劉 博,甘薇薇,任鳳杰

(1.解放軍理工大學氣象學院,江蘇 南京 211101;2.云南大學大氣科學系,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.解放軍理工大學氣象學院,江蘇 南京 211101;2.云南大學大氣科學系,云南 昆明 650091)

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

衛(wèi)星雷達高度計;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)星上搭載的雷達高度計對海平面高度的空間分布進行探測。Jason-1衛(wèi)星則代表了當今海洋地形衛(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)星在遠海海域海面高度的測量精度達到 2～3cm,風速為 1.5m/s。其主要任務包括:①增強 21世紀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)流的認識;④改進氣象預報水平;⑤改進現(xiàn)有的潮汐模型;⑥提供海面有效波高和風速資料。衛(wèi)星在軌運行中,NASA負責衛(wèi)星的控制及其所提供的儀器設備的運轉(zhuǎn),CNES負責 Poseidon-2雷達高度計、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)被世界各國的科學家們應用在多個學科領域,并取得了很多令人滿意的成果。

2 雷達高度計工作原理

衛(wèi)星雷達高度計的設計觀測目標是開闊的遠海海域,下面就以開闊的遠海海域為例研究雷達高度計的測高原理。通常雷達高度計由發(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。

設雷達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。

在此基礎上,再對 SSH進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與大地水準面 hgeoid和海洋動力高度hdynamic有如下關系:

式中,hgeoid可以由大地水準面模型計算出來,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方面的問題。

3 Jason-1衛(wèi)星儀器設備

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臺科學儀器,包括:雙頻固態(tài)星載雷達高度計 (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,為雷達高度計數(shù)據(jù)進行水汽修正;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雷達高度計由 CNES研制,是 Poseidon-1雷達高度計的改進型,保留并繼承了它的全部優(yōu)點,采用雙頻技術,工作頻率為 13.575 GHz(Ku波段)和 5.3 GHz(C波段)。Poseidon-2采用小型化設計,降低了體積、質(zhì)量和功耗。主要用于測量海面高度、風速、有效波高以及電離層改正量。表 1為 Poseidon-2雷達高度計的主要技術參數(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雷達高度計主要技術參數(shù)

衛(wèi)星軌道誤差在衛(wèi)星測高誤差中占主導地位,因此,為了進行軌道誤差修正,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,進而進行精確定軌。另外,DOR IS還可以測量電離層電子含量,為雷達高度計進行電離層誤差修正。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)生準周期變動。因此,需要每 40～200 d對衛(wèi)星軌道進行一次調(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 具體應用

Jason-1衛(wèi)星的主要載荷是 Poseidon-2雷達高度計,它主要是用于對海平面高度、有效波高、風速的測量,可用于海洋動力參數(shù)的計算。但是,在短短的 30多年間,其研究和應用卻遍布了與海洋動力高度相關的一切領域,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),研究和應用領域不斷拓展和深化,包括:大地測量和地球物理學、陸地冰原和海冰、氣候?qū)W、水文地理學等[5,6]?，F(xiàn)在,雷達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,雷達高度計是一個卓有成效的科學儀器,非常有潛力。

對海洋的觀測是高度計的主要任務,基本的應用還是基于:海平面高度、有效波高、風速這 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參數(shù)和大地測量學參數(shù)等。海面風速和有效波高資料為研究風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速模式函數(shù)進行修正,從而改善其反演精度。風速和有效波高資料還可以經(jīng)過數(shù)據(jù)同化進入預報模式,有效地提高海洋預報的準確性。衛(wèi)星雷達高度計投入業(yè)務化運行以來,已經(jīng)積累了 10多年的全球海洋風候和波候資料,對于遠洋導航具有十分重要的價值,它有助于船只避開風暴選擇安全經(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依據(jù)。

早期的高度計任務僅僅是針對開闊海洋和冰面的探測,隨著技術的進步和科學研究的深入,有人開始將高度計測高應用到對內(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。

[1] 劉良明 .衛(wèi)星海洋遙感導論[M].武漢:武漢大學出版社,2005.

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

[3] 王廣運,王海瑛,許國昌 .衛(wèi)星測高原理[M].北京:科學出版社,1995.

[4] 馮士筰,李鳳岐,李少菁 .海洋科學導論[M].北京:高等教育出版社,2003.

[5] Picaut J E,Hackert A J,Busalacchi R,et al.Mechanis ms of the 1997-1998 ElNino-LaNina,as inferred from space-based observations[J].Journalof GeophysicalResearch,2002,107(C5):3 037-3 054.

[6] Birkett,C.M..Contribution of the TOPEX NASA radar altimeter to the global monitoring of large rivers and wetlands[J].Water Resour.Res.,1998,34(5):1223-1239.

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。