海洋鹽度探測衛星的現狀分析和未來趨勢

殷小軍 張慶君 王睿 張歡

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

海洋鹽度探測衛星的現狀分析和未來趨勢

殷小軍 張慶君 王睿 張歡

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

調研了ESA的“土壤濕度和海洋鹽度”（SMOS）衛星和后續發展計劃，以及NASA的“寶瓶座”（Aquarius）衛星；對比分析了SMOS和Aquarius衛星鹽度測量數據的應用情況。結果表明：在低緯度地區，Aquarius衛星的鹽度測量精度均優于SMOS衛星，但是在高緯度地區的鹽度測量精度較差。針對2顆衛星在應用中存在的同步測量手段欠缺、射頻干擾（RFI）等突出問題，提出了相應的解決途徑，如增加同步測量和采用多種RFI檢測抑制手段。最后，提出了海洋鹽度探測衛星的發展趨勢，如開展輻射計反演與遙感數據預處理技術、高精度外定標技術和高精度熱控技術研究。

海洋鹽度探測衛星；“土壤濕度和海洋鹽度”衛星；“寶瓶座”衛星；同步測量；射頻干擾

1 引言

海洋鹽度的分布和變化與許多海洋現象密切相關，全球海洋鹽度按月或按年的變化是氣候系統中的關鍵因子。綜合考慮鹽度和溫度的分布，不但可作為水團、鋒面、渦流等中尺度海洋現象識別和預報的重要依據，而且可為氣候變化和氣象預報提供重要的數據源［1］。為了解決海面鹽度數據匱乏的問題，ESA和NASA分別發射了“土壤濕度和海洋鹽度”（SMOS）衛星和“寶瓶座”（Aquarius）衛星，用于海洋鹽度測量。

本文在調研SMOS衛星及其后續發展計劃，以及Aquarius衛星的基礎上，利用SMOS衛星和Aquarius衛星獲得的鹽度測量數據對比分析了測量精度，總結了海洋鹽度探測衛星的優勢和存在的問題，提出了解決這些問題的途徑，可供國內同類型衛星設計參考。

2 國外海洋鹽度探測衛星

2.1 ESA的衛星

2.1.1 SMOS衛星

SMOS衛星是目前唯一能夠同時對土壤濕度和海洋鹽度變化進行測量的在軌衛星，于2009年11月發射升空［2］，2010年5月進入正式運行階段。圖1為SMOS衛星在軌示意。衛星設計指標見表1，其中鹽度測量精度用于評價衛星數據反演精度，表示衛星觀測獲取的海面鹽度與浮標等收集的實測數據差值的絕對值。

圖1 SMOS衛星示意Fig.1 Sketch map of SMOS

表1 SMOS衛星的設計指標Table 1 Design indexes for SMOS

綜合孔徑微波成像輻射計（MIRAS）是搭載于SMOS衛星上的唯一有效載荷，工作中心頻率為1.413GHz，分辨率為30～50km，幅寬為900km，是首個在軌運行的綜合孔徑輻射計［3－4］。輻射計采用Y型二維稀疏天線陣，由3個支臂組成，單臂的長度約為4.5m，整個系統含69副天線及約5000個數字相關單元，是目前復雜程度最高的綜合孔徑輻射計系統。輻射計的定標主要采用相關／非相關校正法，能有效地消除接收機通道的相位和幅度不一致性所引入的誤差。

2.1.2 SMOSops衛星

SMOS業務系統（SMOS Operational System，SMOSops）衛星是ESA的下一代計劃。為了提高測量精度，SMOSops衛星上增加了“全球衛星導航系統”（GNSS）接收機（GNSS－R）及X頻段一維綜合孔徑微波輻射計——全極化干涉輻射計（FPIR），用于校正海面粗糙度，提高測量精度。圖2為SMOSops衛星示意。

圖2 SMOSops衛星示意Fig.2 Sketch map of SMOSops

被動高級合成孔徑單元（PAU－SA）輻射計是ESA在SMOS衛星MIRAS系統設計的基礎和經驗上，針對海面鹽度測量提出的一種改進型的綜合孔徑輻射計驗證方案，計劃安裝在SMOSops衛星上。PAU－SA輻射計上集成了PAU－GNSS－R反射計，用于獲取鹽度測量相關的輔助數據。PAU－SA輻射計的天線陣結構為Y型，每個臂由8副天線和末端的一個天線模型構成，加上中心的1個單元，總共25副天線。此外，天線中間部分的4副天線加上另外的3副天線，組成1個PAU－GNSS－R天線陣列。PAU－GNSS－R通過數字波束合成（DBF）方式完成對“全球衛星導航系統”（GNSS）鏡像反射信號的捕獲。圖3為PAU－GNSS－R的天線陣列示意。

圖3 PAU－GNSS－R的天線陣列示意Fig.3 Antenna array of PAU－GNSS－R

2.1.3 SMOSops－H衛星

為了進一步提高L頻段綜合孔徑微波輻射計的地面分辨率、測量靈敏度及射頻干擾（RFI）抑制能力，ESA還提出一種全新的六邊形陣列形式的綜合孔徑微波輻射計。它由120個單元天線組成，單元間距為L頻段波長的0.767倍，其展開示意如圖4所示，展開后等效口徑為6.5m。

圖4 天線展開示意Fig.4 Sketch map of antenna deployment

SMOSops－H衛星與SMOS衛星的主要指標對比，如表2所示。

表2 SMOSops－H衛星與SMOS衛星的主要指標對比Table 2 Main targets comparison between SMOSops－H and SMOS

2.2 NASA的衛星

NASA的Aquarius衛星（見圖5）于2011年6月10日發射升空，用于執行觀測全球海面鹽度變化和海洋環流等科學任務。它是NASA和阿根廷航天局的合作項目，巴西、加拿大、法國、意大利等多國航天部門參與。Aquarius衛星的設計指標見表3。

圖5 Aquarius衛星在軌工作示意Fig.5 Sketch map of Aquarius on orbit

Aquarius衛星采用L頻段微波輻射計和L頻段微波散射計聯合的方式探測鹽度。L頻段微波輻射計具有高性能接收亮溫的能力，采用實孔徑推掃體制，測量幅寬為400km，空間分辨率為100km。L頻段微波散射計測量的海面粗糙度用于修正海面亮溫，內波束的分辨率為62km×68km，外波束的分辨率為75km×100km，幅寬約為390km。散射計和輻射計共用帶有3個饋源的推掃式偏置拋物面天線，在時間上交替觀測同一海面區域。兩者的數據進行融合，獲得的鹽度測量數據比僅使用輻射計的精度更高［5－6］。

表3 Aquarius衛星的設計指標Table 3 Design targets for Aquarius

3 海洋鹽度衛星的應用情況及分析

3.1 應用情況

正式發布的SMOS衛星鹽度測量數據第1個版本為V3版，經過評估該版本，單次鹽度測量精度為1.2PSU（50km），月平均鹽度測量精度為0.6PSU（100km）。2012年底發布的V5版，改進了L1級亮溫處理方法和L2級鹽度反演算法。V5版的鹽度測量精度較V3版有所提高，全球月平均鹽度測量精度為0.4PSU（100km），在中低緯度，水溫較高的大洋海區可以達到0.25PSU（100km）。圖6是SMOS衛星鹽度測量數據和世界海洋數據庫（WOD）［7］鹽度數據的差值，從結果可以得出：在各大洋開闊海域（亞熱帶大西洋、熱帶太平洋、南印度洋、南太平洋），熱帶和亞熱帶鹽度測量精度約為0.3PSU（100km）；在寒冷海域，鹽度測量精度約為0.5PSU（100km）。

自運行以來，Aquarius衛星的鹽度測量精度得到了不斷的改善，月平均鹽度測量精度為0.27PSU（100km）。測量誤差從2011年9月數據處理軟件1.1版本的1.2PSU（100km）左右，降到2011年11月數據處理軟件1.2版本的0.9PSU（100km），再降到2012年3月數據處理軟件1.3版本的0.6PSU（100km）；到V2.0版數據，月鹽度測量精度為0.3PSU（100km），季度鹽度測量精度為0.27PSU（100km）；目前，V3.0版數據基本上能夠實現中低緯度地區0.2PSU（100km）的鹽度測量精度。圖7是Aquarius衛星鹽度測量數據和WOD鹽度數據的差值，從結果可以得出：在各大洋開闊海域，熱帶和亞熱帶海域的鹽度測量精度比寒冷海域的高，海陸交接面受到RFI的影響較小。

SMOS衛星和Aquarius衛星采用2種不同的觀測體制，在技術上都取得了巨大進步。SMOS衛星的有效載荷取得的成就包括：①首次在軌驗證了MIRAS技術在海面鹽度測量中的應用能力；②采用二維綜合孔徑探測體制，對目標進行多入射角探測，顯著地提高了鹽度測量精度和RFI的檢測能力。Aquarius衛星的有效載荷取得的成就包括：①實現了高穩定度、高靈敏度的輻射計測量技術；②增加散射計測量海面粗糙度，明顯地提高了鹽度測量精度。

圖6 SMOS衛星海面鹽度測量數據與WOD鹽度數據的差值Fig.6 Sea surface salt difference between SMOS measurement data and WOD data

圖7 Aquarius衛星海面鹽度測量數據與WOD鹽度數據的差值Fig.7 Sea surface salt difference between Aquarius measurement data and WOD data

3.2 存在問題及解決途徑

3.2.1 存在問題

SMOS衛星的鹽度測量精度設計值為月平均0.1PSU（100km），Aquarius衛星的設計值為0.2PSU（100km）。從圖6和圖7的可以看出：2顆衛星的鹽度測量精度均未達到設計指標，而且在不同觀測區域誤差分布不同。在45°S～45°N，Aquarius衛星鹽度偏差與標準差均小于SMOS衛星，Aquarius衛星在高緯度地區反演誤差較大，但SMOS衛星數據比Aquarius衛星數據更能顯示鹽度隨季節的變化。在中國近海區域RFI污染嚴重，南海北部海域沿岸存在多處RFI發射源，在混疊效應的作用下，南海海域內大多數區域的觀測亮溫均會受到不同程度的污染，嚴重制約了鹽度測量精度的提高。

綜合衛星數據的應用情況，SMOS衛星和Aquarius衛星存在的問題可總結為：①2顆衛星都未采用校正溫度的同步測量手段；②2顆衛星都未能解決L頻段RFI問題，導致部分測量數據精度受到影響；③SMOS衛星的有效載荷存在系統長時間漂移，且沒有對天線采用溫控技術，導致觀測的亮溫誤差較大；④Aquarius衛星采用實孔徑體制，其空間分辨率低，觀測幅寬小，不能滿足應用需求。

3.2.2 解決途徑

（1）采用同步測量手段，包括觀測海面溫度和海面粗糙度，用于提高鹽度探測精度。熱紅外和被動微波遙感均是實現海面溫度觀測的有效手段，也是獲得海面溫度最可靠的數據源。采用熱紅外遙感的手段觀測海面溫度，優點是觀測精度高，缺點是容易受到天氣等因素的影響；采用被動微波遙感（輻射計）的手段觀測海面溫度，優點是不受天氣的影響，缺點是觀測精度不夠。因此，可采用兩者相結合的方式，獲取同步的海面溫度數據。散射計可用于實現海面粗糙度的觀測，由于粗糙度的大小與波長密切相關，因此可考慮采用與L頻段微波輻射計波長接近的散射計觀測海面粗糙度。

（2）采用高精度、高靈敏度測量手段，提高鹽度測量精度。鹽度測量對輻射測量精度有非常高的要求，須針對有效載荷關鍵部件開展工程樣機研制，包括開展大型可展開高精度天線、高穩定度低噪聲小型化相關接收機、多通道數字相關處理后端、內部定標網絡等關鍵單機。高穩定度、低噪聲、小型化相關接收機要求相關接收機具備相關接收能力，并且能滿足多通道間±5°相位、±0.5dB幅度的一致性要求。多通道數字相關處理后端要能完成多路中頻信號接收，完成上萬次相關處理，具備RFI抑制功能，因此要求其多路接收相位一致性優于±1°、幅度優于±0.5dB，以及具備相應算法的處理能力。

（3）采用多種RFI檢測抑制手段，降低RFI對L頻段觀測鹽度精度的影響。RFI對鹽度測量精度的影響來自2個方面：①陸地強干擾源通過旁瓣污染近岸海洋視場；②海洋上也存在少量來自船舶的RFI干擾源。可以通過多入射角識別RFI干擾，同時使用數字相關器實現頻譜細分功能，用于檢測RFI信號。

4 未來趨勢

海洋鹽度探測衛星的鹽度測量數據具有巨大的應用需求及應用潛力，屬于國際熱點和前沿問題。當前，星載海洋鹽度探測技術仍然處于研究階段，探測手段及反演方法尚未完全成熟。通過分析國外海洋鹽度探測衛星的應用情況和后續計劃，本文總結海洋鹽度探測衛星的發展趨勢如下。

（1）海洋鹽度反演與遙感數據預處理技術。根據輻射傳輸理論，L頻段微波輻射計觀測到的亮溫，除受海面鹽度影響外，還受海面溫度、海面粗糙度、大氣輻射、宇宙背景輻射等其他因素影響。鹽度反演涉及到亮溫模型、反演算法以及迭代的邊界條件等一系列問題，目前仍然屬于國際上的熱點和難點問題。通過探測機理研究和系統仿真研究，要重點突破海面粗糙度修正技術、大氣輻射修正技術、宇宙背景輻射修正技術，開展海面溫度測量誤差影響研究和海水介電常數模型改進研究，并以模型輸出為基礎研發海洋鹽度反演算法。

（2）海洋鹽度測量高精度外定標技術。測量鹽度的有效載荷（如輻射計）要實現全天時工作，因此定標過程中應考慮各種因素，如大氣溫度、大氣濕度、大氣上行輻射等。輻射計在軌長期工作時，其不穩定性及周邊環境等因素的影響，都會導致所測亮溫出現誤差，進而影響測量精度。因此，要開展海洋鹽度探測衛星定標中關鍵技術的研究，通過機載鹽度計觀測數據、浮標／船只實測匹配數據、模型數據、仿真數據等多種手段，研究制定業務化的輻射計外定標工作方案，并研究業務化輻射計外定標算法。

（3）熱控技術。高精度海洋鹽度的測量依賴于L頻段接收機的高精度、高穩定度，因而對各路接收機在軌的溫度一致性及溫度穩定性提出了很高的要求。接收機暴露在星體外部，在復雜的空間外熱流條件下實現在軌溫度穩定具有一定的技術難度，尤其是有效載荷在軌冷空定標模式下，相對于一般的機動側擺，空間外熱流變化大，將進一步增大高精度、高穩定性溫控難度，因此高效的熱控技術是接收機高精度和高穩定性的重要保障，也是影響整星成敗的重要影響因素，應開展相關的研究工作。

（References）

［1］唐治華.國外海洋鹽度與土壤濕度探測衛星的發展［J］.航天器工程，2013，22（3）：83－89 Tang Zhihua.Study on foreign ocean salinity and soil moisture detector satellite［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（3）：83－89（in Chinese）

［2］T Jackson，A Hsu，A Van de Griend.Skylab L－band microwave radiometer observations of soil moisture revisited［J］.Int.Remote Sens.，2004，25（13）：2585－2606

［3］J Johnson，A Gasiewski，B Guner.Airborne radio frequency interference studies at C－band using a digital receiver［J］.IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.，2006，44（7）：1974－1985

［4］C Ruf，S Gross，S Misra.RFI detection and mitigation for microwave radiometry with an agile digital detector［J］.IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.，2006，44（3）：694－706

［5］U Narayan，V Lakshmi，T Jackson.A simple algorithm for spatial disaggregation of radiometer derived soil moisture using higher resolution radar observations［J］.IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.，2006，44（6）：1545－1554

［6］E Anterrieu.On the detection and quantification of RFI in L1asignals provided by SMOS［J］.IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.，2011，49（10）：3986－3992

［7］NOAA.World ocean database［EB／OL］.［2015－03－15］.www.nodc.noaa.gov／OC5／pr＿wod.html

（編輯：夏光）

Development Status and Trends of Sea Surface Salt Satellite

YIN Xiaojun ZHANG Qingjun WANG Rui ZHANG Huan
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The paper investigates ESA’s SMOS satellite and its future plans，and NASA’s Aquarius satellite.The actual applications of the two satellites are analyzed，and the results show that the Aquarius’s data is more accurate than those of SMOS in low latitudes but is worse in other area.The two satellites have flaws which include shortage of synchronous observation method and existing of RFI（RF interference）.To solve the problems this paper puts forward some methods，such as increasing synchronous observation and detecting RFI.In the end the paper summarizes the trends of sea surface salt satellite which include the techniques of radiometer retrieve and remote sensing date preprocessing，high accuracy calibration and thermal control.

sea surface salt satellite；SMOS；Aquarius；synchronous measurement；RFI

V474.2

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.016

2015－04－07；

：2015－06－18

國家自然科學基金（Y35011101B）

殷小軍，男，工程師，從事衛星有效載荷總體設計工作。Email：yinxj＠lzb.ac.cn。