“薩拉爾”海洋監(jiān)測(cè)衛(wèi)星即將升空

2012年第4季度，法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）和印度空間研究組織（ISRO）聯(lián)合研制的“薩拉爾”（SARAL）海洋監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，將利用印度“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”（PSLV）發(fā)射。該衛(wèi)星旨在對(duì)全球海洋表面高度、有效波高度和風(fēng)速進(jìn)行全球范圍的精確、不間斷測(cè)量，進(jìn)而提升海洋學(xué)研究水平，以及對(duì)全球氣候變化的分析和預(yù)報(bào)能力。

1 研發(fā)背景

近年來，全球氣候出現(xiàn)明顯異常，各類極端天氣時(shí)有發(fā)生，引發(fā)各國(guó)政府和國(guó)際組織高度關(guān)注。由于海洋面積占地球表面面積的71%左右，海洋的變化與全球氣候演變密切相關(guān)，因此，對(duì)海洋與全球氣候之間互動(dòng)變化的研究也成為當(dāng)今各類學(xué)科研究的核心內(nèi)容和前沿之一。除派遣科考船赴當(dāng)?shù)睾Ｓ?、放置專業(yè)浮標(biāo)及儀器等手段外，星基海洋觀測(cè)正憑借其觀測(cè)范圍廣、采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢(shì)，逐步成為各國(guó)加強(qiáng)氣象及海洋研究的不可或缺的重要手段。對(duì)于研究大面積的海洋動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，提高海洋水文、氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，開發(fā)海洋資源，發(fā)展海運(yùn)事業(yè)和沿岸及近海工程建設(shè)，以及監(jiān)測(cè)海洋污染等都具有重要意義。

自美國(guó)1978年6月22日發(fā)射世界首顆海洋衛(wèi)星—海星－A（Seasat－A）后，俄羅斯、日本、印度及歐洲等國(guó)家和組織也相繼發(fā)射了比較專業(yè)的海洋監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，如“托佩克斯-海神”（Topex-Poseidon）、“賈森”（JASON）等，中國(guó)臺(tái)灣則在1999－2006年陸續(xù)發(fā)射了3顆“中華衛(wèi)星”（ROCSAT，后改名為“福衛(wèi)”），藉此加強(qiáng)其海洋和氣象監(jiān)測(cè)能力。而作為歐洲傳統(tǒng)航天強(qiáng)國(guó)的法國(guó)，一方面致力于提升自研的“斯波特”（SPOT）系列遙感衛(wèi)星、“太陽(yáng)神”（Helios）系列光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的性能，另一方面則積極推動(dòng)與中國(guó)、以色列、印度和歐美等國(guó)在航天領(lǐng)域的技術(shù)合作，并參與了包括“薩拉爾”、“哨兵”（Sentinel）、賈森－2等多顆有關(guān)海洋及氣象領(lǐng)域的衛(wèi)星研發(fā)活動(dòng)。而“薩拉爾”衛(wèi)星正是其參與和建造的最新型海洋監(jiān)測(cè)衛(wèi)星代表之一。

2 衛(wèi)星概況

“薩拉爾”衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)可應(yīng)用于多個(gè)研究領(lǐng)域，特別是海洋學(xué)和大氣學(xué)，該衛(wèi)星所獲取的數(shù)據(jù)還將與2008年部署的賈森－2衛(wèi)星和“哨兵”系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和互補(bǔ)，借此提高數(shù)據(jù)精確度和氣候模型重建準(zhǔn)確度。

2007年2月23日，法印雙方簽署了有關(guān)“薩拉爾”項(xiàng)目的諒解備忘錄。根據(jù)協(xié)議，法國(guó)國(guó)家空間研究中心主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星有效載荷的研發(fā)、數(shù)據(jù)接收和處理，印度則負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺(tái)建造，衛(wèi)星的發(fā)射和飛行控制等。2012年4月26日，印度空間研究組織正式宣布，將于2012年第4季度在印度薩迪什-達(dá)萬(wàn)航天中心（SDSC）利用極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭 C－20發(fā)射“薩拉爾”等多顆衛(wèi)星。

“薩拉爾”衛(wèi)星在海洋、氣候等領(lǐng)域的應(yīng)用情況

衛(wèi)星基本結(jié)構(gòu)

“薩拉爾”衛(wèi)星基于印度微小衛(wèi)星－2（INDIAN MICRO SATELLITE－2）平臺(tái)建造，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制，衛(wèi)星總質(zhì)量約450kg，其中有效載荷約200kg，設(shè)計(jì)壽命為3～5年。衛(wèi)星尺寸為0.98m×0.98m×2.6m，有效載荷由法國(guó)國(guó)家空間研究中心研制。根據(jù)設(shè)計(jì)，“薩拉爾”衛(wèi)星將進(jìn)入高度為800km的太陽(yáng)同步軌道，軌道傾角約98°，軌道周期35天。為避免衛(wèi)星在軌工作時(shí)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，衛(wèi)星平臺(tái)各個(gè)面板的連接處均采用了高強(qiáng)度的固定螺栓。衛(wèi)星子系統(tǒng)包括姿態(tài)和軌道控制（AOCS）、遙測(cè)與跟蹤（TT&C）、電力系統(tǒng)（EPS）等，電力系統(tǒng)包括2副太陽(yáng)電池翼和1組容量18A·h的鋰離子電池。

印度“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”掠影

研制中的“薩拉爾”衛(wèi)星

“薩拉爾”衛(wèi)星主要技術(shù)性能

有效載荷

“薩拉爾”衛(wèi)星搭載的有效載荷主要包括Ka頻段高度計(jì)（AltiKa）、星基多普勒軌道確定和無線電定位組合系統(tǒng)（DORIS）、激光反射鏡陣列（LRA）等。

Ka頻段高度計(jì)的研發(fā)始于2002年，主要是針對(duì)傳統(tǒng)海洋觀測(cè)衛(wèi)星存在的易受電離層干擾、帶寬較窄等缺點(diǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。與傳統(tǒng)的工作在Ku和C頻段的海洋觀測(cè)衛(wèi)星不同，“薩拉爾”衛(wèi)星首次采用了Ka頻段，最大程度降低了電離層變化對(duì)測(cè)量的影響，但也因此存在當(dāng)大氣水含量大時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定的弱點(diǎn)。Ka頻段高度計(jì)的主要組件包括偏移反射面天線（ORA）、數(shù)字化處理單元（DPU）、高度計(jì)（AMU）、輻射計(jì)（RMU）及輻射計(jì)校準(zhǔn)單元（RCU）等。星基多普勒軌道確定和無線電定位組合系統(tǒng)主要用于在電離層出現(xiàn)明顯干擾時(shí)，輔助衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

3 項(xiàng)目主要特點(diǎn)

（1）首次采用Ka頻段監(jiān)測(cè)技術(shù)，綜合性能有所提升

對(duì)“薩拉爾”衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)試

近年來，隨著對(duì)地建模技術(shù)的提高，傳統(tǒng)Ku頻段高度計(jì)或Ku、C雙頻高度計(jì)所采集的數(shù)據(jù)愈來愈難以滿足科研數(shù)據(jù)需求，因此法國(guó)國(guó)家空間研究中心開始研制Ka頻段高度計(jì)，“薩拉爾”衛(wèi)星也成為了全球首顆采用Ka頻段高度計(jì)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)的衛(wèi)星。與傳統(tǒng)高度計(jì)相比，該衛(wèi)星搭載的Ka頻段高度計(jì)具有更強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：首先，“薩拉爾”衛(wèi)星的Ka頻段工作頻率可以避免電離層影響，也就沒有必要采用雙頻高度計(jì)進(jìn)行電離層改正，即使在有明顯電離層干擾時(shí)，只需利用星基多普勒軌道確定和無線電定位組合系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層修正即可；其次，Ka頻段高度計(jì)具備更高的脈沖重復(fù)頻率（4kHz），可以明顯增加每秒鐘獨(dú)立回波的次數(shù)，因此可提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的水平分辨率。與此同時(shí)，Ka頻段高度計(jì)的脈沖帶寬為480MHz，其垂直解析度可達(dá)0.3m；而傳統(tǒng)的Ku頻段高度計(jì)帶寬僅有320MHz，垂直解析度為0.46m。因此，Ka頻段高度計(jì)不僅將極大改善衛(wèi)星對(duì)沙漠、雪地、冰面上的觀測(cè)精度，同時(shí)還能改善近海、冰水混合區(qū)觀測(cè)資料的精度，并增加海灣、內(nèi)陸水域和陸地觀測(cè)數(shù)據(jù)的采樣。

Ka頻段高度計(jì)主要參數(shù)

Ka頻段高度計(jì)組件參數(shù)

但需要指出的是，Ka頻段高度計(jì)也存在技術(shù)弱點(diǎn)，其對(duì)雪面的穿透深度只有0.1～0.3m，而利用傳統(tǒng)Ku頻段高度計(jì)能穿透的深度達(dá)2～10m；并且在對(duì)流層中水汽含量較高時(shí)會(huì)干擾觀測(cè)結(jié)果，如果降雨量大于1.5mm/h，高度計(jì)接收到的回波將不能用，而對(duì)于Ku頻段，小于3mm/h的降雨量幾乎不會(huì)影響回波。盡管如此，Ka頻段高度計(jì)仍能獲得很多可用觀測(cè)數(shù)據(jù)，因?yàn)槎嗄甑臍庀筚Y料顯示，全球海洋僅有10%的時(shí)間降雨量超過1.5mm/h，因此Ka頻段高度計(jì)的有效數(shù)據(jù)覆蓋面仍可達(dá)90%。

（2）推動(dòng)空間技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，大力加強(qiáng)法印合作

法國(guó)航天事業(yè)起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，法國(guó)航天業(yè)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，目前在歐洲，其航天工業(yè)規(guī)模僅次于英國(guó)，擁有世界著名的庫(kù)魯航天發(fā)射場(chǎng)和相對(duì)完善的航天工業(yè)體系，其研發(fā)的“太陽(yáng)神”系列衛(wèi)星、“斯波特”系列衛(wèi)星等均處于世界領(lǐng)先水平。此外，法國(guó)國(guó)家空間研究中心在衛(wèi)星高度計(jì)的數(shù)據(jù)處理方面具有很強(qiáng)的實(shí)力，幾乎所有的衛(wèi)星高度計(jì)都經(jīng)過了技術(shù)處理和數(shù)據(jù)分析，并與美國(guó)航空航天局（NASA）、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局（NOAA）及歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）等有業(yè)務(wù)合作。

研制完成的“薩拉爾”衛(wèi)星

而印度作為世界第6個(gè)掌握衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)的國(guó)家，自1975年成功發(fā)射其首顆衛(wèi)星后，一直致力于通過發(fā)展航天技術(shù)提升其國(guó)際影響力。印度前總理瓦杰帕伊等政府高官也曾多次公開表示，印度將利用航天技術(shù)而不是軍事力量來提升印度在國(guó)際社會(huì)中的地位。為此，印度一方面通過加強(qiáng)自身技術(shù)研發(fā)，另一方面則通過與法國(guó)、以色列、美國(guó)等國(guó)家的合作，進(jìn)一步加強(qiáng)航天力量。其中，與法國(guó)的航天合作近年來呈加速趨勢(shì)，除互相承擔(dān)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)外，兩國(guó)還加強(qiáng)了衛(wèi)星的聯(lián)合研發(fā)工作。

2008年，時(shí)任印度總理辛格訪問法國(guó)期間，與時(shí)任法國(guó)總統(tǒng)薩科奇就航天領(lǐng)域合作進(jìn)行協(xié)商并簽署了3項(xiàng)協(xié)議，其中包括利用地球觀測(cè)衛(wèi)星研究氣候變化，以及地面基礎(chǔ)設(shè)施的研發(fā)、合作，推動(dòng)印度“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”國(guó)際發(fā)射活動(dòng)等。2011年10月，印度利用該火箭成功發(fā)射了印、法兩國(guó)合作研制的“熱帶云”（Megha-Tropiques）衛(wèi)星，衛(wèi)星有效載荷由法、印兩國(guó)聯(lián)合研制，這也是兩國(guó)展開的系列航天合作項(xiàng)目的具體舉措之一，而印度也成為繼美國(guó)之后第2個(gè)發(fā)射專用于觀測(cè)熱帶氣候環(huán)境變化的氣象衛(wèi)星的國(guó)家。此次發(fā)射的“薩拉爾”衛(wèi)星也是兩國(guó)聯(lián)合研發(fā)的，發(fā)射仍由印度“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”承擔(dān)。

總的來說，“薩拉爾”衛(wèi)星仍屬于帶有技術(shù)驗(yàn)證性質(zhì)的新型衛(wèi)星，并且還存在諸多局限性，但隨著各國(guó)對(duì)于海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的不斷重視，其也將為后續(xù)衛(wèi)星的研發(fā)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)和借鑒。