第三章 海洋卫星与陆地卫星
§3.1装载有微波传感器的海洋卫星（Ocean-Looking Satellite with Microwave Sensors） 因为微波能够穿透云层，特别是有较大功率的主动微波雷达能够穿透较厚的云层，故带有微波传感器的海洋卫星经常被誉为全天候遥感卫星。表3-1列出了装载有微波传感器的海洋卫星信息。
表3-1: 装载有微波雷达的海洋卫星
装载有微波传感器的海洋卫星属于海洋环境监测卫星，它的特点是扫描范围大，便于探测大面积
海洋环境要素，例如海面风、海平面高度和海表面温度等。装载有可见光和红外波段传感器的陆地卫星属于陆地包括海岸带资源观测卫星，它的特点是扫描范围较小，但分辨率特别高，便于精确观测小面积土地资源极其变化。装载有合成孔径雷达的卫星既可以用于探测海洋环境要素，例如油污染和生物膜等生化要素、以及海洋内波、海面巨浪和海浪谱等动力要素，也可以用于探测陆地环境要素，例如水火灾害等，还可以用于探测陆地资源要素，例如地下水和矿产资源等。因此，装载有合成孔径雷达的卫星是多用途卫星。微波传感器包括高度计、散射计、合成孔径雷达和微波辐射计。高度计是一个垂直探测的主动雷达，可以测量卫星与地球之间距离、海面地形和粗糙度，并由此估计风速、表面海流和平均波高。散射计是一个宽刈幅主动雷达，通过测量海表面粗糙度可以计算海面风速和风向。合成孔径雷达是一个具有高空间分辨率的主动雷达，它利用多卜勒效应获得高空间分辨率，可测量涌浪、内波、降雨、海流边界、海冰位置及性质、和大块浮冰的速度等。微波辐射计是一个被动微波雷达，它可以测量海面反射、散射和自发辐射的辐射度和微波亮温，并由此可估计风速、水蒸气、降水率、海表面温度、海表面盐度和冰覆盖量等
§3.2 欧洲遥感卫星ERS-1 和ERS-2
欧洲遥感卫星ERS-1 和ERS-2分别于1991年和1995年由欧空局发射。由于ERS-1/2采用了先进的微波遥感技术来获取全天候与全天时的图象，比起传统的光学遥感图象有着独特的优点。ERS-1/2采用椭圆形太阳同步轨道，卫星高度为780km ，半长轴为7153.135km ，轨道倾角为98.52°，节点周期为100.465min(分) ，每天运行轨道数为14 -1/3，降交点的当地太阳时为10:30AM，空间分辨率的方位方向
欧空局的ERS1/2是一个被赋予多种遥感任务的卫星。它载有主动微波装置（AMI ）、雷达高度计（RA ）、沿轨迹扫描辐射计(ATSR)、全球臭氧监测实验（GOME ）设备、精确测距设备(PRARE)和激光回反射装置(LRR)。其中主动微波装置（AMI ）结合了合成孔径雷达（SAR ）和散射计的功能。欧空局网页http://earth.esa.int/ers/satconc/ 介绍了关于ERS1/2的详细信息。欧空局网页关于SAR 和AMI 等传感器的介绍如下：
The first SAR was launched into space by Europe Ariane-4 rocket in July 1991 as one of three main instruments on ESA - ERS-1 spacecraft. It was followed by a second on ERS-2 in 1995. ERS-1 completed its operation in 1999, overlapping with the new ERS-2 launched in 1995. These highly successful ESA satellites have collected a wealth of valuable data on the Earth, land surfaces, oceans, and polar caps.
Active Microwave Instrument (AMI) is the largest onboard system and combines the functions of a Synthetic Aperture Radar (SAR) and a wind scatterometer (SCATT). The AMI has three modes of operation: image mode and wave mode (performed by the SAR); and wind mode (by the SCATT). In image mode, the SAR produces highly detailed images of a 100 km wide strip of the Earth surface day and night and in all weather conditions. In its wind and wave modes, the instrument continuously measures global ocean surface wind speeds and directions, and provides information on the direction and shape of ocean wave patterns.
Radar Altimeter (RA) provides accurate measurements of sea surface elevation, significant wave heights, various ice parameters and an estimate of sea surface wind speed. This measures variations in the satellite height above sea level and ice with an accuracy of a few centimetres and helps provide data to know the satellite exact orbital position. As well as contributing data on the position of ice flows below, the instrument produces ocean surface wave height and wind speed information for climatologists.
In the light of the increasing concern about atmospheric ozone levels, the Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) instrument was added to the ERS-2 payload. This ultraviolet and visible light spectrometer provides information on ozone, CFCs and trace gas levels. A more advanced version of GOME will be carried on the Metop spacecraft series, three polar orbiting satellites currently under development. These will produce high-resolution images, detailed vertical temperature and humidity profiles and
temperatures of the land and ocean surface on a global basis.
Along Track Scanning Radiometer (ATSR) combining an infra-red radiometer and a microwave sounder for the measurement of sea surface temperature, cloud top temperature, cloud cover and atmospheric water vapour content.
Precise Range and Range-rate Equipment (PRARE) is included for the accurate determination of the satellite's position and orbit characteristics, and for precise position determination (geodetic fixing).
Laser Retro-reflectors (LRR) allow measurement of the satellite's position and orbit via the use of ground-based laser ranging stations.
作为欧洲遥感卫星ERS-1 和ERS-2的接替者，又一颗欧洲微波遥感卫星ENVISAT 卫星于2002年3月由欧空局发射升空，并于2003年5月正式投入运行。星上的高级合成孔径雷达ASAR 具有双极化和多模式的新特点，其数据的地面分辨率最高达25m ，覆盖范围最宽可达400km ，可应用于水灾监测、作物估产、油污调查和海冰监测等方面。根据合同，中科院中国遥感卫星地面站可以接收日本JERS 卫星、加拿大RADARSAT 卫星、欧空局ERS 卫星和ENVISAT 卫星的合成孔径雷达遥感资料。 §3.3高度计专用卫星TOPEX/POSEIDON和Jason-1
高度计专用卫星TOPEX/POSEIDON（托派克和波塞冬是希腊神化中的两个人物）和Jason-1是法国国家空间研究中心和美国航空航天局合作项目，卫星载有高度计，按照特别为高度计设计的轨道运行。欲了解关于TOPEX/POSEIDON卫星的详细信息，可看美国NASA/JPL的网页http://topex-www.jpl.nasa.gov/mission/topex.html/。该网页对TOPEX/POSEIDON卫星的使命作出如下描述：
Launched in 1992, TOPEX/Poseidon is a joint venture between CNES and NASA to map ocean surface topography . TOPEX/Poseidon has delivered an astonishing 10+ years of data from orbit. In these 10+ years, it has: 1) Measured sea levels with unprecedented accuracy to better than 5 cm, 2) Continuously observed global ocean topography, 3) Monitored effects of currents on global climate change and produced the first global views of seasonal changes of currents, 4) Monitored large-scale ocean features like Rossby and Kelvin waves and studied such phenomena as El Niño , La Niña, and the Pacific Decadal Oscillation, 5) Mapped basin-wide current variations and provided global data to validate models of ocean circulation, 6) Mapped year-to-year changes in heat stored in the upper ocean, 7) Produced the most accurate global maps of tides ever, 8) Improved our knowledge of Earth's gravity field.
美国宇航局网页http://podaac.jpl.nasa.gov/topex/www/ssa.html和http://podaac.jpl.nasa.gov/order/ 介绍了如何获取TOPEX/Poseidon的数据资料。德克萨斯大学网页http://www.csr.utexas.edu/eqpac/和网页http://www.csr.utexas.edu/sst/gsdata.html也介绍了如何使用TOPEX/Poseidon资料进行海洋学研究。美国宇航局关于的Jason-1的主页http://topex-www.jpl.nasa.gov/mission/jason-1.html介绍了关于Jason-1卫星的详细信息：
Jason-1 was launched on 12/07/01. Jason-1 is the first follow-on to the highly successful TOPEX/Poseidon mission that measured ocean surface topography to an accuracy of 4.2 cm, enabled scientists to forecast the 1997-1998 El Niño, and improved understanding of ocean circulation and its effect of global climate. The joint NASA-CNES program will launch a French spacecraft on an American Delta II from an American base. Like TOPEX/Poseidon, the payload will include both American and French instruments. Jason-1 altimeter data will be part of a suite of data provided by other JPL-managed ocean missions--the GRACE mission will use two satellites to accurately measure Earth's mass distribution, and the QuikSCAT scatterometer mission will measure ocean-surface winds.
根据网页http://topex-www.jpl.nasa.gov/mission/mission.html ，美国宇航局对于过去、现在和计划将来发射的四个高度计专用卫星的使命做出了以下描述： — Launched on August 10, 1992
TOPEX/Poseidon data has revolutionized the way the global ocean is studied. For the first time, the seasonal cycle and other temporal variabilities of the ocean have been determined globally with high accuracy, yielding fundamentally important information for testing models. Major observations were made using data on 1) Oceanic circulation including details on the movement of Rossby and Kelvin waves，2) Oceanic and ， 3）El Niño, La Niña, and the Pacific Decadal Oscillation，
4）El Niño-like circulation in the Atlantic Ocean，5）Oceanic seasons in the Mediterranean，6）Ocean floor topography from surface data used to refine the geoid model。 — Launched: December 07, 2001
Jason-1 continues the task of providing the important oceanographic data time-series originated by TOPEX/Poseidon, carrying updated versions of the same instruments. It will initially fly in with TOPEX/Poseidon. (See the for more details). — Launched: March 17, 2002
GRACE - Gravity Recovery and Climate Experiment, is flying two identical spacecraft about 220 kilometers
apart in a 500-kilometer polar orbit, and over its 5-year lifetime will produce an accurate map of the geoid. The geoid, the manifestation of the Earth's gravity field, is the basic figure on which all altimetry data is based. — Proposed Launch: 2005
OSTM - Ocean Surface Topography Mission, is a follow-on to Jason-1. It will take oceanographic studies of sea surface height into an operational mode for continued climate forecasting research and science and industrial applications.
§3.4加拿大的合成孔径雷达专用卫星RADARSAT
加拿大的合成孔径雷达专用卫星RADARSAT （直译为雷达卫星）是加拿大空间局于95年11月4日发射的，它的传感器SAR 具有7种模式、25种波束和不同入射角，因而具有多种分辨率、不同幅宽和多种信息特征。表3-2显示了雷达卫星RADARSAT 探测的入射角、分辨率和扫描面积的幅宽与工作方式的关系。
表3-2：雷达卫星RADARSAT 探测的入射角、分辨率和扫描面积的幅宽与工作方式的关系
RADARSAT 采用太阳同步轨道，卫星高度为796km ，轨道倾角为98.6°，节点周期为100.7min ，每天运行轨道数为14，重复周期为24d(天) ，卫星通过赤道的当地太阳时约为6:00am和6:00pm，卫星重量为2750kg 。RADARSAT 卫星使用合成孔径雷达SAR 对地面和海面进行遥感探测。它的遥感资料
适用于全球环境和自然资源监测以及土地利用研究等。此外，它还提供了对南极大陆的第一次完整的观测。因此，不但海洋遥感专家关注它，陆地遥感专家和其他许多学科的科学家都青睐于它。
网页http://www.space.gc.ca/csa_sectors/earth_environment/radarsat/radarsat_info/backgr/#intro/ 对雷达卫星RADARSAT 的介绍如下：
RADARSAT is a sophisticated Earth observation satellite developed by Canada to monitor environmental change and the planet's natural resources. Launched in November 1995, RADARSA T provides Canada and the world with an operational radar satellite system capable of timely delivery of large amounts of data. RADARSAT also provides useful information to both commercial and scientific users in the fields of agriculture, cartography, hydrology, forestry, oceanography, ice studies and coastal monitoring. At the heart of RADARSAT is an advanced radar sensor called Synthetic Aperture Radar (SAR). SAR is a microwave instrument that sends pulsed signals to Earth and processes the received reflected pulses. RADARSAT 's SAR-based technology provides its own microwave illumination and thus operates day or night, regardless of weather conditions. RADARSAT-1 circles the Earth at an altitude of 798 kilometres and an inclination of 98.6 degrees to the equatorial plane. Because RADARSAT has a sun-synchronous (dawn-dusk) orbit, its solar arrays are in almost continuous sunlight, enabling it to primarily rely on solar rather than battery power. The sun-synchronous orbit also means that the satellite overpasses are always at the same local mean time, which is important to many users. RADARSAT-1 offers users a wide variety of beam selections. The satellite's SAR has the unique ability to shape and steer its beam from an incidence angle of 10 to 60 degrees, in swaths of 45 to 500 kilometres in width, with resolutions ranging from 8 to 100 metres. RADARSAT-1 covers the Arctic daily and most of Canada every three days, depending on the swath selected. Data is downlinked in real time or stored on the onboard tape recorder until the spacecraft is within range of a receiving station. RADARSAT data are received in Canada at the ground stations operated by the Canada Centre for Remote Sensing, Natural Resources Canada. These are located in Prince Albert, Saskatchewan and Gatineau, Quebec. Additional data reception capabilities are provided through an international network of receiving stations. Data can be made available to users within four hours of its acquisition. RADARSAT International (RSI), a private Canadian company, was established in 1989 to process, market and distribute RADARSAT-1 data. RSI pays royalties to CSA on the commercial sales of RADARSAT-1 data, which are used to support satellite operations during its five-year lifetime. RSI also manages the Canadian Data Processing Facility in Gatineau, Quebec and promotes the development of commercial data applications.
除了加拿大RADARSAT 卫星，还有日本JERS （日本地球资源卫星）、欧空局ERS （欧洲遥感卫星）和ENVISAT （环境卫星）上装载有合成孔径雷达。JERS-1于1992年由日本宇宙开发事业集团发射，ERS-1 和ERS-2分别于1991年和1995年由欧空局发射，ENVISAT 于2002年3月由欧空局发射。这些卫星多用于国土调查、农林渔业、环境保护和灾害监测，还可应用于水灾监测、作物估产、油污调查、海冰监测和海洋内波研究等方面。由于高分辨率和大数据量，合成孔径雷达图像的价格较昂贵。 §3.5 载有美国散射计的日本卫星ADEOS 和美国卫星QuikSCAT
第一部散射计出现于美国1973和1974年的天空实验室Skylab 卫星计划。1978年6月至10月，美国第一个海洋卫星Seasat-A 携带的Ku-波段SASS (Seasat-A Satellite Scatterometer，直译为海洋卫星散射计) 证明了卫星遥感风速是可行的。欧空局遥感卫星(ERS 1/2)上的散射计是主动微波装置（AMI ）的一种工作模式，属于单侧扫描的C-波段 (5.3GHz)雷达。日本国家航天发展局（NASDA ）http://kuroshio.eorc.nasda.go.jp/ADEOS/index.html/ 对ADEOS-1（高级地球观测卫星一号）作出了详细的介绍。搭载在日本卫星ADEOS 上的美国宇航局散射计NSCAT （NASA ’s Scatterometer，直译为NASA 的散射计）是第一部双幅侧扫描的Ku-波段 (13.995 GHz) 的主动雷达；1996年9月直至1997年6月期间NSCAT 获得了全球海表面上的风矢量连续资料，但因1997年6月卫星故障而不能继
续工作。从美国宇航局网站http://podaac.jpl.nasa.gov/order/order_nscat.html/ 可以了解有关散射计NSCAT 数据产品的详细描述。
美国宇航局卫星于1999年6月19日发射QuikSCAT (直译为快速散射计) ，并使用其星载散射计SeaWinds (直译为海风) 接替NSCAT 未完成的使命。SeaWinds 是 Ku-波段 (13.4GHz)微波雷达，使用1800km 宽刈幅，一天测400，000次，能覆盖地球90%的面积，目前SeaWinds 已经收集了大量海洋、陆地和冰的资料。从美国宇航局网站http://podaac.jpl.nasa.gov/order/order_qscat.html/ 可以知道如何索取散射计SeaWinds 数据产品。使用散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资料。利用这些资料可确定海洋对大气强迫的响应，进一步开展海气相互作用研究。借助于风的卫星遥感数据，并利用大气及海洋数值预报模型，可以改进全球和近海天气预报，改进风暴预警和监测水平。 §3.6陆地和海岸带资源观测卫星（Land and Coastal Zone Observation Satellite）
所谓陆地和海岸带资源观测卫星就是照相卫星或运用数字相机的照相卫星，将实时所摄影像下传到地面接收站储存，并做进一步处理。其功能要视它所携载的光学照相器材涵盖的光谱波段和分辨率，或者它所携载的合成孔径雷达成像分辨率而定。就一般照相功能而言，它可以包括可见光、红外和热红外等波段。比较精密的相机，分辨率可达十米，影像可以胶卷或电子数字方式呈现。若分辨率达到五公尺以内，则具有较大的军事用途。合成孔径雷达成像分辨率一般不如可见光和红外波段的传感器，因为后者波长更短。用于军事侦查照相的卫星多属返回式系列卫星，一般使用胶卷纪录影像，沿轨道拍摄后，载着胶卷的回收舱随后按指令脱离卫星重返大气，降落于陆地后被回收。表3-3列出了比较著名的陆地和海岸带资源观测卫星。
表3-3: 陆地资源和海岸带观测卫星
美国陆地卫星系列使用Landsat 命名。Landsat-5装载有主题成像传感器（TM ），是第二代陆地资源卫星。1993年发射的Landsat-6因未能进入轨道而失败。为保持对地球的长期连续监测，1999
年4月发射了Landsat-7。Landsat-7是第三代陆地资源卫星，它装载了一台增强型主题绘图仪ETM+，比Landsat-5增加了一个15m 分辨率的全色波段（见表3-4的8号波段），提高了在热红外波段（见表3-4的6号波段）的空间分辨率，使分辨率达到了60m 。Landsat-7每一景影像对应的地面面积均为185km ×185km ，16天即可覆盖全球一次。它采用太阳同步近圆形近极轨轨道，高度为705km ，倾角为98.22°，节点周期为98.9min ，每天绕地球15圈，穿越赤道时间为10:00am，刈幅宽度为185公里，在16天的重复周期里，卫星共绕行233圈。表3-4显示了Landsat-7装载的增强型主题绘图仪ETM+的技术信息。
表3-4：Landsat-7装载的增强型主题绘图仪ETM+的技术信息
自1986年以来，法国SPOT IMAGE 公司先后发射了SPOT （斯波特）-１、SPOT-2、SPOT-3和SPOT-4陆地资源卫星。SPOT 卫星采用832公里高度的太阳同步轨道，重复周期为26天，在重复周期内卫星环绕地球369圈，轨道倾角为98.721°，节点周期为101.469min ，降交点时间为10:30am，刈幅宽度为60km 。卫星上载有两台高分辨率可见光相机(HRV)，它具备10m 分辨率的全色波段以及20m 分辨率的三个波段（50 – 0.59μm ，0.61 – 0.68μm ，0.78 – 0.89μm ）
。这些相机拥有侧视观测能力，可横向摆动27°，卫星还能进行立体观测。SPOT-4的传感器增加了新的中红外波段（1.58 – 1.75μm ），可用于估测植物水分，增强了对植物的分类识别能力，并有助于冰雪探测。该卫星还装载了一个植被仪，可连续监测植被情况。新一代遥感卫星SPOT-5的分辨率更高，全色波段的地面分辨率由１０m 提高到５m 和２. ５m ，多光谱波段则由２０m 提高到１０m ，并可实现同轨立体成像。中国遥感卫星地面站提供Landsat 和SPOT 的数据接收服务。
中国和巴西合作研制的中巴地球资源卫星01号（CBERS-1）于1999年10月发射，是我国的第一代数字传输型地球资源卫星。表3-5显示了中巴地球资源卫星01号（CBERS-1）的参数和技术信息。
表3-5: 中巴地球资源卫星01号（CBERS-1）的传感器信息
中巴地球资源卫星01号采用太阳同步轨道，轨道平均高度为778km ，倾角为98.5°，重复周期
为26天，平均节点周期为100.26min ，平均降交点地方时为10:30am，每天环绕地球14+9/26圈，相邻轨道间距离为107.4km ，相邻轨道间隔时间为 4 天，刈幅宽度为185km 。星上装载了五波段的电荷耦合器件摄像机（CCD 相机）、四波段的红外多光谱扫描仪（IRMSS ）、两波段的宽视场成像仪（WFI ）、以及高密度数字磁记录仪（HDDR ）、数据采集系统（DCS ）空间环境监测系统（SEM ）和数据传输系统（DTS ）等有效载荷。它可以通过不同的遥感器获得可见光、近红外、热红外等11个波段不同幅宽的遥感图像。CCD 相机在星下点的空间分辨率为19.5m ，扫描幅宽为113km ，在可见和近红外光谱范围内有4个波段和1个全色波段，它具有侧视功能，侧视范围为±32°，并带有内定标系统。红外多光谱扫描仪（IRMSS ）有1个全色波段、2个短波红外波段和1个热红外波段，扫描幅宽为119.5km ，在可见光、近红外和中红外波段的空间分辨率为78m ，在热红外波段的空间分辨率为156m ，它还带有内定标系统和太阳定标系统。宽视场成像仪（WFI ）有1个可见光波段和1个近红外波段，星下点的可见分辨率为258m ，扫描幅宽为890km ；由于这种传感器具有较宽的扫描能力，因此，它可以在很短的时间内获得高重复率的地面覆盖；其星上定标系统包括一个漫反射窗口，可进行相对辐射定标。表1给出了这三种遥感器的一些基本特征参数。可见光波段图像用于绘制地图、国土资源普查、灾害监测、水系、城市规划、测量耕地、森林覆盖面积和地面植被分析；近红外波段图像用于土壤和植被水分测量、环境污染监测、农作物估产、地质与矿产资源情况调查；热红外波段图像用于植被和环境监测。中国遥感卫星地面站和中国资源卫星应用中心提供CBERS-1的数据产品服务。
§3.7 高分辨率商业遥感卫星
美国Digital Globe公司的QuickBird (直译为快鸟) 卫星是目前世界上商业卫星中分辨率最高、性能较优的一颗卫星。图3-1显示了QuickBird 卫星从450km 高空探测到的北京市公主坟立交桥的图像，图3-2显示了QuickBird 拍摄的三峡大坝卫星图片，图中车辆和树木清晰可辨。
图3-1：QuickBird 卫星从450km 高空探测到的北京市公主坟立交桥的图像
（引自http://www.rsgs.ac.cn/ ）
图3-2： QuickBird拍摄的三峡卫星图片
（引自http://www.rsgs.ac.cn/ ）
QuickBird 卫星的全色波段分辨率为0.61m ，彩色多光谱分辨率为2.44m ，幅宽为16.5km 。表3-6显示了QuickBird 卫星的主要技术参数。中国遥感卫星地面站与美国和日本的相关部门已经签署了在中国境内分发Quick Bird数据的代理协议。
依科诺斯卫星是美国Space Imaging公司于1999年9月发射的高分辨率商用卫星，卫星飞行高度680km ，每天绕地球14圈，星上装有柯达公司制造的数字相机。相机的扫描宽度为11km ，可采集1m 分辨率的黑白影像和4m 分辨率的多波段（红、绿、蓝、近红外）影像。由于其分辨率高、覆盖周期短，故在军事和民用方面均有重要用途。
2003年美国Orbital Imaging公司发射了OrbView-3卫星，该卫星是世界上第3颗能拍摄分辨率为1m 的地球表面图像的商用卫星，卫星位于高470km 、倾角为97.29°的太阳同步圆形轨道，设计使用寿命为5年。该卫星可获得分辨率为1m 的全色（黑白）照片和分辨率为4m 的多光谱（彩色）照片。新型卫星可使Orbital Imaging 公司进入前景看好和迅速发展的地球高分辨率数据遥感市场，原来称霸该市场的只有Space Imaging 和 Digital Globe两家美国公司，目前Orbital Imaging也加入了竞争。
表3-6：QuickBird 卫星的主要技术参数
§3.8历史上著名的海洋观测卫星和传感器（Famous Ocean-Viewing Satellites and Sensors in History）
1978年6月，美国第一颗海洋卫星Seasat-A 发射成功。除了红外辐射计外，星上还载有扫描式多通道微波辐射计、散射计、高度计和合成孔径雷达等，可以全天候地监测海洋。虽然由于技术故障，这颗卫星只运转了108天，但是所获得的大量数据，大大加强了人们对使用卫星遥感技术监测海洋的信心。
1978年10月，雨云卫星Nimbus-7发射成功，这颗卫星载有专门用于海洋水色观测的海岸带水色扫描仪(CZCS)，并由此获取了大量高分辨率的世界大洋范围水色分布的图像；此外，该星还载有微波辐射计，可对海表面温度进行遥感观测。进入80年代，海洋遥感的各种海洋学应用技术初步成熟起来。例如，1986年美国海军发射的地球物理卫星GEOSAT 提供了大量的高度计资料。网站http://podaac.jpl.nasa.gov/order/order_geosat.html提供了许多GEOSAT 卫星高度计资料和NOAA/NDBC浮标资料。1991年欧空局欧洲遥感卫星ERS-1的发射对卫星海洋学的形成和发展具有划时代意义，这是继Seasat-A 之后的又一颗海洋专用卫星。ERS-1除了具有Seasat-A 所载有的各种传感器外，又增加了ATSR 传感器，它可以大大提高对海表面温度的遥感精度。继CZCS 之后，1997年8月美国发射的海星卫星SeaSTAR 装载了第二代海洋水色传感器SeaWiFS ；与CZCS 相比，SeaWiFS 增加了光谱波段，降低了波段宽度，提高了对电磁辐射测量的灵敏度。在2002年5月发射的我国第一颗用于海洋水色探测的试验型业务卫星HY-1A 装载了十波段中国海洋水色和温度扫描仪COCTS ， COCTS在频率和波段宽度的设计上类似于SeaWiFS 。在1999年发射的地球观测系统卫星EOS-AM (TERRA ) 和2002年发射的地球观测系统卫星EOS-PM(AQUA) 载有MODIS 。中等分辨率成像光谱仪MODIS 是多波段辐射计，从可见光至热红外共有36个波段；其中有9个波段用于水色遥感，其余波段用于大气遥感。MODIS 比SeaWiFS 更为先进，被誉为第三代海洋水色（兼气象要素）传感器。表 3-7列出了历史上著名的海洋观测卫星和传感器。
表 3-7: 历史上著名的海洋观测卫星和传感器
欲了解和索取ERS-1、SeaSAT 和GEOS-3的数据资料、Geosat/ALT的数据资料、Nimbus-7/SMMR
的数据资料、DMSP/SSM/I的数据资料、Nimbus-7/CZC的数据资料、QuikSCAT/SeaWinds的数据资料、
ERS/A TSR 的数据资料、NOAA/AVHRR的数据资料、EOS/MODIS的数据资料、TOPEX/POSEIDON高度计的
数据资料、以及TODA 和WOCE 资料，请查看http://podaac.jpl.nasa.gov/order/ 。
§3.9 卫星轨道（Orbits of Satellites）
坐标系（Coordinate Systems）
我们可用圆形和椭圆形轨道近似描述卫星的运动。Stewart (1984) 详细地描述了卫星椭圆形轨
道的运动。图3-3显示了以地球为中心的坐标系和卫星轨道的示意图。地球的质心是以地球为中心的
坐标系的原点。
在图 3-3中，OX 轴自原点沿赤道平面指向白羊座。地球绕太阳运行的轨道平面和地球赤道平面
之间有一条相交的线段，该线段的延长线永远指向一颗恒星白羊座；在3月20日左右（春分点），白
羊座与地球的连线指向太阳。OZ 轴自原点指向北极。OY 轴与OX 和OZ 两个轴垂直。卫星和地球质心
连线与地球表面有一交点，称为星下点（Sub-Satellite Point）。轨道倾角i 被定义为卫星轨道平面
与赤道平面的夹角。当卫星向北运动穿过赤道时，卫星在地面上投影轨迹与赤道有一交点，该交点被
称为“升轨点”（ascending node ）；当卫星向南运动穿过赤道时，卫星在地面上投影轨迹与赤道有一
交点，该交点被称为“降轨点”（descending node ）。“升轨点”或“降轨点”也被称为节点（Nodes ：
points where a satellite's orbit crosses the plane of the Earth's equator）。图中使用N 表示节
点，使用Ω表示“升轨点”的天赤经。天赤经代表在赤道平面上由原点O 出发的射线从指向白羊座
向东转到指向N 点旋转过的角，即OX 轴与ON 方向的夹角。使用倾角i 和天赤经Ω这两个角就可以
确定卫星轨道平面的方位。
图 3-3: 以地球为中心的坐标系和卫星轨道的示意图
太阳同步轨道（Sun- Synchronous Orbit）
卫星每绕地球转动一圈（REVOLUTION ）在地球表面上都形成一个不闭合的星下点（SUB-SATELLITE
POINT ）轨迹。在地球同一纬度上，如果卫星星下点轨迹沿纬度的移动速率和太阳星下点轨迹沿纬度
的移动速率相同，就称此卫星轨道为太阳同步轨道。当沿太阳同步轨道运行时，卫星每天在同一个当
地时间经过赤道。然而，如果重复周期不是一天，第二天卫星在同一个当地时间并不经过同一个地点。
对所有太阳同步轨道卫星，当卫星朝向北方运行时，被称为“升轨”，朝向南方运行时 被称为“降轨”。
o 如果轨道倾角i →90，这颗卫星就能经过南极和北极地区，故这样的卫星轨道被称为太阳同步极
轨轨道或近极轨轨道。如果卫星环绕地球的椭圆轨道偏心率较小，则被称为圆形轨道或近
圆形轨道。图3-4显示了MODIS/TERRA卫星星下点的地面轨迹, 这是太阳同步极轨轨道的一个典型
例子。沿极轨或近极轨太阳同步轨道运行的卫星可以观察全球或者除两极区域以外的绝大部分地球表
面。例如MODIS/TERRA合QuikSCAT 就是这种类型的卫星。
图3-4：MODIS / TERRA卫星的星下点地面轨迹
(引自http://eos-am.gsfc.nasa.gov/operations.html)
我们使用dΩ/dt表示卫星轨道平面的角速度，该角速度被称为卫星相对于恒星的“进动率”。选
择合适的轨道倾角、椭圆轨道的长半径和偏心率、以及合适的卫星高度，可以使轨道平面旋转与围绕
太阳的地球公转相匹配。这时，卫星在每天的同一当地时间穿过赤道平面，这种轨道为太阳同步轨道。
o o 太阳同步卫星的轨道平面的进动率dΩ/dt=2π弧度/太阳年= 360/(365.24d)≈1/d，式中2π弧度
o =360 ，1太阳年=365.24天，Ω代表图3-1所显示的“升轨点”的天赤经。这意味着沿太阳同步轨
道运行的卫星在环绕地球（例如NOAA-TIROS 的节点周期大约是100min ）的同时又绕太阳旋转（例如
NOAA-TIROS 环绕太阳的运行周期是一个太阳年）。
地球同步轨道（Geo-Synchronous Orbit）
如果卫星轨道是地球同步的，则卫星环绕地球角速度的纬向分量等于地球自转角速度。在特殊情
况下，当i = 0时，地球同步轨道称为地球静止轨道，这时在地球上观察到的卫星是静止的。当i →0
时，地球同步轨道也常常称为地球静止轨道；这时从地球上观察卫星有一恒星日周期的微小摆动。根
22据万有引力定律 F=（GM ）m/r 和牛顿第二定律 F = mωr ，可获得
GM GMT 2R +h =r =(2) =() (3-1) ω4π2
式中，h 代表卫星高度，m 代表卫星质量, R = 6378km代表地球半径， GM = 398,600 kms 代表地球
引力常数，T = 86164s(秒) 代表地球的一个太阳日运行周期。在地球静止轨道情况下，地球自转角速
度是ω=2π/T ，把的GM 、T 和 R的值带入(3-1)式，我们得到h = 35,786km 。由于地球不是一个
质点，因此公式(3-1)仅是一个近似表达。Steward (1984)的论述更精确地描述了地球重力场和地球
静止轨道卫星的运动规律。
高度计卫星的轨道（Altimeter Satellite Orbit）
3-2
高度计卫星不能使用太阳同步轨道，因为太阳同步轨道不能分辨潮汐。图3-4显示了卫星在“升
轨”运行时其星下点在地球表面形成一条连线，在“降轨”运行时其星下点在地球表面又形成一条连
线。为了更好地分析表面斜率的两个分量，相交的两条星下点连线的夹角应该接近90 。对于极轨和
近极轨卫星，由于轨道倾角太大，其相交的两条星下点连线的夹角太小，所以高度计卫星不能采用沿
极轨和近极轨方式运行。高度计卫星需要在轨道设计上采用较小的轨道倾角；然而，较小的倾角又限
制了卫星对于极地区域的探测。例如，TOPEX/POSEIDON高度计卫星轨道由于轨道倾角较小而不能达
到极地地区，该星在南、北纬度范围不超过66度的区域内运行。
精确的循环轨道（Exactly Recurring Orbit）
相邻两个升交点之间的时间区间被称为节点周期(NODAL PERIOD).在一个节点周期内，卫星环绕
地球一圈（REVOLUTION ）。最南端与最北端之间的星下点轨迹被称为一个“PASS ”, 对应的时间长度
等于半个节点周期；环绕地球多圈后回到原来位置对应的星下轨迹被称为一个“CYCLE ”, 对应的时
间长度被称为重复周期（REPEAT PERIOD ）。再访时间（REVISIT TIME ）指地球上某一地点被卫星先后两
次观测的时间区间。再访时间不是描述卫星轨道的概念，而是描述观测资料序列的时间间隔。对于高
度计轨道卫星，有时人们使用再访时间来代替重复周期，这时二者是同一个概念，因为高度计仅仅测
量星下点，并不扫描一个大的区域。然而，对于装载了SeaWiFS 的卫星SeaSTAR ，它的再访时间与重
复周期并不相等，它的再访问时间是1天，它的重复周期是2天。经过1天后，虽然卫星并未恰好返
回到原来星下点的上空，但是由于传感器扫描面积较大，仍然能够观测到位于原来星下点的地球表面，
所以它的再访时间是1天，不同于它的2天的重复周期。又如QuickBird 卫星，它的再访时间是1 -
6天，随纬度而变化。有的文献使用某一纬度上资料的重复周期，而不使用再访时间，是针对这一纬
度上资料而言，并不是针对卫星轨道而言。仔细观察图3-4显示的MODIS / TERRA 卫星的星下点的地
面轨迹，可以推断它的重复周期绝不是1天。
§3.10 分辨率（Resolution ）
圆孔衍射（Refraction of a round hole）
根据电磁波干涉理论，为产生光的干涉现象，相遇的光波必须满足某些条件，我们称这些条件为
相干条件，满足相干条件的光被称为相干光。相干条件是：1）、频率相同的两光波在相遇点有相同的
振动方向和固定的位相差；2）、两光波在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊；3）、两光波在相遇
点的光程差不能太大。在满足相干条件的条件下，如果两束相遇光的光程差是其波长的整数倍，则两
束光在相遇处保持相同的位相，这样干涉的结果是光强度增大；反之，如果光程差是其半波长的奇数
倍，则两束光位相相反，干涉相消。
图 3-5: 夫琅和费圆孔衍射示意图：以D sin(Δα/2) ∕(2λ) 为横坐标，横坐标与图示的屏幕重
合，以I/Io 为纵坐标，I o 是爱里斑中心的光强度，I 是衍射图像上任意点的光强度，爱里斑的边缘暗纹的横坐标位置是0.61，在这个位置光强度最弱，右侧的衍射图像是从斜视屏幕角度所见。 来自无穷远光源的光可被认为是平行光。当平行光通过一个小孔时，在正对着小孔的前方屏幕上能生成明暗相间的光环，这种现象被称为夫琅和费圆孔衍射，光环的中心亮盘被称为爱里斑（Airy ）。根据微分的原理，可以将园孔对应面积分成许多微分元。根据电磁波的波动理论，在园孔处每个微分元都是一个新的光源，每个光源都向屏幕发出一束光，对应各微分元的许多束光在屏幕相遇。由于从各微分元到屏幕的路径不同，引起不同光束之间的光程差。不同光程差对干涉结果产生影响，可能在屏幕处使光强加倍或相消。对所有微分元发出的光在屏幕干涉的总效果积分，可以获得在屏幕处光强的分布。设从圆孔中心到爱里斑两侧连线的夹角为Δα，爱里斑直径为d ，那么计算结果是
∆α=2. 44λ （3-1） D
2. 44H λ d = （3-2） D
式中λ是光的波长, D是圆孔孔径, H 是孔和屏幕的距离。图3-5给出了夫琅和费圆孔衍射的示意图。 光学分辨率（optical resolution）
使用直径D 的凸透镜作为一个圆形通光孔，一个望远镜的物镜就是一个凸透镜，如图3-6所示。来自无穷远处物体的光通过凸透镜，在其焦平面上形成一个夫琅和费圆孔衍射图像。在无穷远的地面上两个发光点A 和B 在凸透镜的焦平面分别形成了两个爱里斑a 和b ，这里爱里斑a 是A 的像元，b 是B 的像元。能够使两个像元被分辨的两个物体的最小角距离是Δα，最小空间距离是d 。因而Δα被称为角分辨率，d 被称为空间分辨率。计算表明，它们仍然由公式（3-1）和（3-2）给出，式中λ是光的波长 ，D 是望远镜物镜的孔径，H 是望远镜和地球表面的距离。
D/2 -D/2
x 0
天线
α
图 3-6: 地面上两个发光点A 和B 在凸透 图 3-7: 天线接收到的地面上点P 发出的辐射
镜的焦平面分别形成了两个爱里斑。 强度可通过对天线微分元dx 的积分获得。 微波雷达的分辨率（resolution of microwave radar）
如图3-7所示，如果接收天线是圆盘形，则设D 为接收天线的孔径；如果接收天线是直竿状，则设D 为接收天线的长度。设f(x) 为权函数，那么接收天线上的电场强度分布是
E (x , t ) ≈f (x ) E 0e (i ωt -ikL ) （3-3）
式中E 0 EXP (i ωt ) 是微波源P 点发射的电磁波在L=0处的电场强度。使用几何关系式L ≈R - x sin α, 该式在 L >> x的条件下, 可以近似成立，式中α是微波源P 点到天线中心的角距离。代入上述几何关系式到（3-3），对天线上所有x 处的电磁波的电场强度积分得 E (α) ≈E 0e (i ωt -ikR )
-ikx sin αf (x ) e dx （3-4） ⎰因为辐射强度比例于电场强度的平方，亦即 I (α) ~E (α) （3-5） 对于均匀直竿状天线，权函数f(x)=1，此时可获得 D
222f (x ) e ikx sin αdx = ⎰
-D
2kD sin α) （3-6） k sin α
代入（3-4）到（3-5），我们得到 kD ⎡⎤sin(sin α) ⎢⎥I (α) = ⎢kD ⎥I (0) (3-7)
⎢sin α⎥⎢⎥⎣2⎦
地面某些点对于天线是盲点；对于角距离为α的盲点，天线接收到的辐射强度为零，即I(α) = 0。代入I(α) = 0到（3-7）， 我们得到第n 个盲点对天线的角距离条件是 2
kD sin αn =n π (3-8) 2
相邻两个盲点的角距离满足以下关系式
sin αn -sin αn -1=2πλ=(3-9) kD D
这里最后一个等式由波动基本关系式k = 2π∕λ 导出。相邻两个盲点的角距离之差就是角分辨率。当天线远离地面时，角距离α很小，这时角距离α近似等于它的正弦值。因此，我们可近似地获得天线探测的角分辨率
∆α=αn -αn -1≈sin αn -sin αn -1=
和天线探测的空间分辨率 d =λ (3-10) D H λ (3-11) D
式中H 是天线距离地面的高度。
可见，无论是光学装置还是微波雷达，它们的角分辨率由λ∕D 唯一确定；它们的空间分辨率由λ、D 和H 三个参数确定。电磁波的波长越短，分辨率越高；相机或雷达的孔径越大，分辨率越高。
-5因为可见光的波长比微波要小的多，它们的比值是10的量级，所以可见光波段的相机的分辨率一般
要远远高于真实孔径雷达。
§3.11参考文献和习题(References & Questions)
参考文献
1． Methods of Satellite Oceanography. by Robert H. Stewart, 1984, University of California
Press, pp360. 中文译本：“空间海洋学”，徐柏德和沙兴伟 译，海洋出版社，1991。
2． Satellite Oceanography - An introduction for oceanographers and remote-sensing
scientists. by I.S. Robinson, 1985, Ellis Horwood Limited, pp455. 中文译本：“卫星海洋学”。作者：[英]罗滨逊，1985，吴克勤等译，海洋出版社，1989。
3． Satellite Oceanic Remote Sensing. Advanced in GEOPHYSICS Volume 27. Edited by Barry
Saltzman, 1985, Academic Press, Inc., pp511. 中文译本：“卫星海洋遥感”。作者：[美]索兹曼]，1985，郑全安等译，海洋出版社，1991。
4． ceanographic Applications of Remote Sensing. Edited by Motoyoshi Ikeda and Frederic W.
Dobson, 1995, CRC Press, Inc.
本章习题
1. 计算地球同步轨道卫星的近似高度，和太阳同步轨道卫星（卫星绕地球旋转周期是100分钟）的
近似高度。列出万有引力定律与牛顿二定律的公式。并列出角速度与旋转周期的关系式。
2. 写出带有微波传感器的六种海洋卫星和传感器的名称（中英文均可）。
3. 那一个卫星和什么传感器采用的C 波段？如果一个雷达的频率是5.3GHz, 它的波长应是多少厘
米？那一个卫星和什么传感器采用的Ku 波段？如果一个雷达的频率是13.4GHz, 它的波长应是多少厘米？(提示：电磁波的相速度等于光速) 。
4. 如果雷达孔径的权函数是一个调和函数，f(x)=1, 请计算该雷达的角分辨率和空间分辨率。
第三章 海洋卫星与陆地卫星
§3.1装载有微波传感器的海洋卫星（Ocean-Looking Satellite with Microwave Sensors） 因为微波能够穿透云层，特别是有较大功率的主动微波雷达能够穿透较厚的云层，故带有微波传感器的海洋卫星经常被誉为全天候遥感卫星。表3-1列出了装载有微波传感器的海洋卫星信息。
表3-1: 装载有微波雷达的海洋卫星
装载有微波传感器的海洋卫星属于海洋环境监测卫星，它的特点是扫描范围大，便于探测大面积
海洋环境要素，例如海面风、海平面高度和海表面温度等。装载有可见光和红外波段传感器的陆地卫星属于陆地包括海岸带资源观测卫星，它的特点是扫描范围较小，但分辨率特别高，便于精确观测小面积土地资源极其变化。装载有合成孔径雷达的卫星既可以用于探测海洋环境要素，例如油污染和生物膜等生化要素、以及海洋内波、海面巨浪和海浪谱等动力要素，也可以用于探测陆地环境要素，例如水火灾害等，还可以用于探测陆地资源要素，例如地下水和矿产资源等。因此，装载有合成孔径雷达的卫星是多用途卫星。微波传感器包括高度计、散射计、合成孔径雷达和微波辐射计。高度计是一个垂直探测的主动雷达，可以测量卫星与地球之间距离、海面地形和粗糙度，并由此估计风速、表面海流和平均波高。散射计是一个宽刈幅主动雷达，通过测量海表面粗糙度可以计算海面风速和风向。合成孔径雷达是一个具有高空间分辨率的主动雷达，它利用多卜勒效应获得高空间分辨率，可测量涌浪、内波、降雨、海流边界、海冰位置及性质、和大块浮冰的速度等。微波辐射计是一个被动微波雷达，它可以测量海面反射、散射和自发辐射的辐射度和微波亮温，并由此可估计风速、水蒸气、降水率、海表面温度、海表面盐度和冰覆盖量等
§3.2 欧洲遥感卫星ERS-1 和ERS-2
欧洲遥感卫星ERS-1 和ERS-2分别于1991年和1995年由欧空局发射。由于ERS-1/2采用了先进的微波遥感技术来获取全天候与全天时的图象，比起传统的光学遥感图象有着独特的优点。ERS-1/2采用椭圆形太阳同步轨道，卫星高度为780km ，半长轴为7153.135km ，轨道倾角为98.52°，节点周期为100.465min(分) ，每天运行轨道数为14 -1/3，降交点的当地太阳时为10:30AM，空间分辨率的方位方向
欧空局的ERS1/2是一个被赋予多种遥感任务的卫星。它载有主动微波装置（AMI ）、雷达高度计（RA ）、沿轨迹扫描辐射计(ATSR)、全球臭氧监测实验（GOME ）设备、精确测距设备(PRARE)和激光回反射装置(LRR)。其中主动微波装置（AMI ）结合了合成孔径雷达（SAR ）和散射计的功能。欧空局网页http://earth.esa.int/ers/satconc/ 介绍了关于ERS1/2的详细信息。欧空局网页关于SAR 和AMI 等传感器的介绍如下：
The first SAR was launched into space by Europe Ariane-4 rocket in July 1991 as one of three main instruments on ESA - ERS-1 spacecraft. It was followed by a second on ERS-2 in 1995. ERS-1 completed its operation in 1999, overlapping with the new ERS-2 launched in 1995. These highly successful ESA satellites have collected a wealth of valuable data on the Earth, land surfaces, oceans, and polar caps.
Active Microwave Instrument (AMI) is the largest onboard system and combines the functions of a Synthetic Aperture Radar (SAR) and a wind scatterometer (SCATT). The AMI has three modes of operation: image mode and wave mode (performed by the SAR); and wind mode (by the SCATT). In image mode, the SAR produces highly detailed images of a 100 km wide strip of the Earth surface day and night and in all weather conditions. In its wind and wave modes, the instrument continuously measures global ocean surface wind speeds and directions, and provides information on the direction and shape of ocean wave patterns.
Radar Altimeter (RA) provides accurate measurements of sea surface elevation, significant wave heights, various ice parameters and an estimate of sea surface wind speed. This measures variations in the satellite height above sea level and ice with an accuracy of a few centimetres and helps provide data to know the satellite exact orbital position. As well as contributing data on the position of ice flows below, the instrument produces ocean surface wave height and wind speed information for climatologists.
In the light of the increasing concern about atmospheric ozone levels, the Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) instrument was added to the ERS-2 payload. This ultraviolet and visible light spectrometer provides information on ozone, CFCs and trace gas levels. A more advanced version of GOME will be carried on the Metop spacecraft series, three polar orbiting satellites currently under development. These will produce high-resolution images, detailed vertical temperature and humidity profiles and
temperatures of the land and ocean surface on a global basis.
Along Track Scanning Radiometer (ATSR) combining an infra-red radiometer and a microwave sounder for the measurement of sea surface temperature, cloud top temperature, cloud cover and atmospheric water vapour content.
Precise Range and Range-rate Equipment (PRARE) is included for the accurate determination of the satellite's position and orbit characteristics, and for precise position determination (geodetic fixing).
Laser Retro-reflectors (LRR) allow measurement of the satellite's position and orbit via the use of ground-based laser ranging stations.
作为欧洲遥感卫星ERS-1 和ERS-2的接替者，又一颗欧洲微波遥感卫星ENVISAT 卫星于2002年3月由欧空局发射升空，并于2003年5月正式投入运行。星上的高级合成孔径雷达ASAR 具有双极化和多模式的新特点，其数据的地面分辨率最高达25m ，覆盖范围最宽可达400km ，可应用于水灾监测、作物估产、油污调查和海冰监测等方面。根据合同，中科院中国遥感卫星地面站可以接收日本JERS 卫星、加拿大RADARSAT 卫星、欧空局ERS 卫星和ENVISAT 卫星的合成孔径雷达遥感资料。 §3.3高度计专用卫星TOPEX/POSEIDON和Jason-1
高度计专用卫星TOPEX/POSEIDON（托派克和波塞冬是希腊神化中的两个人物）和Jason-1是法国国家空间研究中心和美国航空航天局合作项目，卫星载有高度计，按照特别为高度计设计的轨道运行。欲了解关于TOPEX/POSEIDON卫星的详细信息，可看美国NASA/JPL的网页http://topex-www.jpl.nasa.gov/mission/topex.html/。该网页对TOPEX/POSEIDON卫星的使命作出如下描述：
Launched in 1992, TOPEX/Poseidon is a joint venture between CNES and NASA to map ocean surface topography . TOPEX/Poseidon has delivered an astonishing 10+ years of data from orbit. In these 10+ years, it has: 1) Measured sea levels with unprecedented accuracy to better than 5 cm, 2) Continuously observed global ocean topography, 3) Monitored effects of currents on global climate change and produced the first global views of seasonal changes of currents, 4) Monitored large-scale ocean features like Rossby and Kelvin waves and studied such phenomena as El Niño , La Niña, and the Pacific Decadal Oscillation, 5) Mapped basin-wide current variations and provided global data to validate models of ocean circulation, 6) Mapped year-to-year changes in heat stored in the upper ocean, 7) Produced the most accurate global maps of tides ever, 8) Improved our knowledge of Earth's gravity field.
美国宇航局网页http://podaac.jpl.nasa.gov/topex/www/ssa.html和http://podaac.jpl.nasa.gov/order/ 介绍了如何获取TOPEX/Poseidon的数据资料。德克萨斯大学网页http://www.csr.utexas.edu/eqpac/和网页http://www.csr.utexas.edu/sst/gsdata.html也介绍了如何使用TOPEX/Poseidon资料进行海洋学研究。美国宇航局关于的Jason-1的主页http://topex-www.jpl.nasa.gov/mission/jason-1.html介绍了关于Jason-1卫星的详细信息：
Jason-1 was launched on 12/07/01. Jason-1 is the first follow-on to the highly successful TOPEX/Poseidon mission that measured ocean surface topography to an accuracy of 4.2 cm, enabled scientists to forecast the 1997-1998 El Niño, and improved understanding of ocean circulation and its effect of global climate. The joint NASA-CNES program will launch a French spacecraft on an American Delta II from an American base. Like TOPEX/Poseidon, the payload will include both American and French instruments. Jason-1 altimeter data will be part of a suite of data provided by other JPL-managed ocean missions--the GRACE mission will use two satellites to accurately measure Earth's mass distribution, and the QuikSCAT scatterometer mission will measure ocean-surface winds.
根据网页http://topex-www.jpl.nasa.gov/mission/mission.html ，美国宇航局对于过去、现在和计划将来发射的四个高度计专用卫星的使命做出了以下描述： — Launched on August 10, 1992
TOPEX/Poseidon data has revolutionized the way the global ocean is studied. For the first time, the seasonal cycle and other temporal variabilities of the ocean have been determined globally with high accuracy, yielding fundamentally important information for testing models. Major observations were made using data on 1) Oceanic circulation including details on the movement of Rossby and Kelvin waves，2) Oceanic and ， 3）El Niño, La Niña, and the Pacific Decadal Oscillation，
4）El Niño-like circulation in the Atlantic Ocean，5）Oceanic seasons in the Mediterranean，6）Ocean floor topography from surface data used to refine the geoid model。 — Launched: December 07, 2001
Jason-1 continues the task of providing the important oceanographic data time-series originated by TOPEX/Poseidon, carrying updated versions of the same instruments. It will initially fly in with TOPEX/Poseidon. (See the for more details). — Launched: March 17, 2002
GRACE - Gravity Recovery and Climate Experiment, is flying two identical spacecraft about 220 kilometers
apart in a 500-kilometer polar orbit, and over its 5-year lifetime will produce an accurate map of the geoid. The geoid, the manifestation of the Earth's gravity field, is the basic figure on which all altimetry data is based. — Proposed Launch: 2005
OSTM - Ocean Surface Topography Mission, is a follow-on to Jason-1. It will take oceanographic studies of sea surface height into an operational mode for continued climate forecasting research and science and industrial applications.
§3.4加拿大的合成孔径雷达专用卫星RADARSAT
加拿大的合成孔径雷达专用卫星RADARSAT （直译为雷达卫星）是加拿大空间局于95年11月4日发射的，它的传感器SAR 具有7种模式、25种波束和不同入射角，因而具有多种分辨率、不同幅宽和多种信息特征。表3-2显示了雷达卫星RADARSAT 探测的入射角、分辨率和扫描面积的幅宽与工作方式的关系。
表3-2：雷达卫星RADARSAT 探测的入射角、分辨率和扫描面积的幅宽与工作方式的关系
RADARSAT 采用太阳同步轨道，卫星高度为796km ，轨道倾角为98.6°，节点周期为100.7min ，每天运行轨道数为14，重复周期为24d(天) ，卫星通过赤道的当地太阳时约为6:00am和6:00pm，卫星重量为2750kg 。RADARSAT 卫星使用合成孔径雷达SAR 对地面和海面进行遥感探测。它的遥感资料
适用于全球环境和自然资源监测以及土地利用研究等。此外，它还提供了对南极大陆的第一次完整的观测。因此，不但海洋遥感专家关注它，陆地遥感专家和其他许多学科的科学家都青睐于它。
网页http://www.space.gc.ca/csa_sectors/earth_environment/radarsat/radarsat_info/backgr/#intro/ 对雷达卫星RADARSAT 的介绍如下：
RADARSAT is a sophisticated Earth observation satellite developed by Canada to monitor environmental change and the planet's natural resources. Launched in November 1995, RADARSA T provides Canada and the world with an operational radar satellite system capable of timely delivery of large amounts of data. RADARSAT also provides useful information to both commercial and scientific users in the fields of agriculture, cartography, hydrology, forestry, oceanography, ice studies and coastal monitoring. At the heart of RADARSAT is an advanced radar sensor called Synthetic Aperture Radar (SAR). SAR is a microwave instrument that sends pulsed signals to Earth and processes the received reflected pulses. RADARSAT 's SAR-based technology provides its own microwave illumination and thus operates day or night, regardless of weather conditions. RADARSAT-1 circles the Earth at an altitude of 798 kilometres and an inclination of 98.6 degrees to the equatorial plane. Because RADARSAT has a sun-synchronous (dawn-dusk) orbit, its solar arrays are in almost continuous sunlight, enabling it to primarily rely on solar rather than battery power. The sun-synchronous orbit also means that the satellite overpasses are always at the same local mean time, which is important to many users. RADARSAT-1 offers users a wide variety of beam selections. The satellite's SAR has the unique ability to shape and steer its beam from an incidence angle of 10 to 60 degrees, in swaths of 45 to 500 kilometres in width, with resolutions ranging from 8 to 100 metres. RADARSAT-1 covers the Arctic daily and most of Canada every three days, depending on the swath selected. Data is downlinked in real time or stored on the onboard tape recorder until the spacecraft is within range of a receiving station. RADARSAT data are received in Canada at the ground stations operated by the Canada Centre for Remote Sensing, Natural Resources Canada. These are located in Prince Albert, Saskatchewan and Gatineau, Quebec. Additional data reception capabilities are provided through an international network of receiving stations. Data can be made available to users within four hours of its acquisition. RADARSAT International (RSI), a private Canadian company, was established in 1989 to process, market and distribute RADARSAT-1 data. RSI pays royalties to CSA on the commercial sales of RADARSAT-1 data, which are used to support satellite operations during its five-year lifetime. RSI also manages the Canadian Data Processing Facility in Gatineau, Quebec and promotes the development of commercial data applications.
除了加拿大RADARSAT 卫星，还有日本JERS （日本地球资源卫星）、欧空局ERS （欧洲遥感卫星）和ENVISAT （环境卫星）上装载有合成孔径雷达。JERS-1于1992年由日本宇宙开发事业集团发射，ERS-1 和ERS-2分别于1991年和1995年由欧空局发射，ENVISAT 于2002年3月由欧空局发射。这些卫星多用于国土调查、农林渔业、环境保护和灾害监测，还可应用于水灾监测、作物估产、油污调查、海冰监测和海洋内波研究等方面。由于高分辨率和大数据量，合成孔径雷达图像的价格较昂贵。 §3.5 载有美国散射计的日本卫星ADEOS 和美国卫星QuikSCAT
第一部散射计出现于美国1973和1974年的天空实验室Skylab 卫星计划。1978年6月至10月，美国第一个海洋卫星Seasat-A 携带的Ku-波段SASS (Seasat-A Satellite Scatterometer，直译为海洋卫星散射计) 证明了卫星遥感风速是可行的。欧空局遥感卫星(ERS 1/2)上的散射计是主动微波装置（AMI ）的一种工作模式，属于单侧扫描的C-波段 (5.3GHz)雷达。日本国家航天发展局（NASDA ）http://kuroshio.eorc.nasda.go.jp/ADEOS/index.html/ 对ADEOS-1（高级地球观测卫星一号）作出了详细的介绍。搭载在日本卫星ADEOS 上的美国宇航局散射计NSCAT （NASA ’s Scatterometer，直译为NASA 的散射计）是第一部双幅侧扫描的Ku-波段 (13.995 GHz) 的主动雷达；1996年9月直至1997年6月期间NSCAT 获得了全球海表面上的风矢量连续资料，但因1997年6月卫星故障而不能继
续工作。从美国宇航局网站http://podaac.jpl.nasa.gov/order/order_nscat.html/ 可以了解有关散射计NSCAT 数据产品的详细描述。
美国宇航局卫星于1999年6月19日发射QuikSCAT (直译为快速散射计) ，并使用其星载散射计SeaWinds (直译为海风) 接替NSCAT 未完成的使命。SeaWinds 是 Ku-波段 (13.4GHz)微波雷达，使用1800km 宽刈幅，一天测400，000次，能覆盖地球90%的面积，目前SeaWinds 已经收集了大量海洋、陆地和冰的资料。从美国宇航局网站http://podaac.jpl.nasa.gov/order/order_qscat.html/ 可以知道如何索取散射计SeaWinds 数据产品。使用散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资料。利用这些资料可确定海洋对大气强迫的响应，进一步开展海气相互作用研究。借助于风的卫星遥感数据，并利用大气及海洋数值预报模型，可以改进全球和近海天气预报，改进风暴预警和监测水平。 §3.6陆地和海岸带资源观测卫星（Land and Coastal Zone Observation Satellite）
所谓陆地和海岸带资源观测卫星就是照相卫星或运用数字相机的照相卫星，将实时所摄影像下传到地面接收站储存，并做进一步处理。其功能要视它所携载的光学照相器材涵盖的光谱波段和分辨率，或者它所携载的合成孔径雷达成像分辨率而定。就一般照相功能而言，它可以包括可见光、红外和热红外等波段。比较精密的相机，分辨率可达十米，影像可以胶卷或电子数字方式呈现。若分辨率达到五公尺以内，则具有较大的军事用途。合成孔径雷达成像分辨率一般不如可见光和红外波段的传感器，因为后者波长更短。用于军事侦查照相的卫星多属返回式系列卫星，一般使用胶卷纪录影像，沿轨道拍摄后，载着胶卷的回收舱随后按指令脱离卫星重返大气，降落于陆地后被回收。表3-3列出了比较著名的陆地和海岸带资源观测卫星。
表3-3: 陆地资源和海岸带观测卫星
美国陆地卫星系列使用Landsat 命名。Landsat-5装载有主题成像传感器（TM ），是第二代陆地资源卫星。1993年发射的Landsat-6因未能进入轨道而失败。为保持对地球的长期连续监测，1999
年4月发射了Landsat-7。Landsat-7是第三代陆地资源卫星，它装载了一台增强型主题绘图仪ETM+，比Landsat-5增加了一个15m 分辨率的全色波段（见表3-4的8号波段），提高了在热红外波段（见表3-4的6号波段）的空间分辨率，使分辨率达到了60m 。Landsat-7每一景影像对应的地面面积均为185km ×185km ，16天即可覆盖全球一次。它采用太阳同步近圆形近极轨轨道，高度为705km ，倾角为98.22°，节点周期为98.9min ，每天绕地球15圈，穿越赤道时间为10:00am，刈幅宽度为185公里，在16天的重复周期里，卫星共绕行233圈。表3-4显示了Landsat-7装载的增强型主题绘图仪ETM+的技术信息。
表3-4：Landsat-7装载的增强型主题绘图仪ETM+的技术信息
自1986年以来，法国SPOT IMAGE 公司先后发射了SPOT （斯波特）-１、SPOT-2、SPOT-3和SPOT-4陆地资源卫星。SPOT 卫星采用832公里高度的太阳同步轨道，重复周期为26天，在重复周期内卫星环绕地球369圈，轨道倾角为98.721°，节点周期为101.469min ，降交点时间为10:30am，刈幅宽度为60km 。卫星上载有两台高分辨率可见光相机(HRV)，它具备10m 分辨率的全色波段以及20m 分辨率的三个波段（50 – 0.59μm ，0.61 – 0.68μm ，0.78 – 0.89μm ）
。这些相机拥有侧视观测能力，可横向摆动27°，卫星还能进行立体观测。SPOT-4的传感器增加了新的中红外波段（1.58 – 1.75μm ），可用于估测植物水分，增强了对植物的分类识别能力，并有助于冰雪探测。该卫星还装载了一个植被仪，可连续监测植被情况。新一代遥感卫星SPOT-5的分辨率更高，全色波段的地面分辨率由１０m 提高到５m 和２. ５m ，多光谱波段则由２０m 提高到１０m ，并可实现同轨立体成像。中国遥感卫星地面站提供Landsat 和SPOT 的数据接收服务。
中国和巴西合作研制的中巴地球资源卫星01号（CBERS-1）于1999年10月发射，是我国的第一代数字传输型地球资源卫星。表3-5显示了中巴地球资源卫星01号（CBERS-1）的参数和技术信息。
表3-5: 中巴地球资源卫星01号（CBERS-1）的传感器信息
中巴地球资源卫星01号采用太阳同步轨道，轨道平均高度为778km ，倾角为98.5°，重复周期
为26天，平均节点周期为100.26min ，平均降交点地方时为10:30am，每天环绕地球14+9/26圈，相邻轨道间距离为107.4km ，相邻轨道间隔时间为 4 天，刈幅宽度为185km 。星上装载了五波段的电荷耦合器件摄像机（CCD 相机）、四波段的红外多光谱扫描仪（IRMSS ）、两波段的宽视场成像仪（WFI ）、以及高密度数字磁记录仪（HDDR ）、数据采集系统（DCS ）空间环境监测系统（SEM ）和数据传输系统（DTS ）等有效载荷。它可以通过不同的遥感器获得可见光、近红外、热红外等11个波段不同幅宽的遥感图像。CCD 相机在星下点的空间分辨率为19.5m ，扫描幅宽为113km ，在可见和近红外光谱范围内有4个波段和1个全色波段，它具有侧视功能，侧视范围为±32°，并带有内定标系统。红外多光谱扫描仪（IRMSS ）有1个全色波段、2个短波红外波段和1个热红外波段，扫描幅宽为119.5km ，在可见光、近红外和中红外波段的空间分辨率为78m ，在热红外波段的空间分辨率为156m ，它还带有内定标系统和太阳定标系统。宽视场成像仪（WFI ）有1个可见光波段和1个近红外波段，星下点的可见分辨率为258m ，扫描幅宽为890km ；由于这种传感器具有较宽的扫描能力，因此，它可以在很短的时间内获得高重复率的地面覆盖；其星上定标系统包括一个漫反射窗口，可进行相对辐射定标。表1给出了这三种遥感器的一些基本特征参数。可见光波段图像用于绘制地图、国土资源普查、灾害监测、水系、城市规划、测量耕地、森林覆盖面积和地面植被分析；近红外波段图像用于土壤和植被水分测量、环境污染监测、农作物估产、地质与矿产资源情况调查；热红外波段图像用于植被和环境监测。中国遥感卫星地面站和中国资源卫星应用中心提供CBERS-1的数据产品服务。
§3.7 高分辨率商业遥感卫星
美国Digital Globe公司的QuickBird (直译为快鸟) 卫星是目前世界上商业卫星中分辨率最高、性能较优的一颗卫星。图3-1显示了QuickBird 卫星从450km 高空探测到的北京市公主坟立交桥的图像，图3-2显示了QuickBird 拍摄的三峡大坝卫星图片，图中车辆和树木清晰可辨。
图3-1：QuickBird 卫星从450km 高空探测到的北京市公主坟立交桥的图像
（引自http://www.rsgs.ac.cn/ ）
图3-2： QuickBird拍摄的三峡卫星图片
（引自http://www.rsgs.ac.cn/ ）
QuickBird 卫星的全色波段分辨率为0.61m ，彩色多光谱分辨率为2.44m ，幅宽为16.5km 。表3-6显示了QuickBird 卫星的主要技术参数。中国遥感卫星地面站与美国和日本的相关部门已经签署了在中国境内分发Quick Bird数据的代理协议。
依科诺斯卫星是美国Space Imaging公司于1999年9月发射的高分辨率商用卫星，卫星飞行高度680km ，每天绕地球14圈，星上装有柯达公司制造的数字相机。相机的扫描宽度为11km ，可采集1m 分辨率的黑白影像和4m 分辨率的多波段（红、绿、蓝、近红外）影像。由于其分辨率高、覆盖周期短，故在军事和民用方面均有重要用途。
2003年美国Orbital Imaging公司发射了OrbView-3卫星，该卫星是世界上第3颗能拍摄分辨率为1m 的地球表面图像的商用卫星，卫星位于高470km 、倾角为97.29°的太阳同步圆形轨道，设计使用寿命为5年。该卫星可获得分辨率为1m 的全色（黑白）照片和分辨率为4m 的多光谱（彩色）照片。新型卫星可使Orbital Imaging 公司进入前景看好和迅速发展的地球高分辨率数据遥感市场，原来称霸该市场的只有Space Imaging 和 Digital Globe两家美国公司，目前Orbital Imaging也加入了竞争。
表3-6：QuickBird 卫星的主要技术参数
§3.8历史上著名的海洋观测卫星和传感器（Famous Ocean-Viewing Satellites and Sensors in History）
1978年6月，美国第一颗海洋卫星Seasat-A 发射成功。除了红外辐射计外，星上还载有扫描式多通道微波辐射计、散射计、高度计和合成孔径雷达等，可以全天候地监测海洋。虽然由于技术故障，这颗卫星只运转了108天，但是所获得的大量数据，大大加强了人们对使用卫星遥感技术监测海洋的信心。
1978年10月，雨云卫星Nimbus-7发射成功，这颗卫星载有专门用于海洋水色观测的海岸带水色扫描仪(CZCS)，并由此获取了大量高分辨率的世界大洋范围水色分布的图像；此外，该星还载有微波辐射计，可对海表面温度进行遥感观测。进入80年代，海洋遥感的各种海洋学应用技术初步成熟起来。例如，1986年美国海军发射的地球物理卫星GEOSAT 提供了大量的高度计资料。网站http://podaac.jpl.nasa.gov/order/order_geosat.html提供了许多GEOSAT 卫星高度计资料和NOAA/NDBC浮标资料。1991年欧空局欧洲遥感卫星ERS-1的发射对卫星海洋学的形成和发展具有划时代意义，这是继Seasat-A 之后的又一颗海洋专用卫星。ERS-1除了具有Seasat-A 所载有的各种传感器外，又增加了ATSR 传感器，它可以大大提高对海表面温度的遥感精度。继CZCS 之后，1997年8月美国发射的海星卫星SeaSTAR 装载了第二代海洋水色传感器SeaWiFS ；与CZCS 相比，SeaWiFS 增加了光谱波段，降低了波段宽度，提高了对电磁辐射测量的灵敏度。在2002年5月发射的我国第一颗用于海洋水色探测的试验型业务卫星HY-1A 装载了十波段中国海洋水色和温度扫描仪COCTS ， COCTS在频率和波段宽度的设计上类似于SeaWiFS 。在1999年发射的地球观测系统卫星EOS-AM (TERRA ) 和2002年发射的地球观测系统卫星EOS-PM(AQUA) 载有MODIS 。中等分辨率成像光谱仪MODIS 是多波段辐射计，从可见光至热红外共有36个波段；其中有9个波段用于水色遥感，其余波段用于大气遥感。MODIS 比SeaWiFS 更为先进，被誉为第三代海洋水色（兼气象要素）传感器。表 3-7列出了历史上著名的海洋观测卫星和传感器。
表 3-7: 历史上著名的海洋观测卫星和传感器
欲了解和索取ERS-1、SeaSAT 和GEOS-3的数据资料、Geosat/ALT的数据资料、Nimbus-7/SMMR
的数据资料、DMSP/SSM/I的数据资料、Nimbus-7/CZC的数据资料、QuikSCAT/SeaWinds的数据资料、
ERS/A TSR 的数据资料、NOAA/AVHRR的数据资料、EOS/MODIS的数据资料、TOPEX/POSEIDON高度计的
数据资料、以及TODA 和WOCE 资料，请查看http://podaac.jpl.nasa.gov/order/ 。
§3.9 卫星轨道（Orbits of Satellites）
坐标系（Coordinate Systems）
我们可用圆形和椭圆形轨道近似描述卫星的运动。Stewart (1984) 详细地描述了卫星椭圆形轨
道的运动。图3-3显示了以地球为中心的坐标系和卫星轨道的示意图。地球的质心是以地球为中心的
坐标系的原点。
在图 3-3中，OX 轴自原点沿赤道平面指向白羊座。地球绕太阳运行的轨道平面和地球赤道平面
之间有一条相交的线段，该线段的延长线永远指向一颗恒星白羊座；在3月20日左右（春分点），白
羊座与地球的连线指向太阳。OZ 轴自原点指向北极。OY 轴与OX 和OZ 两个轴垂直。卫星和地球质心
连线与地球表面有一交点，称为星下点（Sub-Satellite Point）。轨道倾角i 被定义为卫星轨道平面
与赤道平面的夹角。当卫星向北运动穿过赤道时，卫星在地面上投影轨迹与赤道有一交点，该交点被
称为“升轨点”（ascending node ）；当卫星向南运动穿过赤道时，卫星在地面上投影轨迹与赤道有一
交点，该交点被称为“降轨点”（descending node ）。“升轨点”或“降轨点”也被称为节点（Nodes ：
points where a satellite's orbit crosses the plane of the Earth's equator）。图中使用N 表示节
点，使用Ω表示“升轨点”的天赤经。天赤经代表在赤道平面上由原点O 出发的射线从指向白羊座
向东转到指向N 点旋转过的角，即OX 轴与ON 方向的夹角。使用倾角i 和天赤经Ω这两个角就可以
确定卫星轨道平面的方位。
图 3-3: 以地球为中心的坐标系和卫星轨道的示意图
太阳同步轨道（Sun- Synchronous Orbit）
卫星每绕地球转动一圈（REVOLUTION ）在地球表面上都形成一个不闭合的星下点（SUB-SATELLITE
POINT ）轨迹。在地球同一纬度上，如果卫星星下点轨迹沿纬度的移动速率和太阳星下点轨迹沿纬度
的移动速率相同，就称此卫星轨道为太阳同步轨道。当沿太阳同步轨道运行时，卫星每天在同一个当
地时间经过赤道。然而，如果重复周期不是一天，第二天卫星在同一个当地时间并不经过同一个地点。
对所有太阳同步轨道卫星，当卫星朝向北方运行时，被称为“升轨”，朝向南方运行时 被称为“降轨”。
o 如果轨道倾角i →90，这颗卫星就能经过南极和北极地区，故这样的卫星轨道被称为太阳同步极
轨轨道或近极轨轨道。如果卫星环绕地球的椭圆轨道偏心率较小，则被称为圆形轨道或近
圆形轨道。图3-4显示了MODIS/TERRA卫星星下点的地面轨迹, 这是太阳同步极轨轨道的一个典型
例子。沿极轨或近极轨太阳同步轨道运行的卫星可以观察全球或者除两极区域以外的绝大部分地球表
面。例如MODIS/TERRA合QuikSCAT 就是这种类型的卫星。
图3-4：MODIS / TERRA卫星的星下点地面轨迹
(引自http://eos-am.gsfc.nasa.gov/operations.html)
我们使用dΩ/dt表示卫星轨道平面的角速度，该角速度被称为卫星相对于恒星的“进动率”。选
择合适的轨道倾角、椭圆轨道的长半径和偏心率、以及合适的卫星高度，可以使轨道平面旋转与围绕
太阳的地球公转相匹配。这时，卫星在每天的同一当地时间穿过赤道平面，这种轨道为太阳同步轨道。
o o 太阳同步卫星的轨道平面的进动率dΩ/dt=2π弧度/太阳年= 360/(365.24d)≈1/d，式中2π弧度
o =360 ，1太阳年=365.24天，Ω代表图3-1所显示的“升轨点”的天赤经。这意味着沿太阳同步轨
道运行的卫星在环绕地球（例如NOAA-TIROS 的节点周期大约是100min ）的同时又绕太阳旋转（例如
NOAA-TIROS 环绕太阳的运行周期是一个太阳年）。
地球同步轨道（Geo-Synchronous Orbit）
如果卫星轨道是地球同步的，则卫星环绕地球角速度的纬向分量等于地球自转角速度。在特殊情
况下，当i = 0时，地球同步轨道称为地球静止轨道，这时在地球上观察到的卫星是静止的。当i →0
时，地球同步轨道也常常称为地球静止轨道；这时从地球上观察卫星有一恒星日周期的微小摆动。根
22据万有引力定律 F=（GM ）m/r 和牛顿第二定律 F = mωr ，可获得
GM GMT 2R +h =r =(2) =() (3-1) ω4π2
式中，h 代表卫星高度，m 代表卫星质量, R = 6378km代表地球半径， GM = 398,600 kms 代表地球
引力常数，T = 86164s(秒) 代表地球的一个太阳日运行周期。在地球静止轨道情况下，地球自转角速
度是ω=2π/T ，把的GM 、T 和 R的值带入(3-1)式，我们得到h = 35,786km 。由于地球不是一个
质点，因此公式(3-1)仅是一个近似表达。Steward (1984)的论述更精确地描述了地球重力场和地球
静止轨道卫星的运动规律。
高度计卫星的轨道（Altimeter Satellite Orbit）
3-2
高度计卫星不能使用太阳同步轨道，因为太阳同步轨道不能分辨潮汐。图3-4显示了卫星在“升
轨”运行时其星下点在地球表面形成一条连线，在“降轨”运行时其星下点在地球表面又形成一条连
线。为了更好地分析表面斜率的两个分量，相交的两条星下点连线的夹角应该接近90 。对于极轨和
近极轨卫星，由于轨道倾角太大，其相交的两条星下点连线的夹角太小，所以高度计卫星不能采用沿
极轨和近极轨方式运行。高度计卫星需要在轨道设计上采用较小的轨道倾角；然而，较小的倾角又限
制了卫星对于极地区域的探测。例如，TOPEX/POSEIDON高度计卫星轨道由于轨道倾角较小而不能达
到极地地区，该星在南、北纬度范围不超过66度的区域内运行。
精确的循环轨道（Exactly Recurring Orbit）
相邻两个升交点之间的时间区间被称为节点周期(NODAL PERIOD).在一个节点周期内，卫星环绕
地球一圈（REVOLUTION ）。最南端与最北端之间的星下点轨迹被称为一个“PASS ”, 对应的时间长度
等于半个节点周期；环绕地球多圈后回到原来位置对应的星下轨迹被称为一个“CYCLE ”, 对应的时
间长度被称为重复周期（REPEAT PERIOD ）。再访时间（REVISIT TIME ）指地球上某一地点被卫星先后两
次观测的时间区间。再访时间不是描述卫星轨道的概念，而是描述观测资料序列的时间间隔。对于高
度计轨道卫星，有时人们使用再访时间来代替重复周期，这时二者是同一个概念，因为高度计仅仅测
量星下点，并不扫描一个大的区域。然而，对于装载了SeaWiFS 的卫星SeaSTAR ，它的再访时间与重
复周期并不相等，它的再访问时间是1天，它的重复周期是2天。经过1天后，虽然卫星并未恰好返
回到原来星下点的上空，但是由于传感器扫描面积较大，仍然能够观测到位于原来星下点的地球表面，
所以它的再访时间是1天，不同于它的2天的重复周期。又如QuickBird 卫星，它的再访时间是1 -
6天，随纬度而变化。有的文献使用某一纬度上资料的重复周期，而不使用再访时间，是针对这一纬
度上资料而言，并不是针对卫星轨道而言。仔细观察图3-4显示的MODIS / TERRA 卫星的星下点的地
面轨迹，可以推断它的重复周期绝不是1天。
§3.10 分辨率（Resolution ）
圆孔衍射（Refraction of a round hole）
根据电磁波干涉理论，为产生光的干涉现象，相遇的光波必须满足某些条件，我们称这些条件为
相干条件，满足相干条件的光被称为相干光。相干条件是：1）、频率相同的两光波在相遇点有相同的
振动方向和固定的位相差；2）、两光波在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊；3）、两光波在相遇
点的光程差不能太大。在满足相干条件的条件下，如果两束相遇光的光程差是其波长的整数倍，则两
束光在相遇处保持相同的位相，这样干涉的结果是光强度增大；反之，如果光程差是其半波长的奇数
倍，则两束光位相相反，干涉相消。
图 3-5: 夫琅和费圆孔衍射示意图：以D sin(Δα/2) ∕(2λ) 为横坐标，横坐标与图示的屏幕重
合，以I/Io 为纵坐标，I o 是爱里斑中心的光强度，I 是衍射图像上任意点的光强度，爱里斑的边缘暗纹的横坐标位置是0.61，在这个位置光强度最弱，右侧的衍射图像是从斜视屏幕角度所见。 来自无穷远光源的光可被认为是平行光。当平行光通过一个小孔时，在正对着小孔的前方屏幕上能生成明暗相间的光环，这种现象被称为夫琅和费圆孔衍射，光环的中心亮盘被称为爱里斑（Airy ）。根据微分的原理，可以将园孔对应面积分成许多微分元。根据电磁波的波动理论，在园孔处每个微分元都是一个新的光源，每个光源都向屏幕发出一束光，对应各微分元的许多束光在屏幕相遇。由于从各微分元到屏幕的路径不同，引起不同光束之间的光程差。不同光程差对干涉结果产生影响，可能在屏幕处使光强加倍或相消。对所有微分元发出的光在屏幕干涉的总效果积分，可以获得在屏幕处光强的分布。设从圆孔中心到爱里斑两侧连线的夹角为Δα，爱里斑直径为d ，那么计算结果是
∆α=2. 44λ （3-1） D
2. 44H λ d = （3-2） D
式中λ是光的波长, D是圆孔孔径, H 是孔和屏幕的距离。图3-5给出了夫琅和费圆孔衍射的示意图。 光学分辨率（optical resolution）
使用直径D 的凸透镜作为一个圆形通光孔，一个望远镜的物镜就是一个凸透镜，如图3-6所示。来自无穷远处物体的光通过凸透镜，在其焦平面上形成一个夫琅和费圆孔衍射图像。在无穷远的地面上两个发光点A 和B 在凸透镜的焦平面分别形成了两个爱里斑a 和b ，这里爱里斑a 是A 的像元，b 是B 的像元。能够使两个像元被分辨的两个物体的最小角距离是Δα，最小空间距离是d 。因而Δα被称为角分辨率，d 被称为空间分辨率。计算表明，它们仍然由公式（3-1）和（3-2）给出，式中λ是光的波长 ，D 是望远镜物镜的孔径，H 是望远镜和地球表面的距离。
D/2 -D/2
x 0
天线
α
图 3-6: 地面上两个发光点A 和B 在凸透 图 3-7: 天线接收到的地面上点P 发出的辐射
镜的焦平面分别形成了两个爱里斑。 强度可通过对天线微分元dx 的积分获得。 微波雷达的分辨率（resolution of microwave radar）
如图3-7所示，如果接收天线是圆盘形，则设D 为接收天线的孔径；如果接收天线是直竿状，则设D 为接收天线的长度。设f(x) 为权函数，那么接收天线上的电场强度分布是
E (x , t ) ≈f (x ) E 0e (i ωt -ikL ) （3-3）
式中E 0 EXP (i ωt ) 是微波源P 点发射的电磁波在L=0处的电场强度。使用几何关系式L ≈R - x sin α, 该式在 L >> x的条件下, 可以近似成立，式中α是微波源P 点到天线中心的角距离。代入上述几何关系式到（3-3），对天线上所有x 处的电磁波的电场强度积分得 E (α) ≈E 0e (i ωt -ikR )
-ikx sin αf (x ) e dx （3-4） ⎰因为辐射强度比例于电场强度的平方，亦即 I (α) ~E (α) （3-5） 对于均匀直竿状天线，权函数f(x)=1，此时可获得 D
222f (x ) e ikx sin αdx = ⎰
-D
2kD sin α) （3-6） k sin α
代入（3-4）到（3-5），我们得到 kD ⎡⎤sin(sin α) ⎢⎥I (α) = ⎢kD ⎥I (0) (3-7)
⎢sin α⎥⎢⎥⎣2⎦
地面某些点对于天线是盲点；对于角距离为α的盲点，天线接收到的辐射强度为零，即I(α) = 0。代入I(α) = 0到（3-7）， 我们得到第n 个盲点对天线的角距离条件是 2
kD sin αn =n π (3-8) 2
相邻两个盲点的角距离满足以下关系式
sin αn -sin αn -1=2πλ=(3-9) kD D
这里最后一个等式由波动基本关系式k = 2π∕λ 导出。相邻两个盲点的角距离之差就是角分辨率。当天线远离地面时，角距离α很小，这时角距离α近似等于它的正弦值。因此，我们可近似地获得天线探测的角分辨率
∆α=αn -αn -1≈sin αn -sin αn -1=
和天线探测的空间分辨率 d =λ (3-10) D H λ (3-11) D
式中H 是天线距离地面的高度。
可见，无论是光学装置还是微波雷达，它们的角分辨率由λ∕D 唯一确定；它们的空间分辨率由λ、D 和H 三个参数确定。电磁波的波长越短，分辨率越高；相机或雷达的孔径越大，分辨率越高。
-5因为可见光的波长比微波要小的多，它们的比值是10的量级，所以可见光波段的相机的分辨率一般
要远远高于真实孔径雷达。
§3.11参考文献和习题(References & Questions)
参考文献
1． Methods of Satellite Oceanography. by Robert H. Stewart, 1984, University of California
Press, pp360. 中文译本：“空间海洋学”，徐柏德和沙兴伟 译，海洋出版社，1991。
2． Satellite Oceanography - An introduction for oceanographers and remote-sensing
scientists. by I.S. Robinson, 1985, Ellis Horwood Limited, pp455. 中文译本：“卫星海洋学”。作者：[英]罗滨逊，1985，吴克勤等译，海洋出版社，1989。
3． Satellite Oceanic Remote Sensing. Advanced in GEOPHYSICS Volume 27. Edited by Barry
Saltzman, 1985, Academic Press, Inc., pp511. 中文译本：“卫星海洋遥感”。作者：[美]索兹曼]，1985，郑全安等译，海洋出版社，1991。
4． ceanographic Applications of Remote Sensing. Edited by Motoyoshi Ikeda and Frederic W.
Dobson, 1995, CRC Press, Inc.
本章习题
1. 计算地球同步轨道卫星的近似高度，和太阳同步轨道卫星（卫星绕地球旋转周期是100分钟）的
近似高度。列出万有引力定律与牛顿二定律的公式。并列出角速度与旋转周期的关系式。
2. 写出带有微波传感器的六种海洋卫星和传感器的名称（中英文均可）。
3. 那一个卫星和什么传感器采用的C 波段？如果一个雷达的频率是5.3GHz, 它的波长应是多少厘
米？那一个卫星和什么传感器采用的Ku 波段？如果一个雷达的频率是13.4GHz, 它的波长应是多少厘米？(提示：电磁波的相速度等于光速) 。
4. 如果雷达孔径的权函数是一个调和函数，f(x)=1, 请计算该雷达的角分辨率和空间分辨率。