“薩拉爾”海洋監測衛星即將升空

2012年第4季度，法國國家空間研究中心（CNES）和印度空間研究組織（ISRO）聯合研制的“薩拉爾”（SARAL）海洋監測衛星，將利用印度“極軌衛星運載火箭”（PSLV）發射。該衛星旨在對全球海洋表面高度、有效波高度和風速進行全球范圍的精確、不間斷測量，進而提升海洋學研究水平，以及對全球氣候變化的分析和預報能力。

1 研發背景

近年來，全球氣候出現明顯異常，各類極端天氣時有發生，引發各國政府和國際組織高度關注。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，因此，對海洋與全球氣候之間互動變化的研究也成為當今各類學科研究的核心內容和前沿之一。除派遣科考船赴當地海域、放置專業浮標及儀器等手段外，星基海洋觀測正憑借其觀測范圍廣、采樣數據準確度高等優勢，逐步成為各國加強氣象及海洋研究的不可或缺的重要手段。對于研究大面積的海洋動態現象，提高海洋水文、氣象預報的準確率，開發海洋資源，發展海運事業和沿岸及近海工程建設，以及監測海洋污染等都具有重要意義。

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

2 衛星概況

“薩拉爾”衛星有效載荷數據可應用于多個研究領域，特別是海洋學和大氣學，該衛星所獲取的數據還將與2008年部署的賈森－2衛星和“哨兵”系列衛星數據進行比對和互補，借此提高數據精確度和氣候模型重建準確度。

2007年2月23日，法印雙方簽署了有關“薩拉爾”項目的諒解備忘錄。根據協議，法國國家空間研究中心主要負責衛星有效載荷的研發、數據接收和處理，印度則負責衛星平臺建造，衛星的發射和飛行控制等。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-達萬航天中心（SDSC）利用極軌衛星運載火箭 C－20發射“薩拉爾”等多顆衛星。

“薩拉爾”衛星在海洋、氣候等領域的應用情況

衛星基本結構

“薩拉爾”衛星基于印度微小衛星－2（INDIAN MICRO SATELLITE－2）平臺建造，采用三軸穩定姿態控制，衛星總質量約450kg，其中有效載荷約200kg，設計壽命為3～5年。衛星尺寸為0.98m×0.98m×2.6m，有效載荷由法國國家空間研究中心研制。根據設計，“薩拉爾”衛星將進入高度為800km的太陽同步軌道，軌道傾角約98°，軌道周期35天。為避免衛星在軌工作時出現共振現象，衛星平臺各個面板的連接處均采用了高強度的固定螺栓。衛星子系統包括姿態和軌道控制（AOCS）、遙測與跟蹤（TT&C）、電力系統（EPS）等，電力系統包括2副太陽電池翼和1組容量18A·h的鋰離子電池。

印度“極軌衛星運載火箭”掠影

研制中的“薩拉爾”衛星

“薩拉爾”衛星主要技術性能

有效載荷

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

Ka頻段高度計的研發始于2002年，主要是針對傳統海洋觀測衛星存在的易受電離層干擾、帶寬較窄等缺點所產生的數據誤差。與傳統的工作在Ku和C頻段的海洋觀測衛星不同，“薩拉爾”衛星首次采用了Ka頻段，最大程度降低了電離層變化對測量的影響，但也因此存在當大氣水含量大時數據質量不穩定的弱點。Ka頻段高度計的主要組件包括偏移反射面天線（ORA）、數字化處理單元（DPU）、高度計（AMU）、輻射計（RMU）及輻射計校準單元（RCU）等。星基多普勒軌道確定和無線電定位組合系統主要用于在電離層出現明顯干擾時，輔助衛星進行數據修正。

3 項目主要特點

（1）首次采用Ka頻段監測技術，綜合性能有所提升

對“薩拉爾”衛星進行測試

近年來，隨著對地建模技術的提高，傳統Ku頻段高度計或Ku、C雙頻高度計所采集的數據愈來愈難以滿足科研數據需求，因此法國國家空間研究中心開始研制Ka頻段高度計，“薩拉爾”衛星也成為了全球首顆采用Ka頻段高度計進行對地觀測的衛星。與傳統高度計相比，該衛星搭載的Ka頻段高度計具有更強的技術優勢：首先，“薩拉爾”衛星的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進行電離層改正，即使在有明顯電離層干擾時，只需利用星基多普勒軌道確定和無線電定位組合系統提供的數據進行電離層修正即可；其次，Ka頻段高度計具備更高的脈沖重復頻率（4kHz），可以明顯增加每秒鐘獨立回波的次數，因此可提高觀測數據的水平分辨率。與此同時，Ka頻段高度計的脈沖帶寬為480MHz，其垂直解析度可達0.3m；而傳統的Ku頻段高度計帶寬僅有320MHz，垂直解析度為0.46m。因此，Ka頻段高度計不僅將極大改善衛星對沙漠、雪地、冰面上的觀測精度，同時還能改善近海、冰水混合區觀測資料的精度，并增加海灣、內陸水域和陸地觀測數據的采樣。

Ka頻段高度計主要參數

Ka頻段高度計組件參數

但需要指出的是，Ka頻段高度計也存在技術弱點，其對雪面的穿透深度只有0.1～0.3m，而利用傳統Ku頻段高度計能穿透的深度達2～10m；并且在對流層中水汽含量較高時會干擾觀測結果，如果降雨量大于1.5mm/h，高度計接收到的回波將不能用，而對于Ku頻段，小于3mm/h的降雨量幾乎不會影響回波。盡管如此，Ka頻段高度計仍能獲得很多可用觀測數據，因為多年的氣象資料顯示，全球海洋僅有10%的時間降雨量超過1.5mm/h，因此Ka頻段高度計的有效數據覆蓋面仍可達90%。

（2）推動空間技術優勢互補，大力加強法印合作

法國航天事業起步于20世紀60年代，經過數十年的發展，法國航天業已取得長足進步，目前在歐洲，其航天工業規模僅次于英國，擁有世界著名的庫魯航天發射場和相對完善的航天工業體系，其研發的“太陽神”系列衛星、“斯波特”系列衛星等均處于世界領先水平。此外，法國國家空間研究中心在衛星高度計的數據處理方面具有很強的實力，幾乎所有的衛星高度計都經過了技術處理和數據分析，并與美國航空航天局（NASA）、美國國家海洋和大氣局（NOAA）及歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT）等有業務合作。

研制完成的“薩拉爾”衛星

而印度作為世界第6個掌握衛星發射技術的國家，自1975年成功發射其首顆衛星后，一直致力于通過發展航天技術提升其國際影響力。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而不是軍事力量來提升印度在國際社會中的地位。為此，印度一方面通過加強自身技術研發，另一方面則通過與法國、以色列、美國等國家的合作，進一步加強航天力量。其中，與法國的航天合作近年來呈加速趨勢，除互相承擔衛星發射任務外，兩國還加強了衛星的聯合研發工作。

2008年，時任印度總理辛格訪問法國期間，與時任法國總統薩科奇就航天領域合作進行協商并簽署了3項協議，其中包括利用地球觀測衛星研究氣候變化，以及地面基礎設施的研發、合作，推動印度“極軌衛星運載火箭”國際發射活動等。2011年10月，印度利用該火箭成功發射了印、法兩國合作研制的“熱帶云”（Megha-Tropiques）衛星，衛星有效載荷由法、印兩國聯合研制，這也是兩國展開的系列航天合作項目的具體舉措之一，而印度也成為繼美國之后第2個發射專用于觀測熱帶氣候環境變化的氣象衛星的國家。此次發射的“薩拉爾”衛星也是兩國聯合研發的，發射仍由印度“極軌衛星運載火箭”承擔。

總的來說，“薩拉爾”衛星仍屬于帶有技術驗證性質的新型衛星，并且還存在諸多局限性，但隨著各國對于海洋監測領域的不斷重視，其也將為后續衛星的研發提供寶貴經驗和借鑒。