了解全球海洋表面鹽度國際“寶瓶座”衛星升空

□ 諸葛訊

“寶瓶座”衛星在軌飛行示意圖

2011年6月10日,美國德爾它-2火箭成功發射了價值2.78億美元的“寶瓶座”/科學應用衛星-D, 它是美國和阿根廷寶的合作項目，美國稱它為“寶瓶座”，阿根廷稱它為科學應用衛星-D，下面簡稱“寶瓶座”衛星。它載有美國、阿根廷、巴西、加拿大、法國和意大利等國家的多種科學探測儀器。這顆用星座名稱命名的衛星發射質量約1642千克，運行在657千米高的太陽同步軌道,每7天能完成一次全球覆蓋，設計壽命3年～5年,用于測量海洋釋放出的微波能量, 這種微波能提供包括海水鹽度、溫度、風速、冰川融化等全球氣候的各項數據，從而了解全球海洋表面鹽度的變化及其對全球氣候和人們生活的影響。它每周對全球大洋表面的鹽度掃描一次，使科學家能每月評估一次全球海洋表面鹽度的變化。

海洋福星

地球有近3/4的表面被水覆蓋，其中鹽的含量約占3.5%。雖然全球海洋中鹽的總量幾乎保持不變，但海洋最表面一層鹽的濃度在全球各地都不相同。經過研究科學家發現，海面鹽度數據可用于研究海洋熱容，海洋熱容會影響地球的氣候和水循環，一旦了解到海洋表面的鹽度，將有助于科學家更好地預測未來的氣候變化以及對全球天氣產生深遠影響的厄爾尼諾和拉尼娜等短期氣候現象，從而幫助人們了解季風的形成以及海洋鹽度的改變給人類生活帶來的影響。

不過，由于海洋的面積太大，所以要想對這一占地球面積 70.8 %且不斷運動著的水體表面鹽度進行全面、及時的了解，靠一般方法很難做到。目前對海洋中含有的溶解鹽的測量仍然受到很大程度的限制。

新上天的“寶瓶座”衛星可用于監視遼闊的海表鹽度年度性和季節性變化，以更好地研究全球水循環以及它的變化過程，并滿足阿根廷監控環境和監測災害的需要。

“寶瓶座”衛星所攜帶的探測設備靈敏度非常高，可從太空有效精確地跟蹤測量地表海洋鹽度，檢測出一加侖水中鹽度微小的變化。為了防止無線電、雷達和其他噪音產生的干擾帶來監測誤差，星上還另有一個檢測和糾錯的設備。

雖然“寶瓶座”衛星可用于了解整個地球系統以及自然和人類使地球環境產生的變化，但其主要目標是觀測引起氣候變化的鹽度變化過程，以了解這些變化如何影響海洋環流，研究水環境和海洋環流的各種變化，以及對當前和未來氣候的影響。精確測量海面鹽度和海面溫度可測定海水密度，對三維海洋環流進行有效管理。“寶瓶座”不僅測量海面鹽度和海面溫度，測量對流層和同溫層的濕度廓線、海洋上方的降雨率、海冰密集度等，還研究電子儀器和空間碎片對宇宙輻射的影響。

探鹽能手

在“寶瓶座”這一國際合作項目中，美國航宇局負責研制“寶瓶座”衛星的主要有效載荷及其裝配、衛星發射、早期運行和數據處理系統。阿根廷航天局負責提供衛星平臺——科學應用-D，以及一部分有效載荷和衛星的運行。還有一部分有效載荷由意大利、法國和加拿大研制。

衛星平臺采用三軸姿態控制系統（包括2個星跟蹤器、2個磁力計、8個粗太陽敏感器、2個GPS接收器、4個反作用輪和3個扭矩桿）、砷化鎵太陽電池陣、鎳鎘蓄電池等，姿態控制能力為0.04o，姿態敏感精度為0.002o，太陽電池陣尺寸3.25米×1.6米，太陽電池效率27%，平均功率消耗699瓦。衛星可同時提供上行和下行S頻段和X頻段鏈路，其中S頻段用于跟蹤、遙測和控制，數據率1千比特/秒。星上數據存儲容量為768兆比特。

“寶瓶座”有望獲取的全球海洋鹽度模擬圖

“寶瓶座”在整流罩內與上天后展開圖

吊裝“寶瓶座”衛星的反射器天線

簡單地說，“寶瓶座”衛星上的科學探測儀器由天線、微波輻射計、散射計、指令與數據單元、機械與熱子系統、配電單元6部分組成，其中天線、微波輻射計和散射計是其關鍵組成部分。

星上最重要的科學探測儀器就是美國研制的 “寶瓶座”， 它是將被動式遙感儀器——輻射計與主動式遙感儀器——散射計集成在一起測量海表鹽度，尺寸為3米×6米×4米，質量247千克，平均功率291瓦，數據率5千比特/秒,具有輻射分辨率更高，精度與穩定性更好的優點。

它由L頻段推掃式微波輻射計和L頻段散射計組成。前者有4個單獨通道和4個噪聲二極管定標源，采用偏振設計, 使用了狄克輻射計進行噪聲二極管定標,對海洋鹽度和表面粗糙度比較敏感，用于測量海洋表面的微波輻射亮溫，從而測量鹽度；后者是一個簡單的真實孔徑雷達，用于測量來自海洋表面的反向散射,也可測量海面粗糙度，對輻射亮溫數據進行修正，即幫助修正表面粗糙度。輻射計和散射計在時間上交替觀測以共享同一個天線。

從外形看，“寶瓶座”儀器最突出的特點就是有一個直徑2.5米偏饋拋物面發射器天線。它是一個3波束固定偏饋系統，由3個饋源喇叭組成，這3個饋源波束的擺放方式可形成在衛星星下點20°～40°之間視角的交軌指向推掃。每個波束的饋源為散射計和輻射計共用，以測量海洋微波輻射。它可對海表進行面積為76千米×94千米、84千米×120千米、96千米×156千米的掃描波束覆蓋，總幅寬約390千米。

該衛星有充分的內定標和良好的熱控能力，以保障星上輻射計在7天內穩定在0.13開的范圍內，使“寶瓶座”每周精確地對全球大洋表面的鹽度掃描一次。其輻射計由OMT耦合器、相關噪聲二極管、兩個雙工器、輻射計前端輻射計后端和數字處理單元組成。這些組件的熱控對于輻射測量穩定性具有關鍵作用，決定了“寶瓶座”衛星取回鹽度的精度。為了達到要求，設計人員采用了散熱板和涂層進行制冷，同時利用安裝于組件上的加熱器來控制加熱。

在美國航宇局噴氣推進實驗室為“寶瓶座”衛星安裝直徑2.5米偏饋拋物面發射器天線

“寶瓶座”的輻射計和散射計是同時接收信號的，只有這樣2種儀器才能在幾乎同一時間對同一海面區域進行監測。在散射儀發射信號的1毫秒間隔內，輻射計受到同向雙工器的保護，消除輻射計的輸入誤差。在接下來的9毫秒內，輻射計前端的同向雙工器和帶通濾波器能將輻射計和散射計反射面分離，使2個頻率之間有足夠的隔離。除了使用矯正回路，設計人員還采用了高準確度（0.1℃）的溫度敏感器，主要是為了保證在溫度變化修正之后能夠得到優于0.1分貝的矯正穩定性。為了矯正依賴于這些電子元件變化而變化的溫度，在發射之前進行了矯正測試，以描述矯正回路、分壓器、波束選擇開關和其他作為溫度函數的關鍵元件的損失。

鼎立相助

俗話說，一個好漢三個幫。衛星上除了裝有美國“寶瓶座”科學探測儀器外，還裝有阿根廷、意大利、法國和加拿大等其他國家研制的科學探測儀器。

阿根廷和加拿大合作研制的“新紅外掃描器技術”多光譜成像輻射計譜段為3.8微米、10.7微米和11.7微米，幅寬180千米；分辨率為350米。它用于探測可見光和紅外譜段的生物體燃燒和火山灰區域等高溫熱事件，測量海洋表面溫度。

研制“寶瓶座”衛星的輻射計

阿根廷研制的Ka頻段推掃式微波輻射計有2個通道（23.8吉赫和37吉赫），每個通道都有一個專用結構子系統，包括1個反射器，8個饋源喇叭和2個輻射計，能進行垂直和水平極化。其帶寬分別為0.5吉赫和1吉赫，幅寬為390千米，分辨率優于50千米，靈敏度0.5開，覆蓋范圍與“寶瓶座”相同。它用于探測海面風、降水速率、海冰密集度、水蒸汽、云。

阿根廷研制的全色高靈敏度相機采用時間延遲積分-CCD技術，幅寬700千米，分辨率為200米～300米。它用于探測城市閃電、電暴、極地、積雪、火災和夜間極光事件。

阿根廷研制的數據收集系統的上行鏈路401.55兆赫。它用于采集地面段收集數據收集平臺發送的環境數據，然后發至阿根廷科爾多瓦市地面站，最終通過互聯網傳送給用戶。

阿根廷研制的軌道確定技術驗證工具包由GPS接收機和慣性基準裝置等組成，定位精度為20米，速率精度1米/秒、2米/秒。它用于確定位置、速率和慣性角速度。

意大利研制的大氣層無線電掩星探測器是利用GPS無線電掩星測量技術測量大氣層（對流層和平流層）溫度和濕度廓線。其水平分辨率300千米，垂直分辨率300米。它用于探測大氣性質。

法國研制的CARMEN-1輻射監視器由ICARE和SODAD組成，ICARE包括3個硅和硅/鋰探測器，有256個通道，用于測量電子設備中宇宙輻射的影響；SODAD包括4個SMOS傳感器，速率為10千米/秒時敏感度為0.5，用于測量微粒子和空間碎片的分布。

總之，通過分析海水鹽度的數據，科學家可以實時了解海洋環流、溫度、成分以及海平面高度方面的信息。這些都是影響地球生態系統的重要因素。

為“寶瓶座”衛星安裝防熱裝置