海洋衛星雷達測高技術進展*

許 可 蔣茂飛

（中國科學院國家空間科學中心 北京 100190）

0 引言

雷達高度計是一種主動式的微波遙感器，其通過向海面發射電磁波和接收海面返回的回波，測量衛星至海面的高度、海面有效波高和后向散射系數，通過后向散射系數可以反演海面風速。衛星雷達測高所獲取的高精度海洋觀測信息，為海洋學、地球物理、大地測量學、大氣物理及全球氣候變化等領域的研究與應用提供了穩定、可靠、連續的數據源，促進了人類對海洋的認知。衛星測高數據已經成為全球氣候觀測系統（Global Climate Observing System, GCOS）和全球大地測量觀測系統（Global Geodetic Observing System, GGOS）的重要組成部分。

美國著名大地測量學家Kaula 在1969 年首次提出利用星載雷達高度計對全球海洋進行測量的構想[1]。從20 世紀70 年代開始，國際上先后發射了一系列雷達測高衛星，用于海面高度、海面有效波高、海面風速的測量，進一步應用于海洋環流[2,3]、中尺度渦[4,5]、全球和區域性海平面變化[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]、內陸水位[18,19]等方面的研究。表1給出了目前已發射的雷達測高衛星。

表1 目前已發射的雷達測高衛星Table 1 Past and current radar altimetry mission characteristics

本文論述了雷達測高技術的基本原理以及國內外衛星雷達測高技術發展的現狀，并對未來的發展進行了展望。

1 雷達測高技術基本原理

雷達高度計通過測量衛星到海平面的距離從而進一步獲得海面高度數據。測量過程中，高度計向海面發射脈沖信號，脈沖被海面反射回接收天線，通過確定脈沖信號的往返時間來測量衛星到海面的距離為

其中，c為光速，t為脈沖在高度計和海面之間的往返時間。

在雷達高度計測量過程中，高度計先向觀測目標表面發射微波脈沖信號，并對回波信號進行跟蹤，確定回波到達時間，進而可以計算出雷達高度計與被觀測目標之間的距離R。在測高衛星中需要配備精密定軌設備，通過精密定軌可以得到衛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，雷達高度計微波信號傳播過程中會經過大氣層，大氣層中的干大氣、水汽和電離層都會減慢雷達脈沖的傳播速度。不同海況對雷達脈沖的反射特性不同，也會造成衛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境因素引起的誤差。同時，雷達高度計還存在各項儀器誤差等。圖1 給出了雷達高度計測高示例，衛星到平均海面的實際距離可表示為

圖1 雷達高度計測高示例Fig. 1 A schematic of the satellite radar altimetry measurement

其中，ΔRi為各測高誤差校正項，n為校正項的個數。校正后的海面高度為

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

2 國外海洋衛星測高技術的發展

2.1 脈沖有限體制高度計的發展

1973 年5 月14 日，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）發射了Skylab 空間站，衛星軌道高度425 km，軌道傾角 50°。Skylab 上搭載的雷達高度計S-193 為世界上首個雷達高度計，工作頻率在13.9 GHz，主要目標是獲取海面狀態對脈沖響應的影響信息，以確定雷達高度計的可行性及其測量海面地形的能力。該雷達高度計采用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面觀測值[21]。雖然S-193 雷達高度計只能在低軌道段運行，但是通過 Skylab 還是證實了雷達高度計可以觀測出海洋大地水準面的粗略特征（例如可以觀測出主要的海溝），同時Skylab 證明了測高概念具有強大的生命力和發展潛力，為后續雷達高度計的發展提供了許多寶貴的技術依據。

1975 年4 月9 日，美國宇航局發射了第一顆專門用于測高的海洋地形衛星，即地球動力學實驗海洋衛星 GEOS-3，該衛星搭載了雷達高度計、激光反射鏡和跟蹤信標等設備。GEOS-3 衛星的軌道徑向精度達到2 m，該衛星軌道高度為840 km，軌道傾角為115°，衛星軌道的重復周期為23 天。受存儲能力的限制， GEOS-3 只進行了3 年約 1680 h 的數據采集和觀測，直到 1978 年12 月任務結束。與 Skylab 高度計相比， GEOS-3 的各方面都有了許多重大的改進，例如精度和分辨率均有很大提高，儀器性能有了進一步的改善，全球覆蓋范圍也有較大提高。GEOS-3 衛星測高數據對于確定全球海洋重力場精細結構及相應的高精度海洋大地水準面具有開拓意義[22]，另外也證實了雷達高度計在陸地和海冰也能夠提供有效的數據。

1978 年6 月28 日，美國NASA 發射了海洋衛星Seasat，繼續開展對全球海洋的觀測任務。Seasat 衛星軌道高度為800 km，軌道傾角為108°，衛星軌道的重復周期為17 天。在脈沖壓縮技術上，Seasat 衛星高度計設計了全去斜技術，此后所有高度計都使用了此技術，大大提高了儀器性能。在Seasat 設計中，增加了回波采樣的數量，采樣間隔為 3.125 ns。雖然Seasat 僅僅運行約3 個月的時間，但是 Seasat 高度計首次提供了全球范圍的海洋環流、波浪和風速[23]。利用Seasat 測高數據繪制的海洋地形，科學家可以確定海洋環流和熱存儲。Seasat 數據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流的證據[24]。GEOS-3 和Seasat 衛星的成功實施，證實了雷達高度計在測量海面和海洋重力場[25]，以及應用地球物理學和海洋學方面的巨大潛力。

1985 年3 月12 日，專門為美國海軍研制的大地測量衛星Geosat 發射成功。Geosat 衛星軌道傾角為108°，軌道高度為800 km。該衛星搭載的雷達高度計工作頻率為13.5 GHz，海面高度測量精度約為10 cm。Geosat 衛星的主要目標在于提供高精度、高分辨率的海洋重力數據，進而增加對于海洋大地水準面的認識，圖2 給出了利用Geosat 衛星雷達高度計得到的全球海底地形。同時，Geosat 高度計提供的高緯度測高數據在研究冰川融化、冰蓋質量均衡以及繞南極圈環流方面具有很高的價值，其是第一個提供具有重復性、長期性、高分辨率、高質量特征的全球海面高數據的衛星，被認為是衛星海洋學和衛星大地測量學的里程碑，標志著衛星測高技術進入了成熟階段[26]。

1998 年2 月10 日，美國海軍發射了Geosat 的后續衛星（Geosat follow-on, GFO）。GFO 與Geosat的精密重復測量任務的軌道相同，旨在實現雷達測高任務的連續性。GFO 衛星主要目的是為美國海軍提供實時的海洋地形數據，并為NOAA 和NASA 提供測高數據。GFO 搭載的雷達高度計可提供基本的、近實時的海面地形數據，用于確定漩渦、冰緣位置、表面風速和有效波高等信息，同時可為建立海洋模型提供動態輸入數據，這些模型有助于理解全球氣候變化、長期氣候預報機制和行星能量平衡等[27]。GFO的數據通過同化處理，已廣泛用于提供環流和海洋環境結構的數值預測系統中，在科學研究以及全球極端變化事件的監測中發揮了重要作用。

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）衛星發射成功，該衛星軌道高度為1336 km，軌道傾角為66°，軌道重復周期為10 天。T/P 衛星的載荷分布如圖3 所示，衛星上搭載了兩臺雷達高度計：一臺是由美國NASA研制的雙頻Topex 雷達高度計，工作在Ku 波段（13.575 GHz）和C 波段（5.4 GHz）；另一臺是法國CNES 研制的單頻固態雷達高度計Poseidon-1，工作在Ku 波段（13.65 GHz）。Topex 高度計是世界上第一臺雙頻雷達高度計，通過雙頻同步測量來校正電離層引起的路徑延遲，其儀器參數如表2 所示。另外T/P 衛星搭載了三頻段（17.0，21.0 和37.0 GHz）微波輻射計（Topex Microwave Radiometer, TMR），用于校正濕對流層引起的路徑延遲。T/P 衛星首次搭載了全球定位系統（Global Positioning System, GPS）和多普勒無線電定軌定位系統（Doppler Orbitograph and Radio Positioning Integrated by Satellite,DORIS），使得T/P 衛星的徑向軌道精度達到了3～4 cm[28]。

圖3 T/P 衛星載荷分布Fig. 3 T/P spacecraft illustration

表2 Topex 雷達高度計儀器參數Table 2 Specification of the Topex radar altimeter

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

2001 年12 月T/P 衛星的后續衛星Jason-1 發射成功，Jason-1 衛星由NASA 和CNES 合作實施，用于接替已經運行了9 年的T/P 衛星，繼續對全球海平面進行高精度的測量，同時為全球洋流變化和氣候研究積累更長時間的數據。 圖4 給出了Jason-1 衛星載荷分布，Jason-1 衛星其主要特征（軌道、儀器、觀測精度等）與 T/P 基本一致，其中Poseidon-2高度計為雙頻固態雷達高度計，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，其儀器參數如表3 所示。校正輻射計的工作頻率是18.7，23.8，34.0 GHz。相比于T/P 衛星，Jason-1 衛星搭載了技術水平和精度水平更高的星載GPS 接收機、DORIS 接收機以及激光反射器，用于獲取衛星的精密軌道。Jason-1 衛星的海面高度測量精度達到4 cm，每10 天即可實現全球95%無冰覆蓋海面的精確重復測量[29]。

圖4 Jason-1 衛星載荷分布Fig. 4 Instrument allocations on the Jason-1 spacecraft

Jason-2 是Topex/Poseidon 和Jason-1 的后續衛星，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（Ocean Surface Topography Mission,OSTM）。Jason-2 衛星于2008 年6 月20 日發射，由CNES、NASA、歐洲氣象衛星應用組織 （European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites, EUMETSAT） 以及NOAA 等機構聯合實施。其中Poseidon-3 高度計由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 高度計采用了新的跟蹤算法。Jason-2 衛星的軌道設計與T/P和Jason-1 衛星相同，其主要目標是實現厘米級海面高度的測定，進而確定海洋環流和平均海平面的變化趨勢，為天氣預報和氣候監測等提供科學依據，該衛星獲得海面高精度可達2.5～3.4 cm[30]。圖5 給出了分別利用T/P 和Jason-2 衛星雷達高度計觀測到的1997—1999 年和2015—2017 年厄爾尼諾事件。

圖5 利用T/P 衛星和Jason-2 衛星雷達高度計監測到的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 衛星由CNES ，NASA ，EUMETSAT和NOAA 共同研制，于2016 年1 月17 日發射，衛星軌道高度為1336 km，軌道傾角為66°，軌道重復周期為10 天。Jason-3 作為T/P，Jason-1 及Jason-2 衛星的后續衛星，將提供與其一致的、連續的、高精度和相同覆蓋范圍的觀測數據。 Jason-3 衛星以優于4 cm 的精度探測全球海面高度，目的是研究海洋環流、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 衛星測高數據得到的全球海平面變化[6]，圖7 給出了利用多源衛星測高數據得到的全球海洋潮汐模型[12]。

圖6 聯合T/P，Jason-1，Jason-2 和Jason-3 衛星測高數據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 聯合T/P，Jason-1，Jason-2 和Jason-3 等衛星測高數據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）發射的第一顆地球觀測衛星，于1991 年7 月17 日發射進入太陽同步軌道，軌道高度為785 km，軌道傾角為98.5°。ERS-1 衛星載荷分布如圖8 所示，ERS-1 攜帶的雷達高度計（RA1: Radar Altimeter1）主要用于測量大地水準面、海洋重力場以及極地冰蓋和海冰，其儀器載荷參數如表4 所示。ERS-1 衛星主要利用SLR 進行軌道改正，海面高度測量精度為10 cm。ERS-1 衛星包含多個任務階段，分別為重復周期3 天、35 天和168 天的大地測量任務。3 天的重復軌道任務主要用于定標，35 天的重復軌道任務用于海洋觀測，168 天的重復軌道任務則用于大地測量。

圖8 ERS-1 衛星載荷分布Fig. 8 ERS-1 spacecraft

表4 RA-1 雷達高度計儀器參數Table 4 Specification of the RA-1 instrument

為了保證數據的連續性，ESA 于1995 年4 月21 日發射了ERS-1 衛星的后續衛星ERS-2。ERS-2軌道高度為785 km，軌道傾角為98.5°，軌道重復周期為35 天。該衛星的主要任務是進行地球觀測，特別是對大氣和海洋的觀測，觀測區域包括南極、北極在內的地球表面，并可用于監測海冰范圍及其密集度，圖9 給出了利用ERS-1/2 衛星雷達高度計數據反演得到的北極海冰厚度[16]。ERS-2 雷達高度計的基本參數與 ERS-1 高度計一致。ERS-2 和ERS-1 發射日期間隔不到4 年，兩顆衛星實現了同一軌道平面內的組網觀測，為大氣、陸地、海洋、冰川監測打下了基礎。

圖9 利用ERS-1 和ERS-2 衛星雷達高度計數據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 的后續衛星，由ESA 制造，發射于2002 年3 月1 日，主要應用于環境研究，特別是氣候變化研究，主要任務是對地球大氣及地球表面進行觀測。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°，運行重復周期為 35 天，實際地面軌跡與標稱偏差保持在1 km 以內[31]。Envisat 衛星的載荷分布如圖10 所示，載荷主要有第二代雷達高度計（RA2: Radar Altimeter2）、微波輻射計（Microwave Radiometer,MWR）、 DORIS 系統、 LRA 系統，其中RA-2 雷達高度計儀器參數如表5 所示。

表5 RA-2 雷達高度計儀器參數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） 聯合研制的SARAL 衛星于2013 年2 月25 日成功發射，其載荷分布如圖11 所示，SARAL 衛星的主要有效載荷為Altika 雷達高度計，Altika 為第一臺Ka 波段雷達高度計，由法國CNES 研制，其儀器參數如表6 所示。

圖11 SARAL 衛星載荷分布Fig. 11 SARAL spacecraft configuration

表6 AltiKa 雷達高度計參數Table 6 Key parameters of the AltiKa radar altimeter

相比于Ku 波段高度計，Ka 波段測高的優點包括： 電離層延遲小、分辨率高、更精細的海面探測能力等[32]。Ka 波段也有一定的缺點，在對流層傳播時會導致嚴重的衰減[33,34]。

2.2 合成孔徑體制高度計的發展

自從1978 年Seasat 衛星雷達高度計正式業務運行以來，雷達高度計（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。為了進一步提高雷達高度計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，提高了測量精度和順軌向分辨率，從而形成延遲-多普勒雷達高度計（Delay/Doppler Radar Altimeter, DDA）[35]，目前國際上也普遍稱之為合成孔徑高度計（Synthetic Aperture Radar Altimeter,SAR altimeter）。

如圖12（a）（b）所示，脈沖有限體制雷達高度計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，合成孔徑雷達高度計在順軌向進行了合成孔徑處理，其足跡是沿航跡向寬度為 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，同時提高了測量精度和沿航跡向分辨率。由于回波足跡的改變，合成孔徑雷達高度計的回波形狀也與脈沖有限體制雷達高度計（類似于階躍函數） 不同，類似于脈沖函數，如圖13 所示。

圖12 脈沖有限雷達高度計和合成孔徑雷達高度計照亮足跡對比Fig. 12 Comparison of the footprint geometry between PLR altimeter and SAR altimeter

圖13 合成孔徑雷達高度計回波波形Fig. 13 Echo generation process of SAR altimeter

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

Cryosat-2 衛星主要科學目標為：確定海洋中海冰厚度的變化，確定南極、北極海冰質量和厚度的區域性變化、季節性變化、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全球海平面上升的影響，以及氣候變化對南極和北極海冰厚度變化的影響[36]。

CryoSat-2 衛星的載荷分布如圖14 所示，其主要有效載荷是合成孔徑干涉雷達高度計（SAR Interferometric Radar Altimeter, SIRAL），SIRAL 雷達高度計數據在極地測量方面取得了巨大成功，圖15～17分別給出了CryoSat-2 數據在極地冰蓋[15]、北極海冰厚[17]、北極地轉流[3]等方面的典型應用。在進行冰測量的同時，CryoSat-2 衛星還在海洋上進行了高度計合成孔徑測高模式的實驗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]，這些結果為ESA 的 Sentinel-3 A 和Sentinel-3 B 上搭載的合成孔徑高度計奠定了基礎。

圖14 CryoSat-2 衛星載荷分布Fig. 14 CryoSat-2 spacecraft and its instruments

圖15 利用CryoSat-2 雷達高度計數據生成的格陵蘭島冰蓋數字高程模型Fig. 15 Ice elevation model of Greenland derived from CryoSat-2 radar altimetry data

圖16 利用CryoSat-2 雷達高度計數據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 測高數據獲取的北極海面高度異常與地轉流Fig. 17 Arctic sea level anomaly and geotrophic current derived from the CryoSat-2 radar altimetry data

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

Sentinel-3 衛星的載荷分布如圖18 所示，Sentinel-3 A 和Sentinel-3 B 衛星都搭載了合成孔徑雷達高度計（Synthetic Aperture Radar Altimeter, SRAL）。為了修正電離層傳輸延時帶來的誤差，SRAL 雷達高度計技術方案采用雙頻體制，工作頻率分別是 Ku（13.575 GHz）和C （5.41 GHz），共用一臺天線[38]。SRAL 的主要目的是進一步研究海洋環流、水深測量和海洋大地水準面特性。同時SRAL 還將測量海岸帶、內陸水域（湖和大的河流）、極地海冰和冰蓋。從雷達回波測量的風速和有效波高可以對天氣和海況進行預測。

圖18 Sentinel-3 衛星載荷分布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 衛星，其中Sentinel-6 A 于2020 年11 月21 日發射，軌道與Jason 系列衛星一致，軌道高度為1336 km，軌道傾角為66°，軌道重復周期為10 天，是ESA，EUMETSAT，NASA，CNES 和NOAA 的聯合任務，確保Jason-3 后能夠提供不間斷的衛星測高數據服務；Sentinel-6 B 星計劃于2025 年發射[39]。Sentinel-6 衛星的載荷分布如圖19 所示，衛星上搭載了合成孔徑雷達高度計。區別于Sentinel-3 合成孔徑高度計的閉環工作模式，Sentinel-6 合成孔徑高度計工作在開環模式，進一步提高了測量精度，高度計測距精度達到了0.8 cm[40]。

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

2.3 寬刈幅體制高度計的發展

脈沖有限高度計和合成孔徑高度計都采用了窄波束的天線，為了增大雷達高度計的測量刈幅，有研究提出了寬刈幅海洋高度計（Width Swath Ocean Altimeter, WSOA）的構想[41]。其由一個傳統的底視高度計（Ku，C 雙波段，并且帶有三頻輻射計和 GPS接收機）和一個 Ku 波段的側視雷達干涉儀組成。其中星下點高度計主要用來測量高精度海面高度、電離層以及干涉儀的校準；雷達干涉儀能夠將兩幅單視復圖像，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提出了SWOT（Surface Water and Ocean Topography）衛星計劃，由美國NASA 和法國CNES 聯合實施，該計劃采用衛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，進而監測全球淡水資源，改進海洋環流模型及天氣和氣候的預測。SWOT 衛星于2022 年12 月16 日發射，衛星的軌道高度為890 km，軌道傾角為78°，衛星軌道重復周期為22 天（在軌校驗期間軌道重復周期為3 天）。

SWOT 衛星的干涉測高如圖20 所示，主要包括一個Ka 波段的寬刈幅干涉高度計 （KaRIN），儀器參數如表7 所示，其能夠對地表進行寬刈幅干涉測量，觀測帶的寬度達120 km[42]；還包括一個底視高度計、一個三頻微波輻射計、一套衛星精密定軌/定位系統。

圖20 SWOT 衛星寬刈幅干涉測高Fig. 20 SWOT integrated measurement approach

表7 KaRIN 雷達干涉儀參數Table 7 Main parameters of KaRIN

目前SWOT 衛星干涉測高儀的數據尚未向全球用戶開放，NASA 和CNES 對外發布了一些SWOT干涉測高儀數據在海洋和陸地應用的圖片，圖21 和圖22 分別給出了SWOT 干涉測高儀在近岸和內陸水方面的表現[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 中國海洋衛星測高技術的發展

與歐美國家相比，中國雷達高度計的研究起步較晚，但經過30 多年的發展，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展。

3.1 脈沖有限體制高度計的發展

中國科學院國家空間科學中心在1995 年研制出了第一部機載海洋雷達高度計，獲得了機載飛行數據，其測高精度為15 cm，有效波高的精度為實際波高的15%。

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

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

HY-2 衛星是中國業務化應用的海洋動力環境系列衛星，首發星HY-2A 于2011 年8 月16 日發射，衛星照片如圖24 所示，主載荷包括：雷達高度計、微波散射計、微波輻射計和大氣校正輻射計。HY-2A 設計的軌道高度為971 km，軌道傾角為99°，HY-2A 衛星初期在重復周期為14 天的動力軌道，從2016 年3 月開始轉入重復周期為168 天的漂移軌道，開始進行大地測量任務。HY-2A 的目標是監測和調查海洋環境，包括海面風場、浪場、海流、海面溫度、海上風暴和潮汐等海況的重要參數，掌握災害性海況預報，為國民經濟和國防建設服務，為海洋科學研究提供實測數據。

圖24 HY-2A 衛星Fig. 24 Photo of the HY-2A spacecraft

中國科學院國家空間科學中心研制了HY-2A/B/C/D 四個衛星的雷達高度計。HY-2 衛星雷達高度計是一個雙頻脈沖有限體制雷達高度計，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、有效波高和海面風速等海洋基本要素。HY-2A 雷達高度計儀器測距精度達到2 cm，有效波高精度達到0.2 m，風速測量精度達到1.5 m·s-1。HY-2A 衛星的設計壽命為3 年，雷達高度計在軌工作了11 年，獲得了大量的科學數據并已得到用戶廣泛使用，圖25 給出了利用HY-2A 高度計監測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 衛星雷達高度計儀器硬件指標，HY-2A 衛星雷達高度計采用大時帶積線性調頻信號，并采用全去斜坡技術和雙頻全固態體制。其中雙頻設計用來校正電離層對高度測量的影響；大時帶積線性調頻信號降低了發射峰值功率；星上采用SMLE 和OCOG 并行跟蹤算法，增強了高度計的跟蹤能力，采用地面的二次跟蹤技術，可以獲得高精度的測高結果[45]。

表8 HY-2A 衛星雷達高度計儀器硬件指標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，中國先后發射了海洋二號B 星、C 星和D 星，從而建成了中國首個海洋動力環境監測網，具備全天時、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°，重復周期為14 天；HY-2C 和HY-2D 采用了66o傾角的傾斜，重復周期為10 天。隨著三星組網，全球海洋監測的覆蓋能力達到80%以上，海洋監測的效率和精度得到大幅提升，HY-2 衛星觀測網格間距優于100 km[46]，達到國際先進水平。這3 個衛星上分別搭載的雙頻雷達高度計，在HY-2A 星高度計的基礎上增加了高穩定的銣鐘，年漂移率不超過0.1 mm，大大提高了測量的穩定性。HY-2B/C/D 高度計的儀器測距精度均優于2 cm，單星海面高度自交叉不符值優于5 cm，對應的海面高度精度優于3.4 cm。海洋二號高度計組網數據廣泛應用于海洋預報、中尺度渦監測[47]、重力場[48]和海底地形[49]反演、冰間水道識別[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高度計組網數據在海面高度測量、海洋重力場[48]和海底地形[49]反演、中尺度渦監測[47]方面的典型應用。

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 高度計數據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 高度計數據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 高度計數據在中尺度渦監測中的應用Fig. 30 Application of HY-2B/C/D altimetry data in mesoscale eddies monitoring

HY-2 系列衛星雷達高度計數據質量得到國內外機構的充分認可，法國空間中心的科學家經過多次評估，認為HY-2 系列衛星獲取的海面高度數據精度較高，具有與歐美國家衛星同等的精度水平[53-55]。自2011 年10 月開始，HY-2 系列衛星高度計數據已納入到歐洲業務化運行的高度計數據融合系統（DUACS）中，為全球用戶提供數據。

3.2 合成孔徑體制高度計的發展

中國對合成孔徑雷達高度計的研究從2000 年開始，中國科學院國家空間科學中心是中國最早從事合成孔徑雷達高度計研究的單位，對合成孔徑雷達高度計測量原理、信號處理、回波模型和回波重跟蹤算法等關鍵技術進行了深入研究，取得了重要的研究成果[56-59]。

中國科學院國家空間科學中心研制的合成孔徑雷達高度計載荷通過了相關試驗驗證，可以在閉環和開環兩種工作模式下，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高度計（儀器參數參見表9），以替代已有的脈沖有限體制高度計，實現對全球海面高度、海岸帶、海冰和海洋重力場等目標的持續觀測。

表9 HY-2E 星合成孔徑雷達高度計參數Table 9 Main parameters of the HY-2E radar altimeter

3.3 寬刈幅體制高度計的發展

中國科學院國家空間科學中心自1998 年開始寬刈幅體制高度計研究工作，突破了孔徑合成技術和干涉信息提取技術等關鍵技術，實現對海洋和陸地的立體觀測[60]。

2016 年9 月15 日，由中國科學院國家空間科學中心研制的天宮二號寬刈幅體制高度計（TG-2 高度計） 隨天宮二號空間實驗室在酒泉衛星發射中心發射升空，成為了國際上第一個上星的寬刈幅雷達高度計。TG-2 高度計在天宮二號空間實驗室中的位置如圖31 所示，其儀器參數如表10 所示，TG-2 高度計采用了小入射角和短基線干涉測量技術，實現的單側幅寬達到了數十公里、海平面高度相對測量精度達到厘米級[61]。圖32 和圖33 給出了TG-2 寬刈幅高度計數據在海面高度測量和海洋重力異常反演中的應用[62]。

圖31 TG-2 寬刈幅高度計在天宮二號空間實驗室中的位置Fig. 31 Location of the TG-2 wide swath altimeter

圖32 TG-2 寬刈幅高度計數據得到的海面高度Fig. 32 Sea surface height measurements derived from the TG-2 interferometric imaging radar altimeter

圖33 TG-2 寬刈幅高度計數據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 寬刈幅高度計主要系統參數Table 10 Main parameters of the TG-2 wide swath altimeter

4 結語

從20 世紀70 年代起，國際上已發射了一系列的測高衛星。1973 年發射的Skylab 代表著衛星測高技術的起步；1985 發射的Geosat 標志著衛星測高技術的成熟；1992 年發射的T/P 衛星標志著高精度測高的開端；2016 年發射的Sentinel-3A 標志著新型的合成孔徑技術體制的成熟運用，并將逐步替代已有脈沖有限體制高度計；2022 年發射的SWOT 標志著衛星測高進入了寬刈幅測量的時代。

中國2002 年發射的SZ-4 飛船多模態微波遙感器，標志著中國衛星測高技術的起步；2011—2021 年期間陸續發射的HY-2A/B/C/D 四星，標志著中國高精度衛星測高技術的成熟，單星水平與國際同類衛星最高水平的Jason-3 相當，業務化組網觀測能力處于領先；計劃中的HY-2E/F 星將采用合成孔徑雷達高度計體制代替HY-2A/B/C/D 的脈沖有限體制；作為國際上第一個搭載的TG-2 寬刈幅高度計，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觀測數據，已在全球海洋環流、中尺度渦、全球和區域性海平面變化、海洋短波重力場、海底地形、海洋潮汐等方面發揮著不可替代的作用，同時在有效波高、海面風速、冰蓋高程、海冰厚度和內陸水位測量等方面發揮著重要作用?？梢哉f衛星測高技術開辟了海洋遙感的新領域，為認知海洋、開發利用海洋、開展全球變化研究等方面提供卓越的手段。隨著技術的不斷進步，海洋衛星測高也將繼續向高精度、高分辨率、寬刈幅和快速全球覆蓋方向發展，并將進一步推動多領域的科學研究。