海洋卫星雷达测高技术进展*

许 可 蒋茂飞

（中国科学院国家空间科学中心 北京 100190）

0 引言

雷达高度计是一种主动式的微波遥感器，其通过向海面发射电磁波和接收海面返回的回波，测量卫星至海面的高度、海面有效波高和后向散射系数，通过后向散射系数可以反演海面风速。卫星雷达测高所获取的高精度海洋观测信息，为海洋学、地球物理、大地测量学、大气物理及全球气候变化等领域的研究与应用提供了稳定、可靠、连续的数据源，促进了人类对海洋的认知。卫星测高数据已经成为全球气候观测系统（Global Climate Observing System, GCOS）和全球大地测量观测系统（Global Geodetic Observing System, GGOS）的重要组成部分。

美国著名大地测量学家Kaula 在1969 年首次提出利用星载雷达高度计对全球海洋进行测量的构想[1]。从20 世纪70 年代开始，国际上先后发射了一系列雷达测高卫星，用于海面高度、海面有效波高、海面风速的测量，进一步应用于海洋环流[2,3]、中尺度涡[4,5]、全球和区域性海平面变化[6,7]、海洋短波重力场[8,9]、海底地形[10,11]、海洋潮汐[12,13]、冰盖高程[14,15]、海冰厚度[16,17]、内陆水位[18,19]等方面的研究。表1给出了目前已发射的雷达测高卫星。

表1 目前已发射的雷达测高卫星Table 1 Past and current radar altimetry mission characteristics

本文论述了雷达测高技术的基本原理以及国内外卫星雷达测高技术发展的现状，并对未来的发展进行了展望。

1 雷达测高技术基本原理

雷达高度计通过测量卫星到海平面的距离从而进一步获得海面高度数据。测量过程中，高度计向海面发射脉冲信号，脉冲被海面反射回接收天线，通过确定脉冲信号的往返时间来测量卫星到海面的距离为

其中，c为光速，t为脉冲在高度计和海面之间的往返时间。

在雷达高度计测量过程中，高度计先向观测目标表面发射微波脉冲信号，并对回波信号进行跟踪，确定回波到达时间，进而可以计算出雷达高度计与被观测目标之间的距离R。在测高卫星中需要配备精密定轨设备，通过精密定轨可以得到卫星到参考椭球面的高度H。二者相减就可以得到海面到参考椭球面的距离，即海面高度为

在测量过程中，雷达高度计微波信号传播过程中会经过大气层，大气层中的干大气、水汽和电离层都会减慢雷达脉冲的传播速度。不同海况对雷达脉冲的反射特性不同，也会造成卫星到海面距离的海况误差，并且还存在着潮汐、大气压力等地球物理和环境因素引起的误差。同时，雷达高度计还存在各项仪器误差等。图1 给出了雷达高度计测高示例，卫星到平均海面的实际距离可表示为

图1 雷达高度计测高示例Fig. 1 A schematic of the satellite radar altimetry measurement

其中，ΔRi为各测高误差校正项，n为校正项的个数。校正后的海面高度为

目前雷达高度计技术体制主要有三种：第一种是脉冲有限体制雷达高度计（Pulse Limited Radar Altimeter, PLR altimeter），以T/P，Jason，HY-2 卫星等为代表；第二种是合成孔径体制雷达高度计（Synthetic Aperture Radar Altimeter, SAR altimeter），以Sentinel-3 和Sentinel-6 卫星等为代表；第三种是宽刈幅体制高度计（Width Swath Ocean Altimeter,WSOA），以SWOT 卫星等为代表。

2 国外海洋卫星测高技术的发展

2.1 脉冲有限体制高度计的发展

1973 年5 月14 日，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）发射了Skylab 空间站，卫星轨道高度425 km，轨道倾角 50°。Skylab 上搭载的雷达高度计S-193 为世界上首个雷达高度计，工作频率在13.9 GHz，主要目标是获取海面状态对脉冲响应的影响信息，以确定雷达高度计的可行性及其测量海面地形的能力。该雷达高度计采用100 ns 脉冲宽度，得到了15 m 的分辨率，测高精度为1 m[20]，首次得到了因海底特征引起的海洋大地水准面观测值[21]。虽然S-193 雷达高度计只能在低轨道段运行，但是通过 Skylab 还是证实了雷达高度计可以观测出海洋大地水准面的粗略特征（例如可以观测出主要的海沟），同时Skylab 证明了测高概念具有强大的生命力和发展潜力，为后续雷达高度计的发展提供了许多宝贵的技术依据。

1975 年4 月9 日，美国宇航局发射了第一颗专门用于测高的海洋地形卫星，即地球动力学实验海洋卫星 GEOS-3，该卫星搭载了雷达高度计、激光反射镜和跟踪信标等设备。GEOS-3 卫星的轨道径向精度达到2 m，该卫星轨道高度为840 km，轨道倾角为115°，卫星轨道的重复周期为23 天。受存储能力的限制， GEOS-3 只进行了3 年约 1680 h 的数据采集和观测，直到 1978 年12 月任务结束。与 Skylab 高度计相比， GEOS-3 的各方面都有了许多重大的改进，例如精度和分辨率均有很大提高，仪器性能有了进一步的改善，全球覆盖范围也有较大提高。GEOS-3 卫星测高数据对于确定全球海洋重力场精细结构及相应的高精度海洋大地水准面具有开拓意义[22]，另外也证实了雷达高度计在陆地和海冰也能够提供有效的数据。

1978 年6 月28 日，美国NASA 发射了海洋卫星Seasat，继续开展对全球海洋的观测任务。Seasat 卫星轨道高度为800 km，轨道倾角为108°，卫星轨道的重复周期为17 天。在脉冲压缩技术上，Seasat 卫星高度计设计了全去斜技术，此后所有高度计都使用了此技术，大大提高了仪器性能。在Seasat 设计中，增加了回波采样的数量，采样间隔为 3.125 ns。虽然Seasat 仅仅运行约3 个月的时间，但是 Seasat 高度计首次提供了全球范围的海洋环流、波浪和风速[23]。利用Seasat 测高数据绘制的海洋地形，科学家可以确定海洋环流和热存储。Seasat 数据还揭示了地球重力场和海底地形的新信息，找到了小尺度地幔对流的证据[24]。GEOS-3 和Seasat 卫星的成功实施，证实了雷达高度计在测量海面和海洋重力场[25]，以及应用地球物理学和海洋学方面的巨大潜力。

1985 年3 月12 日，专门为美国海军研制的大地测量卫星Geosat 发射成功。Geosat 卫星轨道倾角为108°，轨道高度为800 km。该卫星搭载的雷达高度计工作频率为13.5 GHz，海面高度测量精度约为10 cm。Geosat 卫星的主要目标在于提供高精度、高分辨率的海洋重力数据，进而增加对于海洋大地水准面的认识，图2 给出了利用Geosat 卫星雷达高度计得到的全球海底地形。同时，Geosat 高度计提供的高纬度测高数据在研究冰川融化、冰盖质量均衡以及绕南极圈环流方面具有很高的价值，其是第一个提供具有重复性、长期性、高分辨率、高质量特征的全球海面高数据的卫星，被认为是卫星海洋学和卫星大地测量学的里程碑，标志着卫星测高技术进入了成熟阶段[26]。

1998 年2 月10 日，美国海军发射了Geosat 的后续卫星（Geosat follow-on, GFO）。GFO 与Geosat的精密重复测量任务的轨道相同，旨在实现雷达测高任务的连续性。GFO 卫星主要目的是为美国海军提供实时的海洋地形数据，并为NOAA 和NASA 提供测高数据。GFO 搭载的雷达高度计可提供基本的、近实时的海面地形数据，用于确定漩涡、冰缘位置、表面风速和有效波高等信息，同时可为建立海洋模型提供动态输入数据，这些模型有助于理解全球气候变化、长期气候预报机制和行星能量平衡等[27]。GFO的数据通过同化处理，已广泛用于提供环流和海洋环境结构的数值预测系统中，在科学研究以及全球极端变化事件的监测中发挥了重要作用。

1992 年8 月10 日，美国NASA 和法国国家空间研究中心（Centre National d′ Etudes Spatiales, CNES）合作研制的Topex/Poseidon （T/P）卫星发射成功，该卫星轨道高度为1336 km，轨道倾角为66°，轨道重复周期为10 天。T/P 卫星的载荷分布如图3 所示，卫星上搭载了两台雷达高度计：一台是由美国NASA研制的双频Topex 雷达高度计，工作在Ku 波段（13.575 GHz）和C 波段（5.4 GHz）；另一台是法国CNES 研制的单频固态雷达高度计Poseidon-1，工作在Ku 波段（13.65 GHz）。Topex 高度计是世界上第一台双频雷达高度计，通过双频同步测量来校正电离层引起的路径延迟，其仪器参数如表2 所示。另外T/P 卫星搭载了三频段（17.0，21.0 和37.0 GHz）微波辐射计（Topex Microwave Radiometer, TMR），用于校正湿对流层引起的路径延迟。T/P 卫星首次搭载了全球定位系统（Global Positioning System, GPS）和多普勒无线电定轨定位系统（Doppler Orbitograph and Radio Positioning Integrated by Satellite,DORIS），使得T/P 卫星的径向轨道精度达到了3～4 cm[28]。

图3 T/P 卫星载荷分布Fig. 3 T/P spacecraft illustration

表2 Topex 雷达高度计仪器参数Table 2 Specification of the Topex radar altimeter

T/P 卫星的主要目标是观测海洋环流及其对气候变化的作用，并为海洋大地测量以及地球物理相关的研究提供数据支持。T/P 卫星以每10 天一个重复周期提供全球动力海洋地形（Dynamic Ocean Topography, DOT）；T/P 卫星还用于测量全球洋流变化，确定洋流对气候变化的影响，并提供潮汐、海浪和风等海况信息。2002 年9 月15 日， T/P 卫星调整到新的轨道高度，新轨道调整到原地面轨迹的中间位置上，而T/P 卫星的初期轨道由Jason-1 取代。

2001 年12 月T/P 卫星的后续卫星Jason-1 发射成功，Jason-1 卫星由NASA 和CNES 合作实施，用于接替已经运行了9 年的T/P 卫星，继续对全球海平面进行高精度的测量，同时为全球洋流变化和气候研究积累更长时间的数据。 图4 给出了Jason-1 卫星载荷分布，Jason-1 卫星其主要特征（轨道、仪器、观测精度等）与 T/P 基本一致，其中Poseidon-2高度计为双频固态雷达高度计，由 CNES 研制，工作频率为 13.575 GHz （Ku 波段）和 5.3 GHz （C 波段），可用于电离层校正，其仪器参数如表3 所示。校正辐射计的工作频率是18.7，23.8，34.0 GHz。相比于T/P 卫星，Jason-1 卫星搭载了技术水平和精度水平更高的星载GPS 接收机、DORIS 接收机以及激光反射器，用于获取卫星的精密轨道。Jason-1 卫星的海面高度测量精度达到4 cm，每10 天即可实现全球95%无冰覆盖海面的精确重复测量[29]。

图4 Jason-1 卫星载荷分布Fig. 4 Instrument allocations on the Jason-1 spacecraft

Jason-2 是Topex/Poseidon 和Jason-1 的后续卫星，主要用于海洋表面地形观测，因此也称为海洋表面地形任务（Ocean Surface Topography Mission,OSTM）。Jason-2 卫星于2008 年6 月20 日发射，由CNES、NASA、欧洲气象卫星应用组织 （European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites, EUMETSAT） 以及NOAA 等机构联合实施。其中Poseidon-3 高度计由CNES 提供，与Poseidon-2 基本特征一致，但是仪器的噪声功率更低。为了更好地跟踪陆地表面和冰面，Jason-2 高度计采用了新的跟踪算法。Jason-2 卫星的轨道设计与T/P和Jason-1 卫星相同，其主要目标是实现厘米级海面高度的测定，进而确定海洋环流和平均海平面的变化趋势，为天气预报和气候监测等提供科学依据，该卫星获得海面高精度可达2.5～3.4 cm[30]。图5 给出了分别利用T/P 和Jason-2 卫星雷达高度计观测到的1997—1999 年和2015—2017 年厄尔尼诺事件。

图5 利用T/P 卫星和Jason-2 卫星雷达高度计监测到的1997—1999 年和2015—2017 年厄尔尼诺事件Fig. 5 El Niño events detected using the T/P and Jason-2 radar altimeters in 1997—1999 and 2015—2017

Jason-3 卫星由CNES ，NASA ，EUMETSAT和NOAA 共同研制，于2016 年1 月17 日发射，卫星轨道高度为1336 km，轨道倾角为66°，轨道重复周期为10 天。Jason-3 作为T/P，Jason-1 及Jason-2 卫星的后续卫星，将提供与其一致的、连续的、高精度和相同覆盖范围的观测数据。 Jason-3 卫星以优于4 cm 的精度探测全球海面高度，目的是研究海洋环流、气候变化和海平面上升。图6 给出了利用T/P，Jason-1，Jason-2 和Jason-3 卫星测高数据得到的全球海平面变化[6]，图7 给出了利用多源卫星测高数据得到的全球海洋潮汐模型[12]。

图6 联合T/P，Jason-1，Jason-2 和Jason-3 卫星测高数据得到的全球海平面变化Fig. 6 Measuring global sea level rise derived from the Jason-1, Jason-2 and Jason-3 satellite altimetry data

图7 联合T/P，Jason-1，Jason-2 和Jason-3 等卫星测高数据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 是欧洲空间局（European Space Agency,ESA）发射的第一颗地球观测卫星，于1991 年7 月17 日发射进入太阳同步轨道，轨道高度为785 km，轨道倾角为98.5°。ERS-1 卫星载荷分布如图8 所示，ERS-1 携带的雷达高度计（RA1: Radar Altimeter1）主要用于测量大地水准面、海洋重力场以及极地冰盖和海冰，其仪器载荷参数如表4 所示。ERS-1 卫星主要利用SLR 进行轨道改正，海面高度测量精度为10 cm。ERS-1 卫星包含多个任务阶段，分别为重复周期3 天、35 天和168 天的大地测量任务。3 天的重复轨道任务主要用于定标，35 天的重复轨道任务用于海洋观测，168 天的重复轨道任务则用于大地测量。

图8 ERS-1 卫星载荷分布Fig. 8 ERS-1 spacecraft

表4 RA-1 雷达高度计仪器参数Table 4 Specification of the RA-1 instrument

为了保证数据的连续性，ESA 于1995 年4 月21 日发射了ERS-1 卫星的后续卫星ERS-2。ERS-2轨道高度为785 km，轨道倾角为98.5°，轨道重复周期为35 天。该卫星的主要任务是进行地球观测，特别是对大气和海洋的观测，观测区域包括南极、北极在内的地球表面，并可用于监测海冰范围及其密集度，图9 给出了利用ERS-1/2 卫星雷达高度计数据反演得到的北极海冰厚度[16]。ERS-2 雷达高度计的基本参数与 ERS-1 高度计一致。ERS-2 和ERS-1 发射日期间隔不到4 年，两颗卫星实现了同一轨道平面内的组网观测，为大气、陆地、海洋、冰川监测打下了基础。

图9 利用ERS-1 和ERS-2 卫星雷达高度计数据得到的北极海冰厚度Fig. 9 Arctic sea ice thickness derived from the ERS-1 and ERS-2 radar altimetry data

Envisat 属于ERS-1/2 的后续卫星，由ESA 制造，发射于2002 年3 月1 日，主要应用于环境研究，特别是气候变化研究，主要任务是对地球大气及地球表面进行观测。Envisat 轨道与ERS-2 相似，轨道为764～825 km 的太阳同步轨道，轨道倾角为 98.5°，运行重复周期为 35 天，实际地面轨迹与标称偏差保持在1 km 以内[31]。Envisat 卫星的载荷分布如图10 所示，载荷主要有第二代雷达高度计（RA2: Radar Altimeter2）、微波辐射计（Microwave Radiometer,MWR）、 DORIS 系统、 LRA 系统，其中RA-2 雷达高度计仪器参数如表5 所示。

表5 RA-2 雷达高度计仪器参数Table 5 Specification of the RA-2 instrument

法国CNES 和印度空间研究组织 （Indian Space Research Organization, ISRO） 联合研制的SARAL 卫星于2013 年2 月25 日成功发射，其载荷分布如图11 所示，SARAL 卫星的主要有效载荷为Altika 雷达高度计，Altika 为第一台Ka 波段雷达高度计，由法国CNES 研制，其仪器参数如表6 所示。

图11 SARAL 卫星载荷分布Fig. 11 SARAL spacecraft configuration

表6 AltiKa 雷达高度计参数Table 6 Key parameters of the AltiKa radar altimeter

相比于Ku 波段高度计，Ka 波段测高的优点包括： 电离层延迟小、分辨率高、更精细的海面探测能力等[32]。Ka 波段也有一定的缺点，在对流层传播时会导致严重的衰减[33,34]。

2.2 合成孔径体制高度计的发展

自从1978 年Seasat 卫星雷达高度计正式业务运行以来，雷达高度计（Geosat，ERS-1/2，T/P，GFO，Envisat，Jason-1/2/3 等） 一直采用脉冲有限体制的工作模式。为了进一步提高雷达高度计的测量精度和空间分辨率，Raney 提出了基于延迟校正的多普勒锐化技术，提高了测量精度和顺轨向分辨率，从而形成延迟-多普勒雷达高度计（Delay/Doppler Radar Altimeter, DDA）[35]，目前国际上也普遍称之为合成孔径高度计（Synthetic Aperture Radar Altimeter,SAR altimeter）。

如图12（a）（b）所示，脉冲有限体制雷达高度计的脉冲有限足迹是直径为 2 km 左右的圆，且随着海面粗糙度的增大而增大；图12（c）（d）表明，合成孔径雷达高度计在顺轨向进行了合成孔径处理，其足迹是沿航迹向宽度为 300 m 左右的条带，且不随着海面粗糙度的变化而变化，提高了有效观测次数，同时提高了测量精度和沿航迹向分辨率。由于回波足迹的改变，合成孔径雷达高度计的回波形状也与脉冲有限体制雷达高度计（类似于阶跃函数） 不同，类似于脉冲函数，如图13 所示。

图12 脉冲有限雷达高度计和合成孔径雷达高度计照亮足迹对比Fig. 12 Comparison of the footprint geometry between PLR altimeter and SAR altimeter

图13 合成孔径雷达高度计回波波形Fig. 13 Echo generation process of SAR altimeter

为了监测极地冰的范围和厚度的变化，ESA 于2005 年10 月8 日发射了一颗专门用于极地观测的卫星Cryosat，但由于火箭发射失败，该卫星发射不久后坠毁。 2010 年4 月8 日，ESA 又发射了Cryosat 的替代星Cryosat-2 卫星。为了观测更大范围内的海冰及冰盖变化情况，Cryosat-2 卫星的轨道倾角设定为92°，测量的纬度范围可达±88°，轨道高度为717 km，轨道重复周期为369 天。

Cryosat-2 卫星主要科学目标为：确定海洋中海冰厚度的变化，确定南极、北极海冰质量和厚度的区域性变化、季节性变化、年际变化趋势，以及冰盖和冰川厚度的变化，研究南极和格陵兰岛冰盖消融对全球海平面上升的影响，以及气候变化对南极和北极海冰厚度变化的影响[36]。

CryoSat-2 卫星的载荷分布如图14 所示，其主要有效载荷是合成孔径干涉雷达高度计（SAR Interferometric Radar Altimeter, SIRAL），SIRAL 雷达高度计数据在极地测量方面取得了巨大成功，图15～17分别给出了CryoSat-2 数据在极地冰盖[15]、北极海冰厚[17]、北极地转流[3]等方面的典型应用。在进行冰测量的同时，CryoSat-2 卫星还在海洋上进行了高度计合成孔径测高模式的实验并取得了巨大的成功，CryoSat-2 合成孔径测高体制下获得的海面高度噪声水平都低于Jason-2[37]，这些结果为ESA 的 Sentinel-3 A 和Sentinel-3 B 上搭载的合成孔径高度计奠定了基础。

图14 CryoSat-2 卫星载荷分布Fig. 14 CryoSat-2 spacecraft and its instruments

图15 利用CryoSat-2 雷达高度计数据生成的格陵兰岛冰盖数字高程模型Fig. 15 Ice elevation model of Greenland derived from CryoSat-2 radar altimetry data

图16 利用CryoSat-2 雷达高度计数据反演的北极海冰厚度Fig. 16 Arctic sea ice thickness derived from the CryoSat-2 altimetry data

图17 利用CryoSat-2 测高数据获取的北极海面高度异常与地转流Fig. 17 Arctic sea level anomaly and geotrophic current derived from the CryoSat-2 radar altimetry data

Sentinel-3 卫星由ESA 和欧洲气象卫星应用组织（European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites，EUMETSAT） 组织实施。该卫星轨道高度为814 km，轨道倾角为98.6°， 轨道重复周期为27 天。其中Sentinel-3 A 卫星于2016 年2 月16 日发射，Sentinel-3 B 于2018 年4 月25 日发射。

Sentinel-3 卫星的载荷分布如图18 所示，Sentinel-3 A 和Sentinel-3 B 卫星都搭载了合成孔径雷达高度计（Synthetic Aperture Radar Altimeter, SRAL）。为了修正电离层传输延时带来的误差，SRAL 雷达高度计技术方案采用双频体制，工作频率分别是 Ku（13.575 GHz）和C （5.41 GHz），共用一台天线[38]。SRAL 的主要目的是进一步研究海洋环流、水深测量和海洋大地水准面特性。同时SRAL 还将测量海岸带、内陆水域（湖和大的河流）、极地海冰和冰盖。从雷达回波测量的风速和有效波高可以对天气和海况进行预测。

图18 Sentinel-3 卫星载荷分布Fig. 18 Alternate view of the Sentinel-3 spacecraft and the accommodation of the payload

Jason-CS （Jason Continuity of Service）又称Sentinel-6 卫星，其中Sentinel-6 A 于2020 年11 月21 日发射，轨道与Jason 系列卫星一致，轨道高度为1336 km，轨道倾角为66°，轨道重复周期为10 天，是ESA，EUMETSAT，NASA，CNES 和NOAA 的联合任务，确保Jason-3 后能够提供不间断的卫星测高数据服务；Sentinel-6 B 星计划于2025 年发射[39]。Sentinel-6 卫星的载荷分布如图19 所示，卫星上搭载了合成孔径雷达高度计。区别于Sentinel-3 合成孔径高度计的闭环工作模式，Sentinel-6 合成孔径高度计工作在开环模式，进一步提高了测量精度，高度计测距精度达到了0.8 cm[40]。

图19 Sentinel-6 A 卫星载荷分布Fig. 19 Alternate view of the Sentinel-6 A spacecraft and the accommodation of the payload

2.3 宽刈幅体制高度计的发展

脉冲有限高度计和合成孔径高度计都采用了窄波束的天线，为了增大雷达高度计的测量刈幅，有研究提出了宽刈幅海洋高度计（Width Swath Ocean Altimeter, WSOA）的构想[41]。其由一个传统的底视高度计（Ku，C 双波段，并且带有三频辐射计和 GPS接收机）和一个 Ku 波段的侧视雷达干涉仪组成。其中星下点高度计主要用来测量高精度海面高度、电离层以及干涉仪的校准；雷达干涉仪能够将两幅单视复图像，处理后得到干涉相位图，然后从干涉相位信息中获取海洋的三维地形图。

2007 年，美国国家研究理事会提出了SWOT（Surface Water and Ocean Topography）卫星计划，由美国NASA 和法国CNES 联合实施，该计划采用卫星观测地球表面水体，研究河流、湖泊、水库和海洋等水资源的情况，进而监测全球淡水资源，改进海洋环流模型及天气和气候的预测。SWOT 卫星于2022 年12 月16 日发射，卫星的轨道高度为890 km，轨道倾角为78°，卫星轨道重复周期为22 天（在轨校验期间轨道重复周期为3 天）。

SWOT 卫星的干涉测高如图20 所示，主要包括一个Ka 波段的宽刈幅干涉高度计 （KaRIN），仪器参数如表7 所示，其能够对地表进行宽刈幅干涉测量，观测带的宽度达120 km[42]；还包括一个底视高度计、一个三频微波辐射计、一套卫星精密定轨/定位系统。

图20 SWOT 卫星宽刈幅干涉测高Fig. 20 SWOT integrated measurement approach

表7 KaRIN 雷达干涉仪参数Table 7 Main parameters of KaRIN

目前SWOT 卫星干涉测高仪的数据尚未向全球用户开放，NASA 和CNES 对外发布了一些SWOT干涉测高仪数据在海洋和陆地应用的图片，图21 和图22 分别给出了SWOT 干涉测高仪在近岸和内陆水方面的表现[43,44]。

图21 利用SWOT 干涉测高仪获取的加利福尼亚州北部海岸海面高度异常Fig. 21 Sea surface height anomalies along the northern coast of California measured by the SWOT interferometric altimeter

图22 SWOT 干涉测高仪捕捉到阿拉斯加的育空河（红色为育空河和附近的湖）Fig. 22 SWOT interferometric altimeter captured the Yukon River in Alaska （The red image showing the Yukon River and nearby lakes）

3 中国海洋卫星测高技术的发展

与欧美国家相比，中国雷达高度计的研究起步较晚，但经过30 多年的发展，在脉冲有限体制、合成孔径体制和宽刈幅体制方面都取得了重大的进展。

3.1 脉冲有限体制高度计的发展

中国科学院国家空间科学中心在1995 年研制出了第一部机载海洋雷达高度计，获得了机载飞行数据，其测高精度为15 cm，有效波高的精度为实际波高的15%。

神舟四号（SZ-4）飞船于2002 年 12 月 30 日发射成功，其轨道高度为340 km，图23 给出了SZ-4 飞船上搭载的多模态微波遥感器。由中国科学院国家空间科学中心研制的SZ-4 主载荷多模态微波遥感器中的雷达高度计，是一个脉冲有限体制雷达高度计，其工作频率为13.9 GHz，信号带宽为333 MHz，测高精度为10 cm，有效波高测量精度为0.5 m，后向散射系数测量精度为1 dB。多模态微波遥感器作为中国第一个上星的微波遥感器，成功地实现了功能体制验证，为后续的海洋二号（HY-2）卫星奠定了基础。

图23 SZ-4 飞船多模态微波遥感器Fig. 23 SZ-4 multimodal microwave remote sensor

HY-2 卫星是中国业务化应用的海洋动力环境系列卫星，首发星HY-2A 于2011 年8 月16 日发射，卫星照片如图24 所示，主载荷包括：雷达高度计、微波散射计、微波辐射计和大气校正辐射计。HY-2A 设计的轨道高度为971 km，轨道倾角为99°，HY-2A 卫星初期在重复周期为14 天的动力轨道，从2016 年3 月开始转入重复周期为168 天的漂移轨道，开始进行大地测量任务。HY-2A 的目标是监测和调查海洋环境，包括海面风场、浪场、海流、海面温度、海上风暴和潮汐等海况的重要参数，掌握灾害性海况预报，为国民经济和国防建设服务，为海洋科学研究提供实测数据。

图24 HY-2A 卫星Fig. 24 Photo of the HY-2A spacecraft

中国科学院国家空间科学中心研制了HY-2A/B/C/D 四个卫星的雷达高度计。HY-2 卫星雷达高度计是一个双频脉冲有限体制雷达高度计，分别工作在Ku 波段和C 波段，中心频率分别为13.58 GHz和5.25 Hz，信号带宽为320 MHz。采用脉冲有限工作方式测量海面高度、有效波高和海面风速等海洋基本要素。HY-2A 雷达高度计仪器测距精度达到2 cm，有效波高精度达到0.2 m，风速测量精度达到1.5 m·s-1。HY-2A 卫星的设计寿命为3 年，雷达高度计在轨工作了11 年，获得了大量的科学数据并已得到用户广泛使用，图25 给出了利用HY-2A 高度计监测2015—2016 年厄尔尼诺事件，图26 给出了利用HY-2A 测量获得的南海海域重力异常。

图26 利用HY-2A 测量获得的南海海域重力异常Fig. 26 Gravity anomalies in the South China Sea area obtained from HY-2A measurements

表8 给出了HY-2A 卫星雷达高度计仪器硬件指标，HY-2A 卫星雷达高度计采用大时带积线性调频信号，并采用全去斜坡技术和双频全固态体制。其中双频设计用来校正电离层对高度测量的影响；大时带积线性调频信号降低了发射峰值功率；星上采用SMLE 和OCOG 并行跟踪算法，增强了高度计的跟踪能力，采用地面的二次跟踪技术，可以获得高精度的测高结果[45]。

表8 HY-2A 卫星雷达高度计仪器硬件指标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，中国先后发射了海洋二号B 星、C 星和D 星，从而建成了中国首个海洋动力环境监测网，具备全天时、全天候、高精度的测量能力。HY-2B 星沿用了HY-2A 轨道，轨道倾角为99°，重复周期为14 天；HY-2C 和HY-2D 采用了66o倾角的倾斜，重复周期为10 天。随着三星组网，全球海洋监测的覆盖能力达到80%以上，海洋监测的效率和精度得到大幅提升，HY-2 卫星观测网格间距优于100 km[46]，达到国际先进水平。这3 个卫星上分别搭载的双频雷达高度计，在HY-2A 星高度计的基础上增加了高稳定的铷钟，年漂移率不超过0.1 mm，大大提高了测量的稳定性。HY-2B/C/D 高度计的仪器测距精度均优于2 cm，单星海面高度自交叉不符值优于5 cm，对应的海面高度精度优于3.4 cm。海洋二号高度计组网数据广泛应用于海洋预报、中尺度涡监测[47]、重力场[48]和海底地形[49]反演、冰间水道识别[50]、海冰厚度反演[51,52]等方面的研究。图27～30 分别给出了海洋二号高度计组网数据在海面高度测量、海洋重力场[48]和海底地形[49]反演、中尺度涡监测[47]方面的典型应用。

图27 HY-2B 测量的海面高度异常（2018 年12 月10—24 日）Fig. 27 Sea level anomalies obtained from HY-2B measurements （10—24 December 2018）

图28 融合HY-2A/B/C/D 高度计数据反演得到的全球重力异常Fig. 28 Global gravity anomaly obtained by fusing HY-2A/B/C/D altimeter data

图29 融合HY-2A/B/C/D 高度计数据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

图30 HY-2B/C/D 高度计数据在中尺度涡监测中的应用Fig. 30 Application of HY-2B/C/D altimetry data in mesoscale eddies monitoring

HY-2 系列卫星雷达高度计数据质量得到国内外机构的充分认可，法国空间中心的科学家经过多次评估，认为HY-2 系列卫星获取的海面高度数据精度较高，具有与欧美国家卫星同等的精度水平[53-55]。自2011 年10 月开始，HY-2 系列卫星高度计数据已纳入到欧洲业务化运行的高度计数据融合系统（DUACS）中，为全球用户提供数据。

3.2 合成孔径体制高度计的发展

中国对合成孔径雷达高度计的研究从2000 年开始，中国科学院国家空间科学中心是中国最早从事合成孔径雷达高度计研究的单位，对合成孔径雷达高度计测量原理、信号处理、回波模型和回波重跟踪算法等关键技术进行了深入研究，取得了重要的研究成果[56-59]。

中国科学院国家空间科学中心研制的合成孔径雷达高度计载荷通过了相关试验验证，可以在闭环和开环两种工作模式下，通过指令在两种工作模式之间切换。在HY-2E 和HY-2F 星上，将搭载合成孔径雷达高度计（仪器参数参见表9），以替代已有的脉冲有限体制高度计，实现对全球海面高度、海岸带、海冰和海洋重力场等目标的持续观测。

表9 HY-2E 星合成孔径雷达高度计参数Table 9 Main parameters of the HY-2E radar altimeter

3.3 宽刈幅体制高度计的发展

中国科学院国家空间科学中心自1998 年开始宽刈幅体制高度计研究工作，突破了孔径合成技术和干涉信息提取技术等关键技术，实现对海洋和陆地的立体观测[60]。

2016 年9 月15 日，由中国科学院国家空间科学中心研制的天宫二号宽刈幅体制高度计（TG-2 高度计） 随天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射升空，成为了国际上第一个上星的宽刈幅雷达高度计。TG-2 高度计在天宫二号空间实验室中的位置如图31 所示，其仪器参数如表10 所示，TG-2 高度计采用了小入射角和短基线干涉测量技术，实现的单侧幅宽达到了数十公里、海平面高度相对测量精度达到厘米级[61]。图32 和图33 给出了TG-2 宽刈幅高度计数据在海面高度测量和海洋重力异常反演中的应用[62]。

图31 TG-2 宽刈幅高度计在天宫二号空间实验室中的位置Fig. 31 Location of the TG-2 wide swath altimeter

图32 TG-2 宽刈幅高度计数据得到的海面高度Fig. 32 Sea surface height measurements derived from the TG-2 interferometric imaging radar altimeter

图33 TG-2 宽刈幅高度计数据反演得到的海洋重力异常Fig. 33 Gravity anomalies derived from the TG-2 interferometric imaging radar altimeter.

表10 TG-2 宽刈幅高度计主要系统参数Table 10 Main parameters of the TG-2 wide swath altimeter

4 结语

从20 世纪70 年代起，国际上已发射了一系列的测高卫星。1973 年发射的Skylab 代表着卫星测高技术的起步；1985 发射的Geosat 标志着卫星测高技术的成熟；1992 年发射的T/P 卫星标志着高精度测高的开端；2016 年发射的Sentinel-3A 标志着新型的合成孔径技术体制的成熟运用，并将逐步替代已有脉冲有限体制高度计；2022 年发射的SWOT 标志着卫星测高进入了宽刈幅测量的时代。

中国2002 年发射的SZ-4 飞船多模态微波遥感器，标志着中国卫星测高技术的起步；2011—2021 年期间陆续发射的HY-2A/B/C/D 四星，标志着中国高精度卫星测高技术的成熟，单星水平与国际同类卫星最高水平的Jason-3 相当，业务化组网观测能力处于领先；计划中的HY-2E/F 星将采用合成孔径雷达高度计体制代替HY-2A/B/C/D 的脉冲有限体制；作为国际上第一个搭载的TG-2 宽刈幅高度计，代表着中国在宽刈幅测高方面的良好开端。

目前高精度的全球海面高度连续观测数据，已在全球海洋环流、中尺度涡、全球和区域性海平面变化、海洋短波重力场、海底地形、海洋潮汐等方面发挥着不可替代的作用，同时在有效波高、海面风速、冰盖高程、海冰厚度和内陆水位测量等方面发挥着重要作用。可以说卫星测高技术开辟了海洋遥感的新领域，为认知海洋、开发利用海洋、开展全球变化研究等方面提供卓越的手段。随着技术的不断进步，海洋卫星测高也将继续向高精度、高分辨率、宽刈幅和快速全球覆盖方向发展，并将进一步推动多领域的科学研究。