海洋鹽度探測衛(wèi)星的現(xiàn)狀分析和未來趨勢

殷小軍 張慶君 王睿 張歡

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

海洋鹽度探測衛(wèi)星的現(xiàn)狀分析和未來趨勢

殷小軍 張慶君 王睿 張歡

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

調(diào)研了ESA的“土壤濕度和海洋鹽度”（SMOS）衛(wèi)星和后續(xù)發(fā)展計劃，以及NASA的“寶瓶座”（Aquarius）衛(wèi)星；對比分析了SMOS和Aquarius衛(wèi)星鹽度測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況。結(jié)果表明：在低緯度地區(qū)，Aquarius衛(wèi)星的鹽度測量精度均優(yōu)于SMOS衛(wèi)星，但是在高緯度地區(qū)的鹽度測量精度較差。針對2顆衛(wèi)星在應(yīng)用中存在的同步測量手段欠缺、射頻干擾（RFI）等突出問題，提出了相應(yīng)的解決途徑，如增加同步測量和采用多種RFI檢測抑制手段。最后，提出了海洋鹽度探測衛(wèi)星的發(fā)展趨勢，如開展輻射計反演與遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、高精度外定標(biāo)技術(shù)和高精度熱控技術(shù)研究。

海洋鹽度探測衛(wèi)星；“土壤濕度和海洋鹽度”衛(wèi)星；“寶瓶座”衛(wèi)星；同步測量；射頻干擾

1 引言

海洋鹽度的分布和變化與許多海洋現(xiàn)象密切相關(guān)，全球海洋鹽度按月或按年的變化是氣候系統(tǒng)中的關(guān)鍵因子。綜合考慮鹽度和溫度的分布，不但可作為水團(tuán)、鋒面、渦流等中尺度海洋現(xiàn)象識別和預(yù)報的重要依據(jù)，而且可為氣候變化和氣象預(yù)報提供重要的數(shù)據(jù)源［1］。為了解決海面鹽度數(shù)據(jù)匱乏的問題，ESA和NASA分別發(fā)射了“土壤濕度和海洋鹽度”（SMOS）衛(wèi)星和“寶瓶座”（Aquarius）衛(wèi)星，用于海洋鹽度測量。

本文在調(diào)研SMOS衛(wèi)星及其后續(xù)發(fā)展計劃，以及Aquarius衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，利用SMOS衛(wèi)星和Aquarius衛(wèi)星獲得的鹽度測量數(shù)據(jù)對比分析了測量精度，總結(jié)了海洋鹽度探測衛(wèi)星的優(yōu)勢和存在的問題，提出了解決這些問題的途徑，可供國內(nèi)同類型衛(wèi)星設(shè)計參考。

2 國外海洋鹽度探測衛(wèi)星

2.1 ESA的衛(wèi)星

2.1.1 SMOS衛(wèi)星

SMOS衛(wèi)星是目前唯一能夠同時對土壤濕度和海洋鹽度變化進(jìn)行測量的在軌衛(wèi)星，于2009年11月發(fā)射升空［2］，2010年5月進(jìn)入正式運行階段。圖1為SMOS衛(wèi)星在軌示意。衛(wèi)星設(shè)計指標(biāo)見表1，其中鹽度測量精度用于評價衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演精度，表示衛(wèi)星觀測獲取的海面鹽度與浮標(biāo)等收集的實測數(shù)據(jù)差值的絕對值。

圖1 SMOS衛(wèi)星示意Fig.1 Sketch map of SMOS

表1 SMOS衛(wèi)星的設(shè)計指標(biāo)Table 1 Design indexes for SMOS

綜合孔徑微波成像輻射計（MIRAS）是搭載于SMOS衛(wèi)星上的唯一有效載荷，工作中心頻率為1.413GHz，分辨率為30～50km，幅寬為900km，是首個在軌運行的綜合孔徑輻射計［3－4］。輻射計采用Y型二維稀疏天線陣，由3個支臂組成，單臂的長度約為4.5m，整個系統(tǒng)含69副天線及約5000個數(shù)字相關(guān)單元，是目前復(fù)雜程度最高的綜合孔徑輻射計系統(tǒng)。輻射計的定標(biāo)主要采用相關(guān)／非相關(guān)校正法，能有效地消除接收機(jī)通道的相位和幅度不一致性所引入的誤差。

2.1.2 SMOSops衛(wèi)星

SMOS業(yè)務(wù)系統(tǒng)（SMOS Operational System，SMOSops）衛(wèi)星是ESA的下一代計劃。為了提高測量精度，SMOSops衛(wèi)星上增加了“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”（GNSS）接收機(jī)（GNSS－R）及X頻段一維綜合孔徑微波輻射計——全極化干涉輻射計（FPIR），用于校正海面粗糙度，提高測量精度。圖2為SMOSops衛(wèi)星示意。

圖2 SMOSops衛(wèi)星示意Fig.2 Sketch map of SMOSops

被動高級合成孔徑單元（PAU－SA）輻射計是ESA在SMOS衛(wèi)星MIRAS系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)和經(jīng)驗上，針對海面鹽度測量提出的一種改進(jìn)型的綜合孔徑輻射計驗證方案，計劃安裝在SMOSops衛(wèi)星上。PAU－SA輻射計上集成了PAU－GNSS－R反射計，用于獲取鹽度測量相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)。PAU－SA輻射計的天線陣結(jié)構(gòu)為Y型，每個臂由8副天線和末端的一個天線模型構(gòu)成，加上中心的1個單元，總共25副天線。此外，天線中間部分的4副天線加上另外的3副天線，組成1個PAU－GNSS－R天線陣列。PAU－GNSS－R通過數(shù)字波束合成（DBF）方式完成對“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”（GNSS）鏡像反射信號的捕獲。圖3為PAU－GNSS－R的天線陣列示意。

圖3 PAU－GNSS－R的天線陣列示意Fig.3 Antenna array of PAU－GNSS－R

2.1.3 SMOSops－H衛(wèi)星

為了進(jìn)一步提高L頻段綜合孔徑微波輻射計的地面分辨率、測量靈敏度及射頻干擾（RFI）抑制能力，ESA還提出一種全新的六邊形陣列形式的綜合孔徑微波輻射計。它由120個單元天線組成，單元間距為L頻段波長的0.767倍，其展開示意如圖4所示，展開后等效口徑為6.5m。

圖4 天線展開示意Fig.4 Sketch map of antenna deployment

SMOSops－H衛(wèi)星與SMOS衛(wèi)星的主要指標(biāo)對比，如表2所示。

表2 SMOSops－H衛(wèi)星與SMOS衛(wèi)星的主要指標(biāo)對比Table 2 Main targets comparison between SMOSops－H and SMOS

2.2 NASA的衛(wèi)星

NASA的Aquarius衛(wèi)星（見圖5）于2011年6月10日發(fā)射升空，用于執(zhí)行觀測全球海面鹽度變化和海洋環(huán)流等科學(xué)任務(wù)。它是NASA和阿根廷航天局的合作項目，巴西、加拿大、法國、意大利等多國航天部門參與。Aquarius衛(wèi)星的設(shè)計指標(biāo)見表3。

圖5 Aquarius衛(wèi)星在軌工作示意Fig.5 Sketch map of Aquarius on orbit

Aquarius衛(wèi)星采用L頻段微波輻射計和L頻段微波散射計聯(lián)合的方式探測鹽度。L頻段微波輻射計具有高性能接收亮溫的能力，采用實孔徑推掃體制，測量幅寬為400km，空間分辨率為100km。L頻段微波散射計測量的海面粗糙度用于修正海面亮溫，內(nèi)波束的分辨率為62km×68km，外波束的分辨率為75km×100km，幅寬約為390km。散射計和輻射計共用帶有3個饋源的推掃式偏置拋物面天線，在時間上交替觀測同一海面區(qū)域。兩者的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲得的鹽度測量數(shù)據(jù)比僅使用輻射計的精度更高［5－6］。

表3 Aquarius衛(wèi)星的設(shè)計指標(biāo)Table 3 Design targets for Aquarius

3 海洋鹽度衛(wèi)星的應(yīng)用情況及分析

3.1 應(yīng)用情況

正式發(fā)布的SMOS衛(wèi)星鹽度測量數(shù)據(jù)第1個版本為V3版，經(jīng)過評估該版本，單次鹽度測量精度為1.2PSU（50km），月平均鹽度測量精度為0.6PSU（100km）。2012年底發(fā)布的V5版，改進(jìn)了L1級亮溫處理方法和L2級鹽度反演算法。V5版的鹽度測量精度較V3版有所提高，全球月平均鹽度測量精度為0.4PSU（100km），在中低緯度，水溫較高的大洋海區(qū)可以達(dá)到0.25PSU（100km）。圖6是SMOS衛(wèi)星鹽度測量數(shù)據(jù)和世界海洋數(shù)據(jù)庫（WOD）［7］鹽度數(shù)據(jù)的差值，從結(jié)果可以得出：在各大洋開闊海域（亞熱帶大西洋、熱帶太平洋、南印度洋、南太平洋），熱帶和亞熱帶鹽度測量精度約為0.3PSU（100km）；在寒冷海域，鹽度測量精度約為0.5PSU（100km）。

自運行以來，Aquarius衛(wèi)星的鹽度測量精度得到了不斷的改善，月平均鹽度測量精度為0.27PSU（100km）。測量誤差從2011年9月數(shù)據(jù)處理軟件1.1版本的1.2PSU（100km）左右，降到2011年11月數(shù)據(jù)處理軟件1.2版本的0.9PSU（100km），再降到2012年3月數(shù)據(jù)處理軟件1.3版本的0.6PSU（100km）；到V2.0版數(shù)據(jù)，月鹽度測量精度為0.3PSU（100km），季度鹽度測量精度為0.27PSU（100km）；目前，V3.0版數(shù)據(jù)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)中低緯度地區(qū)0.2PSU（100km）的鹽度測量精度。圖7是Aquarius衛(wèi)星鹽度測量數(shù)據(jù)和WOD鹽度數(shù)據(jù)的差值，從結(jié)果可以得出：在各大洋開闊海域，熱帶和亞熱帶海域的鹽度測量精度比寒冷海域的高，海陸交接面受到RFI的影響較小。

SMOS衛(wèi)星和Aquarius衛(wèi)星采用2種不同的觀測體制，在技術(shù)上都取得了巨大進(jìn)步。SMOS衛(wèi)星的有效載荷取得的成就包括：①首次在軌驗證了MIRAS技術(shù)在海面鹽度測量中的應(yīng)用能力；②采用二維綜合孔徑探測體制，對目標(biāo)進(jìn)行多入射角探測，顯著地提高了鹽度測量精度和RFI的檢測能力。Aquarius衛(wèi)星的有效載荷取得的成就包括：①實現(xiàn)了高穩(wěn)定度、高靈敏度的輻射計測量技術(shù)；②增加散射計測量海面粗糙度，明顯地提高了鹽度測量精度。

圖6 SMOS衛(wèi)星海面鹽度測量數(shù)據(jù)與WOD鹽度數(shù)據(jù)的差值Fig.6 Sea surface salt difference between SMOS measurement data and WOD data

圖7 Aquarius衛(wèi)星海面鹽度測量數(shù)據(jù)與WOD鹽度數(shù)據(jù)的差值Fig.7 Sea surface salt difference between Aquarius measurement data and WOD data

3.2 存在問題及解決途徑

3.2.1 存在問題

SMOS衛(wèi)星的鹽度測量精度設(shè)計值為月平均0.1PSU（100km），Aquarius衛(wèi)星的設(shè)計值為0.2PSU（100km）。從圖6和圖7的可以看出：2顆衛(wèi)星的鹽度測量精度均未達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，而且在不同觀測區(qū)域誤差分布不同。在45°S～45°N，Aquarius衛(wèi)星鹽度偏差與標(biāo)準(zhǔn)差均小于SMOS衛(wèi)星，Aquarius衛(wèi)星在高緯度地區(qū)反演誤差較大，但SMOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)比Aquarius衛(wèi)星數(shù)據(jù)更能顯示鹽度隨季節(jié)的變化。在中國近海區(qū)域RFI污染嚴(yán)重，南海北部海域沿岸存在多處RFI發(fā)射源，在混疊效應(yīng)的作用下，南海海域內(nèi)大多數(shù)區(qū)域的觀測亮溫均會受到不同程度的污染，嚴(yán)重制約了鹽度測量精度的提高。

綜合衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況，SMOS衛(wèi)星和Aquarius衛(wèi)星存在的問題可總結(jié)為：①2顆衛(wèi)星都未采用校正溫度的同步測量手段；②2顆衛(wèi)星都未能解決L頻段RFI問題，導(dǎo)致部分測量數(shù)據(jù)精度受到影響；③SMOS衛(wèi)星的有效載荷存在系統(tǒng)長時間漂移，且沒有對天線采用溫控技術(shù)，導(dǎo)致觀測的亮溫誤差較大；④Aquarius衛(wèi)星采用實孔徑體制，其空間分辨率低，觀測幅寬小，不能滿足應(yīng)用需求。

3.2.2 解決途徑

（1）采用同步測量手段，包括觀測海面溫度和海面粗糙度，用于提高鹽度探測精度。熱紅外和被動微波遙感均是實現(xiàn)海面溫度觀測的有效手段，也是獲得海面溫度最可靠的數(shù)據(jù)源。采用熱紅外遙感的手段觀測海面溫度，優(yōu)點是觀測精度高，缺點是容易受到天氣等因素的影響；采用被動微波遙感（輻射計）的手段觀測海面溫度，優(yōu)點是不受天氣的影響，缺點是觀測精度不夠。因此，可采用兩者相結(jié)合的方式，獲取同步的海面溫度數(shù)據(jù)。散射計可用于實現(xiàn)海面粗糙度的觀測，由于粗糙度的大小與波長密切相關(guān)，因此可考慮采用與L頻段微波輻射計波長接近的散射計觀測海面粗糙度。

（2）采用高精度、高靈敏度測量手段，提高鹽度測量精度。鹽度測量對輻射測量精度有非常高的要求，須針對有效載荷關(guān)鍵部件開展工程樣機(jī)研制，包括開展大型可展開高精度天線、高穩(wěn)定度低噪聲小型化相關(guān)接收機(jī)、多通道數(shù)字相關(guān)處理后端、內(nèi)部定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵單機(jī)。高穩(wěn)定度、低噪聲、小型化相關(guān)接收機(jī)要求相關(guān)接收機(jī)具備相關(guān)接收能力，并且能滿足多通道間±5°相位、±0.5dB幅度的一致性要求。多通道數(shù)字相關(guān)處理后端要能完成多路中頻信號接收，完成上萬次相關(guān)處理，具備RFI抑制功能，因此要求其多路接收相位一致性優(yōu)于±1°、幅度優(yōu)于±0.5dB，以及具備相應(yīng)算法的處理能力。

（3）采用多種RFI檢測抑制手段，降低RFI對L頻段觀測鹽度精度的影響。RFI對鹽度測量精度的影響來自2個方面：①陸地強(qiáng)干擾源通過旁瓣污染近岸海洋視場；②海洋上也存在少量來自船舶的RFI干擾源?？梢酝ㄟ^多入射角識別RFI干擾，同時使用數(shù)字相關(guān)器實現(xiàn)頻譜細(xì)分功能，用于檢測RFI信號。

4 未來趨勢

海洋鹽度探測衛(wèi)星的鹽度測量數(shù)據(jù)具有巨大的應(yīng)用需求及應(yīng)用潛力，屬于國際熱點和前沿問題。當(dāng)前，星載海洋鹽度探測技術(shù)仍然處于研究階段，探測手段及反演方法尚未完全成熟。通過分析國外海洋鹽度探測衛(wèi)星的應(yīng)用情況和后續(xù)計劃，本文總結(jié)海洋鹽度探測衛(wèi)星的發(fā)展趨勢如下。

（1）海洋鹽度反演與遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)。根據(jù)輻射傳輸理論，L頻段微波輻射計觀測到的亮溫，除受海面鹽度影響外，還受海面溫度、海面粗糙度、大氣輻射、宇宙背景輻射等其他因素影響。鹽度反演涉及到亮溫模型、反演算法以及迭代的邊界條件等一系列問題，目前仍然屬于國際上的熱點和難點問題。通過探測機(jī)理研究和系統(tǒng)仿真研究，要重點突破海面粗糙度修正技術(shù)、大氣輻射修正技術(shù)、宇宙背景輻射修正技術(shù)，開展海面溫度測量誤差影響研究和海水介電常數(shù)模型改進(jìn)研究，并以模型輸出為基礎(chǔ)研發(fā)海洋鹽度反演算法。

（2）海洋鹽度測量高精度外定標(biāo)技術(shù)。測量鹽度的有效載荷（如輻射計）要實現(xiàn)全天時工作，因此定標(biāo)過程中應(yīng)考慮各種因素，如大氣溫度、大氣濕度、大氣上行輻射等。輻射計在軌長期工作時，其不穩(wěn)定性及周邊環(huán)境等因素的影響，都會導(dǎo)致所測亮溫出現(xiàn)誤差，進(jìn)而影響測量精度。因此，要開展海洋鹽度探測衛(wèi)星定標(biāo)中關(guān)鍵技術(shù)的研究，通過機(jī)載鹽度計觀測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)／船只實測匹配數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等多種手段，研究制定業(yè)務(wù)化的輻射計外定標(biāo)工作方案，并研究業(yè)務(wù)化輻射計外定標(biāo)算法。

（3）熱控技術(shù)。高精度海洋鹽度的測量依賴于L頻段接收機(jī)的高精度、高穩(wěn)定度，因而對各路接收機(jī)在軌的溫度一致性及溫度穩(wěn)定性提出了很高的要求。接收機(jī)暴露在星體外部，在復(fù)雜的空間外熱流條件下實現(xiàn)在軌溫度穩(wěn)定具有一定的技術(shù)難度，尤其是有效載荷在軌冷空定標(biāo)模式下，相對于一般的機(jī)動側(cè)擺，空間外熱流變化大，將進(jìn)一步增大高精度、高穩(wěn)定性溫控難度，因此高效的熱控技術(shù)是接收機(jī)高精度和高穩(wěn)定性的重要保障，也是影響整星成敗的重要影響因素，應(yīng)開展相關(guān)的研究工作。

（References）

［1］唐治華.國外海洋鹽度與土壤濕度探測衛(wèi)星的發(fā)展［J］.航天器工程，2013，22（3）：83－89 Tang Zhihua.Study on foreign ocean salinity and soil moisture detector satellite［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（3）：83－89（in Chinese）

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（編輯：夏光）

Development Status and Trends of Sea Surface Salt Satellite

YIN Xiaojun ZHANG Qingjun WANG Rui ZHANG Huan
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The paper investigates ESA’s SMOS satellite and its future plans，and NASA’s Aquarius satellite.The actual applications of the two satellites are analyzed，and the results show that the Aquarius’s data is more accurate than those of SMOS in low latitudes but is worse in other area.The two satellites have flaws which include shortage of synchronous observation method and existing of RFI（RF interference）.To solve the problems this paper puts forward some methods，such as increasing synchronous observation and detecting RFI.In the end the paper summarizes the trends of sea surface salt satellite which include the techniques of radiometer retrieve and remote sensing date preprocessing，high accuracy calibration and thermal control.

sea surface salt satellite；SMOS；Aquarius；synchronous measurement；RFI

V474.2

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.016

2015－04－07；

：2015－06－18

國家自然科學(xué)基金（Y35011101B）

殷小軍，男，工程師，從事衛(wèi)星有效載荷總體設(shè)計工作。Email：yinxj＠lzb.ac.cn。