به‌منظور انجام کلیه پروژه‌های دریایی و ناوبری نظیر عملیات عمرانی، احداث اسکله، سکوهای نفتی در سواحل و آب‌های دور از ساحل، مطالعات آب‌نگاری و موارد دیگر، اطلاع از وضعیت سطح ارتفاعی آب بسیار ضروری است. سطح متوسط دریا یک دیتوم ارتفاعی است که به‌عنوان مبنای ارتفاعی در زمینه‌های مختلف مانند کارتوگرافی و ناوبری دریایی و یا در حمل‌ونقل هوایی (به‌عنوان یک سطح استاندارد به‌منظور کالیبره کردن سطوح ارتفاع پرواز) استفاده می‌گردد. در حالت تئوریک سطح‌مبنای ارتفاعی ژئوئید است اما در عمل از سطح متوسط آب‌های آزاد به‌عنوان سطح‌مبنای ارتفاعی استفاده میشود.
یک تعریف نسبتاً ساده برای سطح متوسط آب‌ها (MSL)، نقطه میانی بین متوسط جزر (حد پایین سطح آب) و متوسط مد (حد بالای سطح آب) در یک منطقه خاص است. سطح دریا تحت تأثیر عوامل بسیاری قرار دارد. اندازه‌گیری‌های دقیق تغییرات MSL می‌تواند اطلاعات مفیدی در مورد تغییرات آب‌وهوا و افزایش سطح آب به دلیل گرم شدن کره زمین ارائه دهد.
سطح‌مبنای ارتفاعی به‌صورت سنتی بر مبنای استفاده از تایدگیج‌ها بناشده است. تعیین دقیق سطح متوسط دریا یک مسئله دشوار است زیرا عوامل بسیاری بر نوسانات آن موثر هستند ازجمله جزر و مد، باد، فشار اتمسفر، تفاوت در گرانش محلی، دما، شوری و عوامل دیگر.
شکل ۱ تغییرات سطح دریاها را که به‌وسیله تایدگیج و ارتفاع‌سنجی ماهواره‌ای ثبت‌شده است نشان می‌دهد. نمودار افزایش ۲۰۰ میلی‌متری سطح آب‌ها را در قرن بیستم نشان می‌دهد. نمودار سیاه‌رنگ مربوط به نتایج تایدگیج‌ها و نمودار قرمزرنگ نتایج حاصل از ارتفاع‌سنجی ماهواره‌ای است.
شکل ۱: تغییرات سطح آب‌های آزاد در سال‌های ۱۸۸۰ تا ۲۰۰۵ میلادی
با توجه به موارد ذکرشده تعیین دقیق سطح متوسط دریا اهمیت بسیار زیادی برخوردار است درنتیجه نیاز به روشی جدیدتر و دقیق‌تراست. استفاده از روش‌های سنجش‌ازدوری مانند ارتفاع‌سنجی ماهواره‌ای گستردگی قابل‌توجهی برای درک تغییرات دارند. با پرتاب ماهواره TOPEX/POSEIDON در سال ۱۹۹۲ اندازه‌گیری‌های دقیقی از سطح آب‌ها ارائه گردید. به‌دنبال آن طی یک ماموریت مشترک بین NASA و CNES ماهواره Jason-1 در سال ۲۰۰۱ و ماهواره Jason-2 در سال ۲۰۰۸ (به‌منظور بررسی توپوگرافی سطح اقیانوس‌ها) در مدار قرار گرفتند.
سامانه‌های ارتفاع‌سنجی ماهواره‌ای بابه‌کارگیری سامانه‌های پیشرفته تعیین موقعیت دقیق نظیر DORIS،GPS وSLR به دقت بالایی در اندازه‌گیری ارتفاع ماهواره از سطح آب رسیدهاند؛ به‌طور مثال در ماهواره TOPEX/POSEIDON دقت اندازه‌گیری این کمیت ۲ تا ۳ سانتی‌متر بیان‌شده است.
شکل ۲: سطح متوسط دریاها بر اساس داده‌های ماهواره TOPEX/POSEIDON در مدت ۷ سال، داده‌های ERS-1/2 در مدت ۵ سال و داده‌های Geosat در مدت ۲ سال
اصول اندازه‌گیری ارتفاع‌سنجی ماهواره‌ای
کمیت مشاهداتی در ماهواره‌های ارتفاع‌سنجی ارتفاع ماهواره تا سطح آب است که آن را برد ماهواره می‌نامند. اندازه‌گیری ارتفاع ماهواره تا سطح آب توسط وسیله‌ای به نام ارتفاع‌سنج صورت می‌گیرد. به‌منظور اندازه‌گیری این کمیت امواجی در باند ماکروویو به‌صورت مخروطی شکل در فضا انتشار می‌یابند. ارتفاع‌سنج امواج مخروطی شکل را در یک بازه زمانی کوتاه در حدود چند ثانیه به‌صورت پالس‌هایی متوالی به سمت نقطه زیر ماهواره ارسال می‌کند. امواج ارتفاع‌سنج پس از برخورد با سطح آب منعکس‌شده و به‌طرف ماهواره برمی‌گردند. امواج بازگشتی توسط آنتن ارتفاع‌سنجی دریافت می‌شوند. مدت‌زمان رفت‌وبرگشت هر پالس توسط ساعت ارتفاع‌سنج اندازه‌گیری میشود. از آنجایی‌که سرعت موج مشخص است می‌توان ارتفاع اندازه‌گیری شده توسط هر پالس را تعیین نمود. درنهایت فاصله ماهواره از سطح آب از طریق میانگین‌گیری از فواصل اندازه‌گیری شده توسط پالس‌های متوالی محاسبه میشود. لازم به ذکر است ارتفاع اندازه‌گیری شده دارای خطاهای متعددی است. نحوه تعیین میزان تصحیحهای مربوطه در ماهواره‌های ارتفاع‌سنجی مختلف باهم متفاوت است.ازجمله این خطاها که در مورد سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) نیز وجود دارد خطای یونسفر و تروپوسفر است. برای حذف اثر یونسفر باید از امواج با دو فرکانس مختلف استفاده نمود. به‌منظور اندازه‌گیری میزان تأخیر ناشی از تروپوسفر رادیومتر سه فرکانسه قابل‌استفاده است.
.
شکل ۳: اصول ارتفاع‌سنجی
کمیت مشاهداتی در ماهواره‌های ارتفاع‌سنجی ارتفاع ماهواره تا سطح آب است که آن را برد ماهواره می‌نامند.
تعیین موقعیت ماهواره در مدار
به‌منظور تعیین ارتفاع ماهواره از سطح بیضوی مرجع، تجهیزات مختلفی بر روی ماهواره نصب میشود. برخی از این تجهیزات عبارت‌اند از:
- گیرنده‌های سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS)
- گیرنده‌های سیستم تعیین موقعیت ماهواره‌ای DORIS
- گیرنده‌های سیستم تعیین موقعیت ناوبری DOPPLER
- گیرنده‌های سیستم تعیین موقعیت ناوبری GLONASS
- رفلکتورهای سیستم تعیین موقعیت SLR
