美國“土壤濕度主動-被動探測”衛(wèi)星將升空

“土壤濕度主動-被動探測”（SMAP）任務(wù)是美國航空航天局（NASA）專用于全球土壤濕度和凍融監(jiān)測的項目，屬于NASA地球系統(tǒng)科學(xué)探路者計劃（ESSP）中的一項任務(wù)，也是NASA“十年調(diào)查”任務(wù)之一。SMAP衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)是提供頻繁的表面土壤濕度與表面冰凍/解凍狀態(tài)的全球測量，測量結(jié)果用于加深對水、能量、碳等循環(huán)的認(rèn)識，同時改進(jìn)天氣與氣候預(yù)報。SMAP衛(wèi)星將在2015年1月底發(fā)射。

1 衛(wèi)星概況

SMAP衛(wèi)星的科學(xué)考察目標(biāo)具體包括：①了解陸地水、能量和碳循環(huán)鏈過程；②評估地表的全球水和能量通量；③量化北部地區(qū)的凈碳通量；④提高天氣和氣候預(yù)測水平；⑤改進(jìn)水災(zāi)預(yù)測和干旱監(jiān)測能力。

SMAP衛(wèi)星將運行在太陽同步晨昏軌道，軌道高度685km，傾角98°，升交點地方時6:00，軌道重復(fù)周期為8天。衛(wèi)星采用SA-200HP平臺，發(fā)射質(zhì)量1122kg，功率1351W，設(shè)計壽命3年。

SMAP衛(wèi)星主體采用鋁和鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，平臺呈五棱柱體，內(nèi)部為可移動面板的半永久框架。衛(wèi)星為三軸姿態(tài)穩(wěn)定，姿態(tài)測量部件包括1臺星跟蹤器和12臺太陽敏感器；姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括4個反作用輪（3個大型反作用輪、1個動量補(bǔ)充輪）和3個磁力矩裝置。衛(wèi)星在軌位置通過星上雙向多普勒跟蹤與傳輸系統(tǒng)來確定。SMAP衛(wèi)星測控鏈路采用S頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5Mbit/s；數(shù)傳采用X頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為80Mbit/s。

SMAP衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)示意圖

SMAP衛(wèi)星基本參數(shù)

2 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)

SMAP衛(wèi)星是在“水圈狀態(tài)”（Hydros）衛(wèi)星基礎(chǔ)上研制的。和Hydros一樣，SMAP衛(wèi)星系統(tǒng)采用一個大型實孔徑輕型可展開網(wǎng)狀反射器天線的散射計和輻射計儀器組合的形式來實現(xiàn)，即其結(jié)構(gòu)包括天線子系統(tǒng)、輻射計子系統(tǒng)和散射計子系統(tǒng)3個關(guān)鍵組成部分。

天線子系統(tǒng)

SMAP衛(wèi)星天線設(shè)計采用偏置饋源反射器結(jié)構(gòu)，為輕型可展開圓錐掃描網(wǎng)狀天線，輻射計和散射計共用該網(wǎng)狀天線，展開后直徑為6m。天線包括饋源喇叭和1副反射面天線，天線在軌實現(xiàn)寬幅圓錐掃描運動，旋轉(zhuǎn)速率為13.0r/min（為保證一定的重疊，設(shè)計為14.6r/min），反射器入射角為40°，圓錐形掃描幅寬約為1000km，可獲得2～3天高重訪周期的全球觀測。相比相控陣天線、輻射計與散射計獨立天線等其他天線形式，圓錐掃描、共用天線能降低系統(tǒng)成本和風(fēng)險，是保證性價比最大化條件下最優(yōu)的方案。

SMAP衛(wèi)星天線性能指標(biāo)

該衛(wèi)星系統(tǒng)只旋轉(zhuǎn)反射器，饋源和電子系統(tǒng)固定在衛(wèi)星平臺上，單饋源與天線的旋轉(zhuǎn)軸在一條線上，這樣反射器旋轉(zhuǎn)時，波束就會形成圓錐掃描。這樣的好處是可以減小總轉(zhuǎn)動慣量，同時能減少旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)部分的電接口數(shù)量。

輻射計和散射計子系統(tǒng)

SMAP的輻射計子系統(tǒng)為L頻段雙極化微波輻射計，采用狄克（Dicke）開關(guān)式輻射計技術(shù)，完成地表輻射亮溫的測量，采用噪聲注入法進(jìn)行接收機(jī)定標(biāo)。SMAP散射計子系統(tǒng)為三極化L頻段散射計，分辨率較低，通過合成孔徑高分辨處理后分辨率提高。

SMAP衛(wèi)星將利用L頻段的輻射計/散射計組合探測系統(tǒng)從空間觀測陸地表面水氣，將提供約1000km測繪帶，陸地表面（0～5cm）的土壤濕度和冰凍/解凍態(tài)的測量，兼顧海洋鹽度測量。散射計在超過70%的幅寬范圍內(nèi)分辨率將優(yōu)于3km，輻射計的分辨率約40km。輻射計和散射計的測量數(shù)據(jù)結(jié)合起來應(yīng)用，將得到一個全球10km分辨率的土壤濕度產(chǎn)品,體積精度為±0.04m3/m3，區(qū)域6h和18h重訪，全球2～3天重訪。

SMAP衛(wèi)星散射計性能指標(biāo)

SMAP衛(wèi)星觀測幾何示意圖

3 SMAP衛(wèi)星定標(biāo)與驗證計劃

SMAP定標(biāo)與驗證計劃的主要目標(biāo)是驗證任務(wù)壽命期間是否符合科學(xué)要求（產(chǎn)品精度與偏差）。該計劃在預(yù)發(fā)射期間啟動，有助于提供高質(zhì)量SMAP產(chǎn)品，并為發(fā)射后至壽命內(nèi)的的持續(xù)驗證奠定基礎(chǔ)。

SMAP衛(wèi)星輻射計性能指標(biāo)

SMAP定標(biāo)與驗證計劃概況

實施定標(biāo)與驗證計劃是SMAP任務(wù)的必要需求。該計劃須提供一種評估土壤濕度隨機(jī)誤差、空間和瞬時偏差的方法，以滿足任務(wù)的科學(xué)要求，是SMAP任務(wù)整個壽命周期內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)定標(biāo)和驗證活動的基礎(chǔ)。SMAP定標(biāo)與驗證計劃草案于2009年提出，描述了SMAP定標(biāo)與驗證計劃1～4級SMAP科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品所需的方法與程序。

SMAP定標(biāo)與驗證計劃包括預(yù)發(fā)射和發(fā)射后的活動。在預(yù)發(fā)射階段，獲取和處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行定標(biāo)、測試和改進(jìn)SMAP科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品反演模型與算法；開發(fā)和測試技術(shù)與協(xié)議，用于獲取驗證數(shù)據(jù)并驗證SMAP在發(fā)射后階段的科學(xué)產(chǎn)品。在發(fā)射后階段，驗證和改進(jìn)科學(xué)算法的性能；驗證科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度。

若滿足計劃目標(biāo)和時間基線，SMAP定標(biāo)與驗證計劃的關(guān)鍵問題是認(rèn)識到該活動及時性的重要作用，預(yù)發(fā)射數(shù)據(jù)在算法開發(fā)和設(shè)計早期具有很大價值，定標(biāo)與驗證發(fā)射后階段的時間為發(fā)射后的2～14個月。

為發(fā)射后驗證奠定基礎(chǔ)

在SMAP科學(xué)定義小組、定標(biāo)與驗證工作小組和相關(guān)人員共同討論后，啟動了多項活動，確保SMAP產(chǎn)品驗證數(shù)據(jù)的魯棒性和高可靠性。

1）標(biāo)度。當(dāng)前大部分?jǐn)?shù)據(jù)原位網(wǎng)絡(luò)均為稀疏網(wǎng)絡(luò)，SMAP產(chǎn)品每個網(wǎng)格單元或覆蓋區(qū)域不超過一個測量點。目前已建立工作小組，制定標(biāo)度點發(fā)展總體策略，促進(jìn)現(xiàn)場活動時的相互比較與探索。

2）兼容性。這對土壤濕度測量而言是一個關(guān)鍵問題，包括不同遙感器技術(shù)、裝置、深度、整體深度和土壤容積。通過標(biāo)準(zhǔn)化和交叉比較綜合各種來源對此非常有幫助。這一過程的第一步是建立工作小組，啟動原位儀器試驗床的開發(fā)。這些站點將安裝網(wǎng)絡(luò)中使用的各種儀器，并與標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度進(jìn)行比較。首個站點位于美國俄克拉荷馬州。

3）核心站點。稀疏網(wǎng)絡(luò)無法滿足定標(biāo)與驗證計劃的全部需求，因此，SMAP任務(wù)還需要建立大量的核心驗證站點。由于在其他衛(wèi)星項目中已成功使用，因此這些站點將位于一些代表性位置，享有當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施的支持。

近期主要飛行驗證試驗

1）澳大利亞機(jī)載試驗。墨爾本大學(xué)、阿德雷達(dá)大學(xué)和美國農(nóng)業(yè)部成立了一個小組，使用裝有L頻段輻射計和L頻段散射計的新型機(jī)載系統(tǒng)實施一系列的土壤濕度現(xiàn)場活動，其中一項活動在每個季節(jié)都會舉行。設(shè)計飛行可提供多種分辨率條件下的主動/被動數(shù)據(jù)，支持散射計、輻射計和組合土壤濕度算法。

2）加拿大飛行試驗。SMAP小組聯(lián)合加拿大航天局在加拿大薩斯喀徹溫省實施了持續(xù)兩周（2010年6月）的土壤濕度原位試驗。這次試驗在“土壤濕度與海水鹽度”（SMOS）衛(wèi)星驗證活動（CanEx-SM10）的基礎(chǔ)上，采用機(jī)載L頻段輻射計和大量的地面采樣。

3）SMAP驗證試驗2012（SMAPVEX12）。加拿大若干機(jī)構(gòu)和NASA共同投資，歷時近6周。它提供了大量的SMAP主動被動土壤濕度反演算法開發(fā)與驗證數(shù)據(jù)集，對加拿大2010年的土壤濕度試驗進(jìn)行了補(bǔ)充，目標(biāo)是了解與土壤和植被水含量變化相關(guān)的SMAP產(chǎn)品，發(fā)展不同條件下的土壤濕度反演算法，包括植被峰值期。

4）L頻段主動/被動掃描（SLAP）機(jī)載驗證。由NASA實施，用于SMAP相關(guān)機(jī)載活動的儀器選擇與驗證。預(yù)計該試驗?zāi)軡M足或超出SMAP衛(wèi)星定標(biāo)與驗證計劃的當(dāng)前所有要求，包括2013年11-12月期間的測試飛行、2013年12月的小型活動以及2014年的活動，都將為SMAP系統(tǒng)評估提供數(shù)據(jù)。

4 SMAP數(shù)據(jù)產(chǎn)品及仿真

SMAP任務(wù)將生成的產(chǎn)品主要包括：①二級輻射計土壤濕度產(chǎn)品（L2_SM_P），主要源自亮溫產(chǎn)品（L1C_TB）。比起散射計算法，L頻段輻射計土壤濕度反演算法可進(jìn)一步減小誤差，但輻射計受粗空間分辨率的影響（約為40km）。②散射計測量土壤濕度產(chǎn)品（L2_SM_A）為精分辨率（3km）產(chǎn)品，主要源自高分辨率雷達(dá)后向散射數(shù)據(jù)（L1C_S0_HiRes）。研究表明，雷達(dá)后向散射測量土壤濕度具有不確定性和誤差，甚至對于稀疏植被覆蓋也比較敏感。這使得需要高精度的植被覆蓋區(qū)域，散射計土壤濕度反演用處不大。雷達(dá)后向散射受表面粗糙度、植冠結(jié)構(gòu)和植被水含量（VWC）的較大影響，粗糙度和植被影響較大地降低了雷達(dá)后向散射對土壤濕度的敏感性。

SMAP數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成

基于上述原因，無論是輻射計還是散射計，都無法單獨滿足SMAP任務(wù)對土壤濕度空間分辨率（10km）和體積精度（0.04cm3/cm3）的要求。因此通常需要融合主動（散射計）和被動（輻射計）測量數(shù)據(jù)，生成主動和被動中分辨率土壤濕度產(chǎn)品。

目前，融合SMAP散射計和輻射計數(shù)據(jù)生成主動和被動土壤濕度產(chǎn)品有兩種備選算法（基礎(chǔ)算法和可選算法）。基礎(chǔ)主動和被動算法是根據(jù)高分辨率雷達(dá)共面極化（co-pol）后向散射測量，利用空間構(gòu)型在輻射計地面軌跡內(nèi)分解粗分辨率（約36km）輻射計亮溫（Tb），然后將分解的輻射計亮溫轉(zhuǎn)化為反演土壤濕度。基礎(chǔ)算法還利用雷達(dá)交叉極化測量，對輻射計測量的表面不均勻性進(jìn)行說明。可選算法與基礎(chǔ)算法類似，它采用粗分辨率（約36km）輻射計反演土壤濕度評估，獲取中分辨率（約9km）土壤濕度估值。

采用SMAP軌道仿真器評估基礎(chǔ)和可選主動被動算法，提供端對端仿真環(huán)境能力。9km的全球土壤濕度產(chǎn)品中包括對基礎(chǔ)算法的各個方面進(jìn)行評估，包括不確定性分析、誤差分配發(fā)展、產(chǎn)品成熟度等。研究區(qū)域的土壤濕度反演結(jié)果可證明任務(wù)滿足全球覆蓋需求，土壤濕度的體積精度大于0.04cm3/cm3，植被含水量低于5kg/m2，空間分辨率9km，時間分辨率3天。