劉 博,甘薇薇,任鳳杰

(1.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院,江蘇 南京 211101;2.云南大學(xué)大氣科學(xué)系,云南 昆明 650091)

Jason-1海洋地形衛(wèi)星介紹

劉 博1,甘薇薇2,任鳳杰1

(1.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院,江蘇 南京 211101;2.云南大學(xué)大氣科學(xué)系,云南 昆明 650091)

該文主要介紹了雷達(dá)高度計的工作原理、Jason-1衛(wèi)星的儀器設(shè)備和運行軌道以及 Jason-1衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況。

衛(wèi)星雷達(dá)高度計;海面高度;Jason-1

1 引言

在類型眾多的海洋遙感衛(wèi)星中,按照衛(wèi)星在海洋遙感中的用途可以分為:海洋水色衛(wèi)星、海洋地形衛(wèi)星和海洋動力環(huán)境衛(wèi)星[1]。

海洋地形衛(wèi)星主要是通過衛(wèi)星上搭載的雷達(dá)高度計對海平面高度的空間分布進(jìn)行探測。Jason-1衛(wèi)星則代表了當(dāng)今海洋地形衛(wèi)星的最高水平。它于美國東部時間 2001年 12月 7日在美國加利福尼亞州范登堡空軍基地 (Vandenberg Air Force Base)用美國波音公司的 Dual DeltaⅡ火箭成功發(fā)射升空。衛(wèi)星在遠(yuǎn)海海域海面高度的測量精度達(dá)到 2～3cm,風(fēng)速為 1.5m/s。其主要任務(wù)包括:①增強 21世紀(jì)探測全球海面地形的能力;②提供連續(xù)5a以上的全球海面觀測資料;③增加對海洋環(huán)流的認(rèn)識;④改進(jìn)氣象預(yù)報水平;⑤改進(jìn)現(xiàn)有的潮汐模型;⑥提供海面有效波高和風(fēng)速資料。衛(wèi)星在軌運行中,NASA負(fù)責(zé)衛(wèi)星的控制及其所提供的儀器設(shè)備的運轉(zhuǎn),CNES負(fù)責(zé) Poseidon-2雷達(dá)高度計、DOR IS測軌系統(tǒng)的多功能高度測量中心的運轉(zhuǎn)以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理[2]。目前,Jason-1衛(wèi)星已經(jīng)在軌運行近十年,其高精度觀測資料已經(jīng)被世界各國的科學(xué)家們應(yīng)用在多個學(xué)科領(lǐng)域,并取得了很多令人滿意的成果。

2 雷達(dá)高度計工作原理

衛(wèi)星雷達(dá)高度計的設(shè)計觀測目標(biāo)是開闊的遠(yuǎn)海海域,下面就以開闊的遠(yuǎn)海海域為例研究雷達(dá)高度計的測高原理。通常雷達(dá)高度計由發(fā)射機、接收機、時間系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。它測量海面高度的基本工作原理為:發(fā)射機垂直向下發(fā)射雷達(dá)脈沖信號,經(jīng)過海面的反射后被接收天線接收,通過測量雷達(dá)脈沖信號發(fā)射時間與接收時間的時間差以及回波波形,即可計算出衛(wèi)星到海面的距離,該距離相當(dāng)于星下點半徑約為 3～5 km圓形面積內(nèi)海面的平均距離[3]。

圖 1 衛(wèi)星雷達(dá)高度計測高原理示意圖[4]

圖 1是高度計測高原理示意圖。圖中包括 3個重要的曲面:

①參考橢球面:參考橢球面是一個理想化的數(shù)學(xué)曲面,由于萬有引力和慣性離心力的作用,在靜止大氣層覆蓋下靜止的水體表面,可近似視為一個長軸在赤道方向的雙軸旋轉(zhuǎn)橢球體,并以此作為實際海平面的零級近似。

設(shè)雷達(dá)高度計測量脈沖信號發(fā)射時間與接收時間的時間差為△t,則衛(wèi)星到海面的距離 h為:

式中,c為光速。

則星下點的海面高度 SSH為:

式中,A為衛(wèi)星的軌道高度,它是相對于參考橢球面的高度。因此,由 (2)式計算出的 SSH是相對于參考橢球面的海面高度。

在此基礎(chǔ)上,再對 SSH進(jìn)行各種誤差修正即可得到精確的海面高度。各種誤差修正包括:軌道誤差修正 horbit、儀器誤差修正 hins、大氣誤差修正 hato、海況修正 hss、海洋潮汐修正 htide等。用公式表示為:

另外,SSHT與大地水準(zhǔn)面 hgeoid和海洋動力高度hdynamic有如下關(guān)系:

式中,hgeoid可以由大地水準(zhǔn)面模型計算出來,并且隨著重力衛(wèi)星的發(fā)射,模型越來越準(zhǔn)確。因此,根據(jù)以上各式就可以計算出海洋動力高度 hdynamic,它可以用于研究大洋環(huán)流、中尺度渦旋以及其他海洋動力學(xué)方面的問題。

3 Jason-1衛(wèi)星儀器設(shè)備

Jason-1衛(wèi)星總重量為 500 kg,有效載荷 120 kg,首次使用法國阿爾卡特 PROTEUS多功能微型平臺,共搭載了 5臺科學(xué)儀器,包括:雙頻固態(tài)星載雷達(dá)高度計 (Poseidon-2),是 Jason-1衛(wèi)星的主要載荷;三通道微波輻射計 (JMR),用于測量大氣中的水汽含量,為雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)進(jìn)行水汽修正;3臺用于精確定軌的儀器:多普勒地球軌道和無線電定位系統(tǒng) (DOR IS)、激光反射陣列 (LRA)和全球定位系統(tǒng)接收器 (TRSR)[2]。

作為 Jason-1衛(wèi)星的主要載荷,Poseidon-2雷達(dá)高度計由 CNES研制,是 Poseidon-1雷達(dá)高度計的改進(jìn)型,保留并繼承了它的全部優(yōu)點,采用雙頻技術(shù),工作頻率為 13.575 GHz(Ku波段)和 5.3 GHz(C波段)。Poseidon-2采用小型化設(shè)計,降低了體積、質(zhì)量和功耗。主要用于測量海面高度、風(fēng)速、有效波高以及電離層改正量。表 1為 Poseidon-2雷達(dá)高度計的主要技術(shù)參數(shù)。為了同步測量對流層的水汽分布,對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行水汽修正,Jason-1衛(wèi)星搭載了三通道微波輻射計(Jason-1 Microwave Radiometer,JMR)用于測量大氣中的水汽含量。JMR由 NASA研制,是被動式微波測量儀,工作頻率為 18.7GHz、23.8GHz和34GHz。其中,23.8GHz為主要通道,用于測量水汽含量,18.7GHz和 34 GHz分別用于修正風(fēng)和云中液態(tài)水的影響。將 3個通道的測量值聯(lián)合計算,可以得到水汽對脈沖信號的延遲誤差。

表 1 Poseidon-2雷達(dá)高度計主要技術(shù)參數(shù)

衛(wèi)星軌道誤差在衛(wèi)星測高誤差中占主導(dǎo)地位,因此,為了進(jìn)行軌道誤差修正,在 Jason-1衛(wèi)星上,搭載有 3臺用于精確定軌的儀器:多普勒地球軌道和無線電定位系統(tǒng) (DOR IS)、激光反射陣列 (LRA)和全球定位系統(tǒng)接收器 (TRSR)。其中,DOR IS和LRA由 CNES研制,TRSR由 NASA研制。DOR IS(Doppler Orbitography and Radiopositioning by Satellite)使用雙頻 (401.25 MHz和 2 036.25 MHz)接收器接收全球?qū)⒔?50個地面臺站發(fā)射的信號,根據(jù)多普勒頻移計算出衛(wèi)星運行的速度,進(jìn)而進(jìn)行精確定軌。另外,DOR IS還可以測量電離層電子含量,為雷達(dá)高度計進(jìn)行電離層誤差修正。LRA(Laser RetroreflectorArray)由一系列鏡子組成,安裝在衛(wèi)星底部,雷達(dá)高度計的天線旁,通過反射分布在全球的10～15個地面衛(wèi)星激光測距站發(fā)射的信號進(jìn)行衛(wèi)星精確定軌。但是LRA存在一定的缺陷,一是全球地面衛(wèi)星激光測距站數(shù)目較少,二是激光束受天氣影響較為嚴(yán)重。在經(jīng)過了 Topex/Poseidon衛(wèi)星的試驗后,證明了 GPS定軌的可行性。隨后,作為一種精確定軌的手段,TRSR(Turbo Rogue Space Receiver)被安裝在 Jason-1衛(wèi)星上。它在用于精確定軌的同時,還被用于改進(jìn)重力場模型。

4 Jason-1衛(wèi)星軌道

作為 Topex/Poseidon衛(wèi)星的后續(xù)衛(wèi)星,Jason-1衛(wèi)星的各項參數(shù)基本上都與 Topex/Poseidon衛(wèi)星相同,運行的軌道也相同。軌道高度為 1 336 km,此高度可以減小大氣阻力和重力場的影響,有利于提高定軌精度。軌道類型為太陽同步圓形軌道,傾角為66°,能夠覆蓋全球海洋面積的 90%。軌道重復(fù)周期為 9.9 d,這是在考慮了時間分辨率、空間分辨率和潮汐混迭而確定的折中方案。另外,使用和Topex/Poseidon衛(wèi)星相同的軌道還可以保證數(shù)據(jù)的延續(xù)性和精確定軌的便利。Jason-1衛(wèi)星軌道經(jīng)過兩個專門的地面校準(zhǔn)站:一個位于法國科西嘉島(8°48′E,41°34′N,85號升軌 ),另一個位于美國加利福尼亞 (239°19′E,34°28′N,43號升軌 )。

由于受到大氣阻力的影響,衛(wèi)星軌道會緩慢下落,同時,衛(wèi)星還長期受到不均勻地球重力場、太陽輻射壓以及其他較小引力等的影響產(chǎn)生準(zhǔn)周期變動。因此,需要每 40～200 d對衛(wèi)星軌道進(jìn)行一次調(diào)整。每次調(diào)整的間隔時間主要是根據(jù)太陽輻射通量及其對大氣的影響來決定,調(diào)整時間一般安排在一周期快要結(jié)束并且飛越陸地的時候。在進(jìn)行衛(wèi)星軌道調(diào)整期間,衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)不向一般用戶公開。

5 具體應(yīng)用

Jason-1衛(wèi)星的主要載荷是 Poseidon-2雷達(dá)高度計,它主要是用于對海平面高度、有效波高、風(fēng)速的測量,可用于海洋動力參數(shù)的計算。但是,在短短的 30多年間,其研究和應(yīng)用卻遍布了與海洋動力高度相關(guān)的一切領(lǐng)域,而且隨著衛(wèi)星測高資料的不斷豐富,最新成果不斷出現(xiàn),研究和應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展和深化,包括:大地測量和地球物理學(xué)、陸地冰原和海冰、氣候?qū)W、水文地理學(xué)等[5,6]。現(xiàn)在,雷達(dá)高度計資料的用戶遍及全世界各地,從他們使用資料的情況可以看出,雷達(dá)高度計是一個卓有成效的科學(xué)儀器,非常有潛力。

對海洋的觀測是高度計的主要任務(wù),基本的應(yīng)用還是基于:海平面高度、有效波高、風(fēng)速這 3個觀測量。海面高度資料可以直接用來研究海平面變化和全球氣候變化,還可以用來反演海洋動力學(xué)參數(shù)和大地測量學(xué)參數(shù)等。海面風(fēng)速和有效波高資料為研究風(fēng)浪和涌浪的生成機制和成長過程提供了寶貴的數(shù)據(jù)。有效波高還可以對高度計海面風(fēng)速模式函數(shù)進(jìn)行修正,從而改善其反演精度。風(fēng)速和有效波高資料還可以經(jīng)過數(shù)據(jù)同化進(jìn)入預(yù)報模式,有效地提高海洋預(yù)報的準(zhǔn)確性。衛(wèi)星雷達(dá)高度計投入業(yè)務(wù)化運行以來,已經(jīng)積累了 10多年的全球海洋風(fēng)候和波候資料,對于遠(yuǎn)洋導(dǎo)航具有十分重要的價值,它有助于船只避開風(fēng)暴選擇安全經(jīng)濟的航線。利用這些資料還可以分析極端海況出現(xiàn)的概率和頻率為石油鉆井平臺和其他海岸工程的選址提供科學(xué)依據(jù)。

早期的高度計任務(wù)僅僅是針對開闊海洋和冰面的探測,隨著技術(shù)的進(jìn)步和科學(xué)研究的深入,有人開始將高度計測高應(yīng)用到對內(nèi)陸湖泊和河流水位的監(jiān)測上。在一些難以直接設(shè)置水文站監(jiān)測水位變化的地區(qū)來說,高度計提供了另一種有效的監(jiān)測手段。例如對亞馬遜河的監(jiān)測,在非常廣闊的流域里僅僅分布了稀少的水文站,而且數(shù)據(jù)的時效性也不強,這就難以及時監(jiān)測亞馬遜河的水文情況。高度計監(jiān)測內(nèi)陸水域的能力為監(jiān)測亞馬遜河提供了一種新的手段。最近十多年,這已經(jīng)成為高度計應(yīng)用的一個新的研究重點。

6 總結(jié)

隨著人類對海洋能源需求的不斷增加,對海洋的探索也在不斷深入,作為一種非常有效的海洋探測儀器,以 Jason-1衛(wèi)星為代表的海洋地形衛(wèi)星將會提供更多、時間序列更長、精度更高的觀測數(shù)據(jù),為人類探索未知的海洋世界做出更多的貢獻(xiàn)。

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[2] Rosmorduc V,Benveniste J,LauretO,et al.RadarAltimetry Tutorial[R].CNES,2009.

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P414.4

B

1003-6598(2011)01-0042-03

2010-11-02

劉博 (1986-),男,在讀項士研究生,主要從事衛(wèi)星遙感同化工作。