．９平均前后交义点不符值精度统计结果（单位：米）．．．．．．．．．．．．．．

表３．１０不同区域的平差前后交叉点不符值精度（ＲＭＳ）统计结果（单位：米）．．

表３．１１交叉点统计结果（单位：个）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表３．１２平差前后交叉点不符值精度（ＲＭＳ）统计结果（单位：米）．．．．．．．．．．．．．

表３．１３不同全球平均海面高模型的比较（范围为纬度±８２。）．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表３．１４不同全球平均海面高模型的比较（范围为纬度±８２０，交叉点不符值＜ｏ．５ｍ）

表４．１ＦＦＴ重力异常与最小二乘配置法求得重力异常比较统计结果（ｍＧａｌ）．．．．．．．．

表４２ＳＩＯ重力异常与ＦＦＴ重力异常比较统计结果（ｍＧａｌ）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

表４．３垂线偏差计算的大地水准面与重力异常计算的大地水准面比较统计结果（米）

表４．４垂线偏差计算的大地水准面与最小二乘配置计算的大地水准面比较结果（米）

表４５计算的海面地形与ＥＧＭ９６ＳＳＴ模型计算的海面地形比较统计结果（米）．．．．．

表４．６ＴＢＡＳＥ模型与计算模型之间的精度比较（单位：米）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．墙孔∞骗粥∞如甜“跎弱船∞耵鼹的∞引叭跗舛踮盯叫

里星型鲢查垄查些型量堂±塑窒旦——

第一章绪论

§１．１引言

大地测量学是一门研究地球及行星几何和物理形态特征及其变化规律的基础科学，它能够为人类的活动提供地球空间信息。随着社会经济的迅速发展，人Ｅｌ膨胀、资源匮乏和环境污染等人类目前所面临的一系列问题愈来愈突出。因此获取地球空间信息，合理利用与开发空间资源，己成为现代社会经济发展战略的重要环节。这也使得大地测量学面ｌ临着新的机遇和挑战。

大家知道，经典的大地测量方法只适用于有限的陆地区域和极少数的海域，而对ｙ－自然条件困难地区和浩瀚的海洋却难以涉足。二十世纪六十年代以来，现代计算技术和空间技术的发展，给古老的大地测量学注入了新的活力，使其发展进入一个崭新的时代。人地测嚣学的研究对象己逐渐由静Ｊｒ转变到动态甚至实时，范围由陆地表面扩展到海洋，并深入到地球的内部；人地测量学的信息获取由地面观测手段发展到空间技术，工作距离由数十公里发展到几千公里，数据处理由后处理发展到实时处理；大地测量学由单一的学科研究发展到与其他测绘学科和相关地学学科的综合研究（陈俊勇，２０００）。

物理大地测量学是大地测量学科的一个主要分支，是构成现代大地测量学科体系的主要支柱之一，它始终是大地测量学科发展最活跃的领域之一（李建成，１９９３）。近２０年来由丁地面重力测量技术和卫星重力探测技术的迅速发展，人类对全球重力场的认识已取得了跨时代的进展，分辨率已达５０公里，全球大地水准面的精度优丁．米级。一些发达地区的局部和区域性重力场由丁．地面重力测量密度的增加，特别是ＧＰＳ水准的普遍应用，分辨率已达几公里（ｈｉ欧洲地区），区域大地水准面的精度达分米级或更优（宁津生等，１９９８）。

大地测量边值问题是物理大地测量学的理论基础，是研究地球重力场数值逼近和解析逼近方法的基础理论和核心。近２０年来大地测量边值问题的理论虽然有了很大发展，但仍然是以莫洛金斯基问题为中心展开的，提出了非经典（纯量）莫洛金斯基问题，包括纯量固定和纯量自由边值问题，边值问题的非线性理论、非线性解和二次逼近理论，测高一重力混合边值问题，重力梯度边值问题，超定边值问题等（Ｓａｃｅｒｄｏｔｅ，Ｅ，Ｓａｎｓｏ，Ｅ，１９８７；Ｓａｎｓｏ，Ｆ，Ｒｕｍｍｅｌ，Ｒ．，１９９７）。但这些基础理论成果的大部分都还没有在实用上得到反映，实用上仍然是以克拉鲁普给出的线性化莫洛金斯基问题边值条件为基础，大都采用莫洛金斯基级数零阶项（斯托克斯积分）加一阶项（顾及地形效应的Ｇ。项积分）。包括我国在内世界上许多国家都采用了由该理论导出的似大地水准面，高程异常和正常高高程系统，其中回避

?１。

第一章绪论

了地壳密度的输入以及正高不可测难题。似大地水准面无物理意义（有幸的是在海洋上与大地水准面一致），因而不能直接用于陆地地学研究，建立人地测量参考系仍然以大地水准面为基础，似大地水准面还要转换为大地水准面，目前采用用布格异常表达的一次近似公式，山区要考虑二次项（ｓｊ６ｂｅｒｇ，ＬＥ．，１９９５），转换公式中又重新包含了地壳密度，二次项中还含重力异常梯度，因此实用上目前还未顾及此项，可能引起厘米级水平的误差。边值问题基础理论的另一重要进展是在重力场表达和分析中引入了随机过程概念和统计方法，提山和发展了重力场逼近的最小二乘配置法，并己在理论上完成了配置法与解析法多种等价性证明，实用上已得到广泛应用，确立了牢固的地位。随着现代重力探测技术的不断发展，特别是新一代卫星重力测量计划的实现以及航空重力测量技术的改进和完善，人类获取的重力场信息将越来越丰富，物理大地测量的理论和方法将面临着新的挑战。超定边值问题、混合边值问题、非线性边值问题及随机边值问题等的理论和方法有待深入研究，并必将成为物理大地测量２１世纪研究的热点之一。

全球重力场模型在地球科学、空间技术和军事应用中发挥着极其重要的作用，因而这一领域的研究进展特别迅速，模型更新周期越来越短（宁津生等，１９９０；李建成，１９９３，宁津生等，１９９４）。发展地球重力场模型必须以重力数据为基础。卫星重力探测计划（包括覆盖全球海洋的卫星测高，卫星轨道摄动跟踪，ＧＰＳ水准以及卫星重力梯度）的实施正在为地球科学和大地测量学提供越来越庞大的新型重力信息源。航空重力测晕是在区域范闱内获取高精度高分辨率重力场信息的有效技术手段，其对于大地测量的主要贡献是精化局部或区域大地水准面。此外，在地面重力测量方面，高精度超导重力仪的精度已达到微伽级，共至优于１微伽，目前主要用于重力固体潮和重力场变化的研究。数字地形模型（ＤＴＭ）是确定地球重力场必不可少的重要信息源，其质量和分辨率直接影响到确定地球重力场的精度和分辨率，目前模型全球分辨率已达５’，如ＮＡｓＡ／ＧｓＦｃ＿ＮＩＭＡ推出的ＪＧＰ９５Ｅ，局部地区已达２．５’，如欧洲的ＤＴＭ２．５。多种重力探测技术的发展大大促进了重力场模型在精度分辨率方面的发展。近年来新推出的重力场模型包括：ＥＧＭ９６、ＧＲＩＭ４，ｓ４／Ｃ４、ＪＧＭ．３、ＴＥＧ一３、ＧＦＺ９６、ＧＰＭ９８Ａ、Ｂ和Ｃ系列、ＧＡＯ．９８。在这些模型中ＥＧＭ９６是目前最好的全球重力场模型，该模型是利用最新的卫星跟踪数据、卫星测高数据、航空重力数据和地面重力信息综合确定的。目前它己应用于卫星轨道及陆地和海洋大地水准面的确定。

精化大地水准面是局部重力场逼近的长期目标，也是大地测量学应用本身及研究活动构造带的地壳运动和时变重力场效应的需要（刘经南等，２０００）。建立高分辨率大地水准面模型面临的难题是如何将各类与重力场有关的信息源（全球模型、地形数据、重力数据、垂线偏差和ＧＰｓ／水准测量数据）联合求解问题（胡明城，１９９７）。目前在这一领域的研究非常活跃，许多国家或地区均推出了新一代高精度高分辨率（似）大地水准面。如欧洲似大地水准面ＥＧＧ９７、哥伦比亚的ＧＥＯＣＯＬ９９、奥地利的ＧＥＯＩＤ２０００、澳大利亚的ＡＵＳＧｅｏｉｄ９８、瑞士的ＣＨＧＥ０９８以及中国新一代似大地水准面ｃ００２０００等。这一发展的

‘２。

里星型壹垫查垄查些型里兰！堕鏖旦——背景是：（１）ＧＰＳ技术的广泛应用急需商精度高分辨率大地水准面；（２）许多国家或地区的数字地形模型（ＤＴＭ）的分辨率已相当高（１００ｍ或更高），可满足重力数据的归算和高精度大地水准面的确定；（３）地球重力场模型可为局部或区域大地水准面确定提供精确的参考重力场（或中长波重力场）：（４）通过卫星测高数据获取了高精度高分辨率的海面高，再联合地面重力数据和其他重力场信息可以一定的精度分离大地水准面和海面地形；（５）丰富的ＧＰＳ水准资料可用于大地水准面的确定或作为确定大地水准面的控制条件；（６）移去一恢复法（包括各种改进模型）己成为重力场确定特别是大地水准面确定的标准方法．谱方法（包括快速Ｆｏｕｒｉｅｒ变化（ＦＦＴ）．快速Ｈａｒｔ］ｙ变换（ＦＨＴ）等）已非常成熟（Ｈａｒｒｉｓｏｎ，Ｊ．Ｃ．等，】９８９：Ｌｉ，Ｙ．Ｃ．等，１９９２；李建成，１９９３），如严密的一维ＦＦＴ／ＦＨＴ技术（Ｈａａｇｍａｎｓ等，１９９３）和精确的二维平面坐标的球面核函数形式的卷积表达式（Ｌｉ，Ｊ．Ｃ．等，１９９７），并广泛应用于大地水准面的确定。上述原因使得在数据覆盖较好的国家或地区以１０６的相对精度＊ＩＵＬ公里的分辨率确定局部或区域大地水准面已成为现实。在计算新一代高精度高分辨率大地水准面时，在数据方面，犬多采用了ＥＧＭ９６（包括其他较好的地球重力场模型）作为参考模型，同时利刚了高分辨率ＤＴＭ、ＧＰＳ水准、卫星测高数据（沿海国家或地区）和地面重力数据，甚至有的还采用了航空重力数据。在计算方法上，主要以Ｓｔｏｋｅｓ积分或Ｍｏｌｏｄｅｎｓｋｙ级数解等传统方法为主，也包括谱组合法和统计法（如最小二乘配置法）等，计算技术已普遍应用ＦＦＴ，ＦＨＴ，１Ｄ—ＦＦＴ，球面ＦＦＴ等快速算法。同时，多输入输出法（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ—ｉｎｐｕｔｏｕｔｐｕｔｍｅｔｈｏｄ或输入／输出系统理论算法（ＩＯＳＴ））也得到了应用（陈俊勇等，２０００）。

目前国际上正在加紧研制并将陆续发射３颗关于重力场、电磁场和大气探测的小卫星：ＣＨＡＭＰ、ＧＲＡＣＥ和ＧＯＣＥ，它们所提供的地球重力场中长波段及其时变信息，将使地球重力场的研究实现一个历史性跨越。ＣＨＡＭＰ是德国空间局（ＤＬＲ）和德国地学研究中心（ＧＦＺ）负责并实施的用于地球物理研究的低轨小卫星，己于２０００年７月１５日发射，高度为４１８～４７０ｋｍ，主要用于测定地球重力场的中长波位系数及其低阶系数的变化、ＧＰＳ海洋和冰面测高实验、全球磁场与电场的分布与变化等。该计划的特殊意义在于开辟了持续５年时间在低轨平台上获取重要地球位场相关信息的先河。测定轨道和高低卫一卫跟踪（ＳＳＴ）的星载设施有ＧＰＳ接收机、用于ＳＬＲ跟踪的激光反射镜和测定非重力加速度的一种传感器，后者用于削弱非保守力的影响。ＣＨＡＭＰ卫星能使重力场的空间分辨率达到５００ｋｍ，预计将使现有重力场模型的精度提高１０倍，在长于１０００ｋｍ波长以上的波段上，大地水准面的测定精度可达到ｌｃｍ。ＧＲＡＣＥ卫星是美国和德国合作的一颗探测重力场和气候实验的卫星，是两个ＣＨＡＭＰ卫星的组合，由测定两颗卫旱间基线距离变化求解重力场信息，预定在２００１或２００２年发射。ＧＲＡＣＥ用于测定地球重力场的设施同ＣＨＡＭＰ（无磁测仪），是一个兼有高低和低低ＳＳＴ技术探测重力场的甲星对，即它能提供它星对自身及和ＧＰＳ等卫星间的距离变化率来联合确定地球重力场。ＧＲＡＣＥ和ＣＨＡＭＰ主要依靠ＳＳＴ技术推算重力场的中波、长波部分，

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笙二皇堕堡——短波部分主要依靠地面重力和卫星测高资料。ＧＲＡＣＥ的主要科学目标是：以前所未有的精度测定中长波地球重力场的静态部分、以２到４星期的时间段观测数据测定全球重力场的变化、探测大气与电离层环境等。欧洲空间局（ＥｕｒｏｐｅａｎＳｐａｃｅＡｇｅｎｃｙ，ＥＳＡ）的ＧＯＣＥ是地球探测卫星系列中的第一个所谓“重力场和静态洋流探测”卫星，它有星载重力梯度仪（ＳＧＧ）和一个ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ接收机，用于定位和实施高低ＳＳＴ，还有一个无阻尼装置，以补偿非保守力。ＧＯＣＥ同时利用ＳＧＧ和ＳＳＴ技术测定地球重力场。ＳＧＧ对地球重力场的中、短波部分比较敏感，而ＳＳＴ则对中、长波部分比较敏感，因此ＧＯＣＥ所提供的地球重力场的分辨率将达ｌＯＯｋｍ（约相应２５０阶次），精度达到几个毫伽（１ｍＧａｌ＝ｌｃｍ／ｓ２）。ＧＯＣＥ的科学目标是进行全球和区域高精度重力场模型和大地水准面、海洋环流、统一全球高程系统、地球动力学等研究。

空间大地测量学是实现大地测量学科各类目标的主要技术手段，主导着学科未米的发展方向和科学地位（刘经南等，２０００）。ＧＰＳ、ＶＬＢＩ、激光测距（包括ＳＬＲ和ＬＬＲ等）、卫星测高、ＩＮＳＡＲ（或ＳＡＲ）、ＤＯＲＩＳ、ＰＲＡＲＥ等空间技术的出现，使得大地测鼍的发展进入到一个全新的阶段，也标志着大地测量已进入空间技术时代。

ＧＰＳ是美国为了满足军事部门和民＿【｝ｊ对连续实时和三维导航的迫切要求于１９７３年开始研制的，至１９９４年整个系统全面建成。它能够在全球范围内提供全天候、高精度、连续实时的三维定位和测速，同时它还能够提供时间基准。ＧＰＳ（全球定位系统）是２０世纪空间技术上的最大成就之一。它的出现使大地测量产生了根本性的变革。目前这一高新技术已广泛地应用于人地测量学、地球动力学、精密工程测量、地壳形变监测、打油勘探、资源调查、城市测量等领域（姜卫平等，１９９８），也用于结合水准测量精密测定大地水准面。

ＶＬＢＩ（甚长基线干涉测量）是国际地球自转局采用的一种主要空间大地测晕技术。它利用地面上相距几千公里甚至上万公里的两台射电天线构成甚长基线来获取很高的角分辨率。它在获取射电源高分辨率影像、测定射电位置以及测定与地球自转和地壳运动有关的人地测量参数方面获得了巨大成就。目前它是测定长基线最精密的技术，精度可达１０一．１０４，极移测定精度为０．００１弧秒，日长变化的测定精度为Ｏ．０５毫时秒。这一技术将在全球动力过程产生地球动力重力场效应的研究中发挥重要作用。

ＳＬＲ（激光测卫）是目前精度最高的绝对地心定位技术，已成为建立地球重力场模型、测定重力场时间变化（含潮汐变化）、卫星精密定轨、测定地心引力常数ＧＭ以及测定地球参考标架原点和定向变化的主要空间大地测量技术。此外，由于ＳＬＲ的三维定位精度高，对确定气压负荷和固体潮引起的垂直运动信号特别有利（胡明城，１９９４）。

ＩＮＳＡＲ（合成孔径雷达干涉测量）利用地面位移前后影像发射信号相位变化的干涉来监测地面点位置的变化，这一新技术正成为监测活动构造的新工具。它既可提供数字高程模型，又可检测时间跨度为几天到几年和大尺度密集的空间覆盖的地面变化。可＿【｝ｊ于研究地震震前震后的地面形变、火山运动、构造形变等大陆动力学问题，同时也可用于研究地

。４。

卫星测高技术在大地测量学中的应用

壳物质的迁动产生的区域重力场效应，还可用于建立数字高程模型。

ＤＯＲＩＳ是由法国宇航局（ＣＮＥＳ）设计，该系统可川于精密定轨和绝对位置的测定以及求解其它大地测量参数。Ｔｏｐｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ测高—卫星的轨道精度可达３－５ｃｍ，这是与ＤＯＲＩＳ的功能分不开的。ＰＲＡＲＥ（ＰｒｅｃｉｓｅＲａｎｇｅＡｎｄＲａｎｇｅ－ｒａｔｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔ）是由德国研制的一个用于精密定轨和定位的系统，它可在全天候条件下进行高精度的双向和双频微波测距和多普勒测量，可用于精密定轨和求解其它大地测量参数（胡明城，１９９７）。

本文要研究的卫星测高技术是随着现代计算技术和空间技术的出现和应用而产生的。它作为本世纪七十年代发展起来的一项高科技测量技术，以卫星作为测量仪器的载体，借助于空间、电子和微波等高新技术来量测全球海面高。尽管其发展至今虽然只有三十多年的历史，但人量的研究结果表明，它不仅在研究海洋学和地球物理学等方面显示出了巨人的潜力，而且在空间人地测量学领域也产生了深远的影响。

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里呈型壹垫查垄盔垫型量堂！塑堕旦——各代测高卫星的基本情况如表１．１所示。

图１．１测高卫星示意图

三十多年以来，卫星测高技术在历经试验、改进和完善的过程中，技术和性能日趋成熟，测高精度由最初的米级提高到目前的厘米级，分辨率由原来的上百公里提高到现在的儿公里。测高精度很大程度上取决于由重力场模型决定的卫星轨道的精度。随着地球重力场模型精度的不断提高，人们利用这些新的地球重力场模型重新计算了早期的测高卫旱Ｓｅａｓａｔ和Ｇｅｏｓａｔ的轨道，大大地改善了这两颗测高卫星数据的精度。

１．２１２卫星测高技术的应用

卫星测高是利用雷达测量卫星和星下点之间所获得的距离和相应时刻的卫星空间坐标及各种海面高物理改正模型来测算海面的大地高。在过去几十年里，卫星测高数据可以以几公里到几十公里甚至近于全球（两极地区除外）的空间采样率和覆盖率，以及在时间尺度上从几天到几十天的时间采样重复率和持续几年、十几年甚至几十年的观测，提供了迄今为止最为丰富的海平面变化信息和全球平均海面精细结构，并填补对全球海岸以外的广大开阔海洋潮汐观测的空白。此外，由于现代雷达和微波技术的迅速发展，通过分析检测海面雷达回波的形状、散射特征和回波功率，可以获得全球海洋浪场和风场的某些统计分布，为高海况及灾害性海况的预测、预警提供信息。

１．２．２．１卫星测高在海洋学中的应用

大洋环流由海水的水平压力梯度所引起，与地球自转的偏转力达到平衡，表现为海平面高相对于大地水准面的倾斜和起伏。稳态海面地形形成地转流，决定稳态平均洋流。如果能求得海面地形，便可通过海面地形与地转流的大小、方向之间的关系来确定大洋环流的分布模式。卫星测高对研究海洋环流特别有用（ＷｕｎｓｅｈａｎｄＧａｐｏｓｃｈｉｋｉｎ，１９８０），这是

‘７。

卫星测高技术在大地测量学中的应用

一测高数据来改善或建立海潮模型（Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｏ．Ｂ．，１９９５；Ｃａｒｔｗｒｉｇｈｔ，Ｄ．Ｅ．，ａｎｄＲ?Ｄ－Ｒａｙ，１９９０；Ｐ．Ｍａｚｚｅｇａ，ａｎｄＭ．Ｂｅｒｇｅ，１９９４；ＬｅＰｒｏｖｏｓｔ等，１９９５）。如ＣＳＲ３．０就是利用了８９圈的Ｔ／Ｐ测高资料对ＦＥＳ９４．１海潮模型进行改进得到的，与原有模型相比，ＣＳＲ３．０更加精确和完善，其Ｍ２波在深海地区的精度已达到２ｃｍ（Ｓｈｕｍ等，１９９５）。

１．２．２．２卫星测高在地球物理学中的应用

图１．２重力异常与海面关系示意图

地壳的密度不同可引起重力的差异（即重力异常），人地水准面（静Ｉ｜海面）起伏反映重力异常的存在，海面总是与重力方向垂直的。重力方向相对正常重力方向的变化，即重力异常变化，表征海面起伏的坡度方向。如图所示，当局部重力异常在海面上反映为一座“小山”时，这座山在海底可以是一座真正的海底山脉或岛屿，这是由于局部海域海底地形使地壳密度与海水密度反差异常变化引起的。海面地形的稳态部分（相对于时变部分）可以联合测高卫星数据和海洋重力场信息（如地球重力场模型）比较准确的确定。这一过程又有助削弱或消除海面地形对测高海面高的影响，从而确定大地水准面起伏和重力场异常的精细结构。利用地球物理方法可反演海底地球深部结构、研究地幔对流及板块运动等。其方法是通过建立大地水准面形态与板块消减带的相关性研究上地幔和岩石圈的结构与对流。全球覆盖的测高数据可以系统地用于研究海洋岩石圈在表面负荷下的弯曲响应，而船载重力测量资料则做不到这一点。

海洋重力场的长波异常或大地水准面长波起伏是由广阔的地幔对流来保持的，短波异常或大地水准面短波起伏主要来源于岩石圈内或紧接其下面的密度异常。海洋大地水准面短波起伏可以提供有关海底矿藏的信息。海底地壳密度和海水密度的显著反差仅反映在海洋人地水准面的短波起伏中，由滤去长波的海洋人地水准面或由顾及了潮汐和大气压力影响的平均海面可以检测出海底地形，如海岭、海沟、转换断层和海山等。

另外，采用半空间（Ｈａｌｆ－ｓｐａｃｅ）模型和板块模型，还可以研究扩张海脊和断裂带附近的海洋岩石圈的热演化。

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笙二兰笙堡——§１．３卫星测高技术在大地测量学中的研究进展

目前国内外利用卫星测高度进行大地测量研究的发展趋势及技术水平主要可归纳为以Ｆ几方面：

１．３．１测高数据预处理技术

在测高数据处理技术方面，目前主要包括两个方面，一个是如何不断提高各种地球物理改正和环境改止模型的精度，另外一个就是进一步削弱轨道误差的影响。虽然Ｔｏｐｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ（Ｔ／Ｐ）和ＥＲＳ．２已有很高的轨道精度，仍然存在进一步减弱Ｇｅｏｓａｔ、ＥＲＳ－１和ＥＲＳ．２径向轨道误差，以提高测高平均海面的精度，目前普遍采用的方法是进行Ｇｅｏｓａｔ或ＥＲＳ．１（ＥＲＳ一２）与Ｔ／Ｐ的双交叉平差，利用精密Ｔ／Ｐ轨道改进前者的轨道，并结合验潮站高质量的同时段平均海面数据作为一种控制或校准，由于交叉平差存在亏秩或自由基准问题，新发展的方法是包括轨道误差参数的多种数据的联合平差，其中引入模型人地水准面和海面地形先验数据，考虑误差协方差，由此求得更平稳的数值解。

１．３．２平均海面高确定

在平均海面高模型方面，联合多种卫星测高数据确定高精度、高分辨率平均海面高是目前该领域中的主要工作。平均海面（ＭＳＳ）是当今地球科学和环境科学所关注的科学问题。它包括了大地水准面和海面地形两部分信息，因而』“泛地用于确定和分析人地水准面，海洋学则以平均海面为基准，用来研究瞬时海面高、大洋环流等海洋动力学问题。自从卫星测高技术出现以来，国外一些研究机构利用这一信息源己先后推出多个平均海面高模型，如：３．７５’×３．７５’格网分辨率的ＯＳＵＭＳＳ９５模型（Ｙｉ，Ｙｕｅｈａｎ，１９９５）、３．７５’ｘ３．７５’格网分辨率的ＣＬＳＳＨＯＭ９８．２模型以及３’×３’格网分辨率的ＧＦＺＭＳＳ９５Ａ模型，我国也利用卫星测高数据建立了中国海及邻海的ＭＳＳ模型（Ｄｅｎｇ，Ｘ．Ｌ．等，１９９７，王海瑛，１９９９），但分辨率较低，一般在３０７ｘ３０‘左右。在这些海面高模型中，比较有代表的是前三个模型。其发展趋势是如何联合越来越多的重复轨道数据和大地测量数据来确定更高分辨率和更高精度的平均海面。

１１３．３海洋重力恢复

在海洋重力场方面，由于卫星测高可精密测定全球海洋平均海面的大地高，由此可“直接”测定海洋大地水准面，进而海洋重力异常可通过逆Ｓｔｏｋｅｓ公式计算得到，使得海洋重力场的测定和研究取得了突破。在多代卫星测高计划的支持下，海洋重力场的确定得到了迅速发展，取得了丰富的成果。到９０年代初，利用Ｇｅｏｓ．３、Ｓｅａｓａｔ和Ｃｔｅｏｓａｔ数据反演海洋重力场已取得了大量成果，描绘了精细的海洋大地水准面和重力异常场结构。目前随着

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