11.4.1引言
从卫星探测海洋动力参数主要依靠微波传感器，其中高度计(Altimeter，ALT)最为成熟。ALT通过对海平面高度、有效波高、后向散射的测量，可同时获取流、浪、潮、海面风速等重要动力参数。卫星高度计还可应用于地球结构和海域重力场研究。
继Skylab、Geos—3以及SeasatA卫星之后，美国海军于1985年发射了Geosat业务化卫星，它为科学家们首次提供了持续时间长、覆盖范围广的卫星高度计资料，从而揭开了卫星海洋学和卫星大地测量学崭新的一页。ERS—1卫星、Topex/Poseidon卫星、ERS—2卫星是目前正在运行的三颗装有高度计的卫星。其中美、法联合发射的Topex/Poseidon卫星上同时装载两台高精度高度计，作为全球大洋环流实验(WOCE)的核心设备，它的成功发射与运行，是卫星测高技术的一次飞跃。
在阐述卫星高度计工作原理前，首先说明与海平面高度有关的几个曲面以及引起海平面高度变化的主要因素。
一、参考椭球面(ReferenceEllipsoid)
地球实际上是一个略呈扁形的旋转椭球体。由于万有引力和惯性离心力的作用，在静止大气层覆盖下静止的水体表面，可近似视为一个长轴在赤道方向的双轴旋转椭球体，其几何形状由半长轴和偏心率两个参数确定。这一理想化的数学曲面定义为参考椭球面，并以此作为实际海平面的零级近似。
二、大地水准面(Geoid)
地球上重力位势相等的各点构成等势面，与平均海平面最为接近的等势面称为大地水准面，它是一个假想曲面，其形状主要决定于地球的内部结构和外部形态，是实际海平面的一级近似。
三、瞬时海面(InstantaneousSeaSurface)
瞬时海面即某一时刻的实际海面。它除了受制于地球重力场的分布之外，还受到海流、波浪、潮汐、降水、融冰、气压等海洋和大气过程的影响，是各种复杂环境因素共同作用下的一种随机瞬态平衡。
四、平均海平面(MeanSeaLevel)
卫星高度计测得的瞬时海面经海洋潮高、固体潮高和有效波高修正之后，得到所谓平均海平面。但是这一定义本身并不具有时间平均的含义。如果想得到某段时间内的平均海平面，则需对上述概念下的平均海平面在该时间段上进行平均。
在海洋学中，平均海平面定义为18.67年天文周期中每小时潮高值的算术平均值。由于测量上的困难，许多国家选定沿岸某个验潮站的平均海平面作为全国的平均海平面基准。严格来说，这种方法只定义了平均海平面的一个参考点，不反映平均海平面空间起伏和时间变化。由于卫星高度计资料时间跨度和验潮站资料空间分布的局限，上述两种定义在相当长一段时间内仍无法统一。
五、海面动力高度(SeaSurfaceDynamicHeight)
将平均海平面相对于大地水准面的偏离，称为海面动力高度，即海洋学中的海面重力位势差，其范围一般在±1.5m以内。
六、大地水准面起伏(GeoidUndulation)
大地水准面相对于参考椭球面的偏离，称为大地水准面起伏，其范围一般在±100m以内。
七、海平面起伏(SeaSurfaceUndulation)
瞬时海平面相对于大地水准面的偏离，称为海平面起伏。其范围一般在±10m以内。
需要强调的是，海平面起伏和大地水准面起伏比它们各自的绝对高度更具有重要意义。因为在这些起伏中，包含了地球内部结构和海洋动力过程的各种信息。
目前高度计资料的空间采样间隔，沿轨迹方向为7km左右，在赤道处相邻平行轨道的间隔为310km(T/P)或80km(ERS-1，2，35天周期)。时间采样间隔，沿轨迹方向为1s左右，重复周期有3d、10d、17d、35d和168d等。
11.4.2卫星高度计的基本原理
一、卫星高度计工作原理
卫星高度计由一台脉冲发射器、一台灵敏接收器和一台精确计时钟构成。脉冲发射器从海面上空向海面发射一系列极其狭窄的雷达脉冲，接收器检测经海面反射的电磁波信号，再由计时钟精确测定发射和接收的时间间隔△t，便可算出由高度计质心到星下点瞬时海面的距离Hmeas
其中c=3×108m/s，为电磁波在真空中的传播速度。
高度计的技术难度在于要达到厘米量级的测距精度。对于5cm的测高精度，相应的时间测量要准确到0.2ns左右，要求计时钟具有年误差不超过1s的精度。同时，对发射和接收技术也提出了高要求。首先，高度计向海面发射一系列测距尖脉冲能量很有限，不足以保证检测回波信号所需的信噪比。为了使输出脉冲携带足够的能量，星载高度计采用了脉冲压缩技术。其次是测距脉冲所要求的带宽问题。对于上述0.2ns的脉冲，相应的带宽约为5GHz。这一带宽远超过国际公允的卫星使用带宽。为解决这一矛盾，采用波形检测的方法，其原理如图11—12所示。从卫星向海面发射一脉宽为τp的矩形脉冲，波面以卫星为中心，呈球面向下传播到海面，海面与电磁波的作用从t=0时起，以球面波的波前与海面的切点开始，逐渐扩展，到t=τp时，作用面展为以d为直径的圆，而
其中Hsat为卫星高度，H为海面波高的标准偏差。当t＞τp时，作用面积变为球面电磁波前与海面相割所成的圆环。该环的直径随时间不断扩大，环宽却逐渐变窄，圆环的面积则保持不变。当球面电磁波束的边沿到达海面时，圆环外径不再扩展，内径继续扩大，圆环面积逐渐减少，直至最后消失。经海面返回的电磁波幅度随时间的变化和上述电磁波与海面的作用过程相对应，形成一个展宽的梯形波。精确测量脉冲传输时间和返回脉冲前后波形，就可以得到高精度的测高值。这种波形检测方法大大放宽了对发射脉宽的要求，是现有卫星高度计普遍采用的方法。
二、卫星测高原理
卫星测高的几何关系如图11—13所示。
从卫星测高的几何关系上看，海平面高度可以表示为
Hinst＝(Hsat＋εsat)-(Hmeas＋△Hmeas＋εmeas) (11-24)
而 △Hmeas=Hcom＋Hwet＋Hdry＋Hiono (11-25)
其中Hinst为星下点瞬时海平面相对于参考椭球面的高度，Hsat为卫星质心相对于参考椭球面的计算高度，εsat为Hsat的计算误差，Hmeas为高度计质心到星下点瞬时海平面的测量距离，△Hmeas为对Hmeas的各种修正
Hcom——质心修正 Hwet——湿对流层修正
Hdry——干对流层修正 Hiono——电离层修正
εmeas为Hmeas的测量误差。
可见，星下点的瞬时海面高度是由卫星高度与测量高度之差经过一系列修正后得到的，而卫星高度是根据轨道动力学方程结合地面遥测定位数据经理论计算得到的，测量高度是根据前节描述的原理由高度计实测得到的，各种修正量通过其它独立渠道获得。
另一方面，从海平面高度的构成来看，瞬时海面还可以表示为
Hinst=Hg＋Hdt＋Hot＋Hst＋Hswh (11-26)
其中Hg为大地水准面高度，Hdt为海面动力高度，Hot为海洋潮高，Hst为固体潮高，Hswh为海面有效波高。
在实际应用时，首先由(11—24)式确定瞬时海面高度，再依据(11—26)式采用适当的数据处理方法将各种海洋过程分离出来。
11.4.3卫星高度计的应用
一、大洋环流
目前，利用卫星高度计资料推算大洋环流最简单的方法是将平均海平面与大地水准面相减，得出动力高度，再利用地转平衡关系，算出大洋环流。由于现有大地水准面模型的误差与大洋环流对应的动力高度处于同一量级，因而，这种方法只能用于大尺度海洋动力现象观测。另一种方法被称为同步分离法，其主要思路是将大地水准面与海面动力高度同时从高度计资料分离出来。这一方法的数学依据是改进的加权约束最小二乘法。利用这一方法得到的全球大洋环流如图11-14所示。
二、海洋潮汐
卫星高度计测量海平面高度本身需要进行潮汐修正，同时，它能够给出全球大洋的潮高空间分布。由于潮汐具有确定的周期，使人们有可能将它从海平面高度中与其它不同周期或非周期性的海面起伏分离开来。
目前大洋潮汐反演模式约有13种，边缘海潮汐反演模式仅有3～4种。以上模式可分为以下三类：无水动力假设，线性水动力假设，非线性水动力假设。只有第三类适用于浅海。
三、中尺度海洋现象
中尺度海洋现象主要包括涡旋、上升流、锋面等。中尺度现象活动频繁的区域一般对应较显著的海平面变化。
利用卫星高度计观测中尺度涡旋，主要是通过计算涡旋动能来确定其位置并衡量其强度。首先计算一条重复轨迹上的平均海平面高度，再计算每次重复数据相对于这一平均高度的斜率，然后利用地转平衡关系算出垂直于轨迹方向的流速。假定涡旋在与其轨迹平行和垂直方向上的运动速率相等，可得到涡旋的绝对速率，进而计算其动能。
四、大地水准面与重力异常(gravityanomaly)
大地测量的基本任务是确定大地水准面与重力异常。卫星测高提供了海域的大地水准面起伏。海洋大地水准面是接近于平均海平面的重力势面和旋转势的等位面，它反映了地球内部质量密度分布的不均匀特性。卫星高度计最初的成果就是测量地球形状及大地水准面，进而计算全球重力场。ERS-1卫星168天重复周期的运行就是为大地水准面测量而设计，它提供了前所未有的空间采样分辨率，168天周期运行15个月，取得了大量宝贵资料。
人们以球谐函数级数的形式作为表征地球重力和大地水准面高度的数学模型，目前全球大地水准面模型达到360阶。模型的空间分辨率达到100km，精度小于0.5m。具代表性的四个全球大地水准面模型是：美国的GEM系列(GoddardEarthModel，NASAGoddardSpaceFlightCenter推出)，PGS系列(PreliminaryGravitySolution，来源同前)，OSU系列(OhioStateUniversity推出)和JGM系列(JointGravityModel，美国几家主要研究单位和法国CNES联合推出)。
大地水准面与参考椭球面上对应点的重力之差称为该点的重力异常，方向之差称为垂线偏差。目前由卫星测高数据反演海洋重力异常的方法主要有：最小二乘法、Stokes公式逆运算法、Hotine积分法、逆Venning-Meinesz交换法，以及垂线偏差联合法和谱分析方法等。由于卫星测高数据越来越多，目前国际上正在发展利用各种卫星测高的数据联合求解的方法，以期得到精度更高、时间和空间分辨率更高的重力异常分布。
五、有效波高
卫星高度计测量的有效波高数据主要应用在两个方面：一是将其同化到海浪数值预报模式中，提供合理的初始场，并改进和检验预报模式；二是用卫星高度计有效波高数据进行全球的或区域的浪场特征分析，如波侯、极端波要素和浪场时空结构等。
六、海面风速
高度计后向散射截面(σ0)和海面风速之间存在着一种反比关系。风速增加，海面粗糙度随之增加，使得雷达脉冲的侧向散射能量增加，从而导致σ0下降。σ0与海面风速之间的数学关系称为“模式函数”。高度计测量的σ0必须通过模式函数才能转换成海面风速。因此，模式函数的质量直接关系到海面风速的反演精度。高度计虽然仅给海面风速标量，但在应用中具有特殊意义：(1)高度计可提供同步的风、浪数据；(2)高度计星下点风速空间分辨率高于散射计；(3)高海况下的适用性可能优于散射计。可以将高度计、散射计、微波辐射成象仪的风速进行数据融合和数据同化。