[科普中国]-土壤湿度和海洋盐度卫星

任务

欧洲航天局称,该卫星能精确地描绘出水在陆地、海洋表面及大气层间的交换情况,至少每3d绘出一幅地球土壤湿度图,每30d绘出一幅海水含盐量图。科研人员可根据这些数据研究土壤湿度和海洋盐度的变化过程及对地球天气的影响,从而提高气候变化及极端自然现象预测的准确性,并了解地球冰层的情况。此外,在中短期天气预报、农业以及水资源管理等方面,这些数据也具有重要的应用价值。

携带设备Smos携带了一台展开直径约为8m、外形类似直升机螺旋桨的综合孔径微波成像辐射计,整套系统采用折叠的方式置于火箭之中。这台名为Miras的科学仪器能通过对地球表面微波变化的观测确定地球土壤的湿度和海水的盐度。1

土壤湿度和海洋盐度研究卫星上装备了一台先进的综合孔径微波成像辐射计，它能够为地球拍摄“亮度温度”的快照。在这些数据的基础上，专家们每隔3天就能绘制出一幅土壤湿度的地图，每隔30天完成一幅海洋盐度的示意图。通过对比不同时期的图像，研究人员将可以更好地了解土壤湿度和海洋盐度的变化过程及对地球天气的影响，进一步改善此前建立的气候模型；此外，这些数据还可用于农业和水资源管理。2

意义欧洲航天局局长让·雅克·窦丹称，这不只是一次普通的卫星发射，而是一次重要的事件。作为世界最主要的几个航天机构之一，欧洲航天局正致力于加强对地球科学以及气候变化问题的研究。

据了解，Smos是欧洲航天局地球探测项目的一个组成部分，该项目旨在研究地球大气层、生物圈、水圈、地球的内部结构及人类活动对这些自然现象的影响，并力图通过研究对当前人们所普遍担忧的全球变暖等环境问题作出解释。整个项目计划由8颗卫星组成，首颗卫星——地球重力场和海洋环流探测卫星（Goce）已于今年3月17日被成功送入轨道，其主要任务是绘制地球表面引力变化图。Smos是该项目的第二颗卫星，由法国公司制造，重658千克，设计使用寿命为3年。Smos项目耗资3150万欧元（4650万美元），主要投资方来自于法国和西班牙。1

型号参数轨道高度/km：755

分辨率/km：30～50

幅宽/km：900

重访周期/d：3～7

盐度测量灵敏度/K：2.5

单次盐度测量精度：1.2PSU（50km）

月平均盐度测量精度：0.1PSU（200km）

设计寿命/年：3～53

应用现状正式发布的SMOS卫星盐度测量数据第1个版本为V3版，经过评估该版本，单次盐度测量精度为1.2PSU（50km），月平均盐度测量精度为0.6PSU（100km）。2012年底发布的V5版，改进了L1级亮温处理方法和L2级盐度反演算法。V5版的盐度测量精度较V3版有所提高，全球月平均盐度测量精度为0.4PSU（100km），在中低纬度，水温较高的大洋海区可以达到0.25PSU（100km）。

自运行以来，Aquarius卫星的盐度测量精度得到了不断的改善，月平均盐度测量精度为0.27PSU（100km）。测量误差从2011年9月数据处理软件1.1版本的1.2PSU（100km）左右，降到2011年11月数据处理软件1.2版本的0.9PSU（100km），再降到2012年3月数据处理软件1.3版本的0.6PSU（100km）。

SMOS卫星和Aquarius卫星采用2种不同的观测体制，在技术上都取得了巨大进步。SMOS卫星的有效载荷取得的成就包括：①首次在轨验证了MIRAS技术在海面盐度测量中的应用能力；②采用二维综合孔径探测体制，对目标进行多入射角探测，显著地提高了盐度测量精度和RFI的检测能力。Aquarius卫星的有效载荷取得的成就包括：①实现了高稳定度、高灵敏度的辐射计测量技术；②增加散射计测量海面粗糙度，明显地提高了盐度测量精度。3

存在问题SMOS卫星的盐度测量精度设计值为月平均0.1PSU（100km），Aquarius卫星的设计值为0.2PSU（100km）。2颗卫星的盐度测量精度均未达到设计指标，而且在不同观测区域误差分布不同。在45°S～45°N，Aquarius卫星盐度偏差与标准差均小于SMOS卫星，Aquarius卫星在高纬度地区反演误差较大，但SMOS卫星数据比Aquarius卫星数据更能显示盐度随季节的变化。在中国近海区域RFI污染严重，南海北部海域沿岸存在多处FRI发射源，在混叠效应的作用下，南海海域内大多数区域的观测亮温均会受到不同程度的污染，严重制约了盐度测量精度的提高。

综合卫星数据的应用情况，SMOS 卫星和Aquarius卫星存在的问题可总结为：①2颗卫星都未采用校正温度的同步测量手段；②2颗卫星都未能解决L频段RFI问题，导致部分测量数据精度受到影响；③SMOS卫星的有效载荷存在系统长时间漂移，且没有对天线采用温控技术，导致观测的亮温误差较大；Aquarius卫星采用实孔径体制，其空间分辨率低，观测幅宽小，不能满足应用需求。3

解决途径（1）采用同步测量手段，包括观测海面温度和海面粗糙度，用于提高盐度探测精度。热红外和被动微波遥感均是实现海面温度观测的有效手段，也是获得海面温度最可靠的数据源。采用热红外遥感的手段观测海面温度，优点是观测精度高，缺点是容易受到天气等因素的影响；采用被动微波遥感（辐射计）的手段观测海面温度，优点是不受天气的影响，缺点是观测精度不够。因此，可采用两者相结合的方式，获取同步的海面温度数据。散射计可用于实现海面粗糙度的观测，由于粗糙度的大小与波长密切相关，因此可考虑采用与L频段微波辐射计波长接近的散射计观测海面粗糙度。

（2）采用高精度、高灵敏度测量手段，提高盐度测量精度。盐度测量对辐射测量精度有非常高的要求，须针对有效载荷关键部件开展工程样机研制，包括开展大型可展开高精度天线、高稳定度低噪声小型化相关接收机、多通道数字相关处理后端、内部定标网络等关键单机。高稳定度、低噪声、小型化相关接收机要求相关接收机具备相关接收能力，并且能满足多通道间±5°相位、±0.5dB幅度的一致性要求。多通道数字相关处理后端要能完成多路中频信号接收，完成上万次相关处理，具备RFI抑制功能，因此要求其多路接收相位一致性优于±1°、幅度优于±0.5dB，以及具备相应算法的处理能力。

（3）采用多种RFI检测抑制手段，降低RFI对L频段观测盐度精度的影响。RFI对盐度测量精度的影响来自2个方面：①陆地强干扰源通过旁瓣污染近岸海洋视场；②海洋上也存在少量来自船舶的RFI干扰源。可以通过多入射角识别RFI干扰，同时使用数字相关器实现频谱细分功能，用于检测RFI信号。3

未来趋势海洋盐度探测卫星的盐度测量数据具有巨大的应用需求及应用潜力，属于国际热点和前沿问题。当前，星载海洋盐度探测技术仍然处于研究阶段，探测手段及反演方法尚未完全成熟。通过分析国外海洋盐度探测卫星的应用情况和后续计划，海洋盐度探测卫星的发展趋势如下。

（1）海洋盐度反演与遥感数据预处理技术。根据辐射传输理论，L频段微波辐射计观测到的亮温，除受海面盐度影响外，还受海面温度、海面粗糙度、大气辐射、宇宙背景辐射等其他因素影响。盐度反演涉及到亮温模型、反演算法以及迭代的边界条件等一系列问题，目前仍然属于国际上的热点和难点问题。通过探测机理研究和系统仿真研究，要重点突破海面粗糙度修正技术、大气辐射修正技术、宇宙背景辐射修正技术，开展海面温度测量误差影响研究和海水介电常数模型改进研究，并以模型输出为基础研发海洋盐度反演算法。

（2）海洋盐度测量高精度外定标技术。测量盐度的有效载荷（如辐射计）要实现全天时工作，因此定标过程中应考虑各种因素，如大气温度、大气湿度、大气上行辐射等。辐射计在轨长期工作时，其不稳定性及周边环境等因素的影响，都会导致所测亮温出现误差，进而影响测量精度。因此，要开展海洋盐度探测卫星定标中关键技术的研究，通过机载盐度计观测数据、浮标/船只实测匹配数据、模型数据、仿真数据等多种手段，研究制定业务化的辐射计外定标工作方案，并研究业务化辐射计外定标算法。

（3）热控技术。高精度海洋盐度的测量依赖于L频段接收机的高精度、高稳定度，因而对各路接收机在轨的温度一致性及温度稳定性提出了很高的要求。接收机暴露在星体外部，在复杂的空间外热流条件下实现在轨温度稳定具有一定的技术难度，尤其是有效载荷在轨冷空定标模式下，相对于一般的机动侧摆，空间外热流变化大，将进一步增大高精度、高稳定性温控难度，因此高效的热控技术是接收机高精度和高稳定性的重要保障，也是影响整星成败的重要影响因素，应开展相关的研究工作。3