大地测量与导航团队冯伟教授等在宽刈幅测高数据反演海洋重力场方面取得进展

01 研究背景

海洋重力场是海底地形反演、海洋资源开发和重力辅助导航等领域的重要基础数据。卫星测高技术可精密测定全球海洋平均海面的大地高，可“直接”测定海洋大地水准面，并利用大地水准面与重力异常之间泛函关系，反演海洋重力异常。因此，卫星测高技术已成为反演海洋重力场的主要手段之一。传统测高卫星的一维沿轨观测方式，缺少跨轨方向的同步测量，这种沿轨和跨轨的观测值不均匀分布严重限制了海洋重力场的反演精度和空间分辨率。

由美国国家航空航天局（NASA）和法国国家空间研究中心（CNES）等合作研制的宽刈幅雷达干涉测量卫星SWOT（Surface Water and Ocean Topography）于2022年12月成功发射。该卫星搭载了Ka波段（35 GHz）雷达干涉计和双频（Ku和C波段）有限脉冲雷达高度计（Poseidon-3C）。如图1所示，SWOT卫星在两个宽约50 km的刈幅上提供高精度和高分辨率的二维海面高观测和地表水观测，将有助于更好地估计平均海面高和大地水准面，为海洋重力场反演与精化带来重要契机。

图1.SWOT卫星观测原理示意图（https://swot.jpl.nasa.gov）

02 论文简介

本研究以中国南海北部区域为例（图2），使用SWOT卫星的模拟观测数据，开展了基于SWOT宽刈幅数据反演海洋重力场的精度分析。通过与真值对比，量化了单周期和多周期数据中各项误差对垂线偏差和重力异常的影响，提出了误差校正方法，为SWOT实测数据处理提供了参考。

针对SWOT误差的分布特性（图3），该研究采用了基于高斯滤波和“倾斜校正”的数据预处理策略，有效抑制了仪器观测噪声和中小尺度海洋现象导致的高频观测噪声，校正了因相位误差和横滚误差等原因导致的刈幅垂直轨迹方向上观测值系统性倾斜。“倾斜校正”以平均海面高为参考面，将每条轨迹垂直轨迹方向上的观测值（图3c红线）与平均海平面的差异视为一次函数，利用最小二乘方法估计该函数的系数，再根据得到的误差函数，从观测值中扣除该误差，最终得到被校正后的观测值。

单周期数据的反演结果表明，垂线偏差和重力异常受相位误差和随机误差的影响更明显，相位误差的影响约为随机误差的两倍。采用误差校正方法后（图3），垂线偏差东方向和北方向分量的精度分别提高了75.32%和46.80%。所有误差对反演重力场的影响为3.46 mGal，通过误差校正的影响被削弱了70.23%。

多周期数据反演结果表明（图4和图5），相位误差对垂线偏差和重力异常影响更显著。与单周期相比，多周期数据取均值可将相位误差对垂线偏差东方向分量的影响从3.56 μrad降至0.75 μrad，明显削弱了垂线偏差东方向分量中的条纹现象（图4a）。取均值后，相位误差对重力异常的影响被削弱了约80%。取均值并误差校正处理后，误差的总体影响从3.46 mGal减小为0.30 mGal。实验表明，由于系统性误差的影响，应当在滤波前做误差校正处理。

图2. （a）研究区域示意图，（b）来自GEBCO模型的研究区海底地形

图3. （a）研究区域内的SWOT模拟观测数据，取（b）模拟数据pass204中海面高异常（SLA）在cross-track方向的剖面（黑色实线），得到（c）模拟的SLA（橘黄色）和SLA真值（绿色）之间存在系统偏差。

图4. 基于17个周期数据反演的（a）垂线偏差东分量，及其（b）与真值的差异，（c）该差异的分布符合正态分布特征。图d-f与a-c相似，但为垂线偏差的北分量。

图5 基于17个周期的SWOT无误差模拟数据反演的（a）剩余重力异常和（b）重力异常。

以上研究以“Analyzing the impact of SWOT observation errors on marine gravity recovery”为题发表在《Geophysical Journal International》杂志。中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队博士研究生孙明智为文章第一作者，团队冯伟教授为文章通讯作者，辽宁工程技术大学于道成副教授、中山大学测绘科学与技术学院钟敏教授、陈晓东博士生和梁炜轩硕士生为文章合作作者。该研究得到了自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室（MESTA-2022-B003）和中央高校基本科研业务费专项资金（22lgqb09和23xkjc012）项目支持。

原文信息：Sun, M., Feng, W.*, Yu, D., Chen, X., Liang, W., & Zhong, M. (2024). Analysing the impact of SWOT observation errors on marine gravity recovery. Geophysical Journal International, 237(2), 862-871. https://doi.org/10.1093/gji/ggae073

03 作者介绍

孙明智，中山大学测绘科学与技术学院2022级博士研究生，主要研究方向为卫星测高测高数据处理及应用。

冯伟，中山大学测绘科学与技术学院教授，中国科学院青年创新促进会成员，德国波恩大学访问学者，法国空间局访问学者，国际大地测量协会会士（IAG Fellow），国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）下一代卫星重力计划专家组成员，国际大地测量协会（IAG）“重力反演与地球系统质量迁移”分委会主席。近年来主要开展了空间大地测量与全球变化方面的研究工作。目前担任《地球物理学报》、《Pure and Applied Geophysics》和《Geodesy and Geodynamics》等国内外杂志编委。