“賈森”高度計衛星系列增添新成員

龔燃 （北京空間科技信息研究所）

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“賈森”高度計衛星系列增添新成員

龔燃 （北京空間科技信息研究所）

Jason Altimeter Satellite Series Adds a New Member

2016年1月17日，賈森－3（Jason－3）衛星由太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falon－9）運載火箭發射升空。賈森－3衛星是2008年6月20日發射的賈森－2衛星的后續任務，由美國海洋和大氣管理局（NOAA）、歐洲氣象衛星應用組織（EUMETSAT）和法國國家空間研究中心（CNES）聯合研制，目標是保持“托佩克斯/波塞冬”（TOPEX/Poseidon）、賈森－1和“海表地形任務”（OSTM）/賈森－2衛星數據的連續性。

賈森－3衛星用于長期維持全球海面高度的衛星高度計觀測數據，這些數據將提供關鍵的海洋信息。該衛星將經歷6個月的儀器在軌測試。一旦完成測試，它將正式進入業務化運行，與2008年發射的賈森－2衛星共同提供服務。未來，賈森－3衛星的高精度高度計測量數據將用于各種科學、商業和業務應用，包括：颶風強度預測；海外運營商表面波預測；海岸預測，以解決環境問題，如石油泄漏和有害藻華；海岸模型，對海洋哺乳動物和珊瑚礁研究非常重要；厄爾尼諾和拉尼娜（反厄爾尼諾）預測等。

1　發展背景

2010年2月初，歐洲氣象衛星應用組織成員批準了賈森－3項目，以保持賈森－2衛星及其前任衛星測量數據在氣象、海洋，尤其是海平面動態監測中的應用，作為氣候變化關鍵指標。賈森－3項目的諒解備忘錄（MOU）于2010年7月簽署。

在該項中，美國海洋大氣管理局出資1.77億美元，美國航空航天局的資金由美國海洋大氣管理局提供，歐洲委員會（EC）出資1.19億美元，法國國家空間研究中心出資6800萬美元。總體上，美國海洋大氣管理局和歐洲氣象衛星應用組織負責衛星的管理和運行，四家機構具體分工如下。

美國海洋大氣管理局負責：①與歐洲氣象衛星應用組織共同實施賈森－3項目；②為整個系統工程提供支持；③提供先進微波輻射計（AMR）、激光反射器陣列（LRA）和全球定位系統有效載荷（GPSP）；④提供發射服務；⑤對美國國家海洋和大氣管理局地面站收集的數據進行近實時處理；⑥提供所有近實時數據產品和離線數據產品的融合；⑦對所有近實時與離線數據產品進行長期存檔，包括遙測、星上和附加數據集；⑧支持相關的研究公告過程、評估未來運行業務的相關調查結果。

歐洲氣象衛星應用組織負責：①與美國國家海洋和大氣管理局共同實施賈森－3項目；②為整個系統工程提供支持；③出資研制波塞冬－3B （Poseidon－3B）高度計、星基多普勒軌道確定和“星載多普勒無線電定軌定位系統”（DORIS）、有效載荷艙及其集成；④對歐洲地面站收集的數據進行近實時處理；⑤提供所有近實時數據產品和離線數據產品的融合；⑥出資建造衛星指令與控制中心；⑦支持相關的研究公告過程、評估未來運行業務的相關調查結果。

NASA負責：①指導與協調各合作方準備與發布相關的研究公告；②與美國國家海洋和大氣管理局共同指導美國調查人員作出選擇。

法國國家空間研究中心負責：①提供系統工程與相關的人力資源、標準可重構的觀測、通信與科學平臺（PROTEUS）；②與合作機構共同指導和協調相關研究公告的準備與發布；③與歐洲氣象衛星應用組織共同指導歐洲調查人員作出選擇。

2　衛星概況

與賈森－2衛星類似，賈森－3衛星仍采用泰雷茲·阿萊尼亞航天公司（TAS）的可重構的觀測、通信與科學衛星平臺和有效載荷艙，TAS仍為衛星主承包商。在歐洲氣象衛星應用組織批準賈森－3項目之后不久，法國國家空間研究中心即與TAS簽署了合同。

賈森－3運行軌道高度約1336km，軌道傾角66.038°，軌道重復周期9.9天。衛星發射質量約553kg，其中平臺質量277kg，載荷質量255kg。衛星為三軸姿態穩定，執行機構采用反作用輪和磁力矩棒。它通過2個太陽面板提供功率，壽命末期功率為550W。衛星指向精度0.15°，星上數據存儲容量2Gbit。設計壽命5年。

賈森－3衛星結構

賈森－3衛星遙測、跟蹤和控制采用S頻段天線正交相移鍵控（QPSK）調制，下傳速率為838kbit/s，上傳速率為4kbit/s。衛星正反向通信鏈路模式采用國際空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）通信協議。此外，遙測還采用卷積編碼。

3　有效載荷

除了波塞冬－3B高度計、先進微波輻射計－2儀器、全球定位系統有效載荷、無線電定位組合系統和激光反射器陣列外，賈森－3衛星還攜帶了2個試驗儀器，表征與建模環境－3（CARMEN－3）和輕粒子望遠鏡（LPT），用于減小衛星的輻射效應。

波塞冬－3B高度計參數表

波塞冬－3B高度計

波塞冬－3B高度計為波塞冬－2的后續產品，由歐洲氣象衛星應用組織投資，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司建造。波塞冬－3B為雙頻（5.3GHz和13.6GHz）天底點雷達高度計，為賈森－3衛星上最重要的儀器。目標是繪制海表地形圖、計算海洋表面流速度、測量海浪高度和風速。波塞冬－3的測量精度與波塞冬－2相同。

此外，波塞冬－3B還具有試驗模式，支持海岸帶、湖泊和河流附近的測量。這將通過開環追蹤來實現：衛星表面距離將利用近實時軌道定位法通過高度計進行評估，并使用高度計內數字高程模型（DEM）存儲的GRIM5大地水準面進行表面高程評估。波塞冬－3B的普爾斯重復頻率在波塞冬－2中也經常出現，處理和控制單元（PCU）大部分重復使用歐洲航天局“冷衛星”（CryoSat）上干涉/合成孔徑雷達高度計（SIRAL）的電子設備。

波塞冬－3B儀器

波塞冬－3B天線

先進微波輻射計－2

先進微波輻射計－2（AMR－2）儀器由美國國家海洋和大氣管理局投資，美國航空航天局噴氣推進實驗室（JPL）研制，目標是測量對流層水蒸氣延遲的高度計信號路徑。

先進微波輻射計－2為被動微波輻射計，在18.7GHz、23.8GHz和34GHz測量天底點方向的亮溫，對高度計的路徑延時進行改正（亮溫可轉化為路徑延時信息）。23.8GHz為主要的水蒸氣測量通道，34GHz通道主要提供非降雨云區域的校正，18.7GHz通道提供海面背景輻射中由風所致的效應增強校正。

先進微波輻射計－2由兩部分組成：電子結構組件（ESA）和反射器結構組件（RSA）。前者由美國航空航天局噴氣推進實驗室研制，后者由ATK航天系統公司研制。

電子結構系統組件

反射器結構組件

新一代DGXX-S接收機外觀

精確定軌系統

星載多普勒無線電定軌定位系統采用了60個全球地面網定軌信標，通過2個頻率向星載接收機發送信號。測量衛星相對運動引發信號頻率的移動（稱為多普勒頻移）可得出衛星速度。隨后這些數據融入軌道確定模型，確保長久跟蹤衛星的精確軌道位置（精度3cm內）。

該儀器由歐洲氣象衛星應用組織投資，法國國家空間研究中心研制，基于賈森－2衛星的經驗，為其星載多普勒無線電定軌定位系統的新一代DGXX-S接收機。其中對建模太陽翼位置進行了改進。當前的模型改進將對如下進行融合，包括反照率和紅外壓力、國際地球參考框架2008（ITRF 2008）、極點預測、希爾沿軌經驗加速、星載超穩振蕩器（USO）頻率預測等等，這需要更多的精確二極管導航工具。

GPS有效載荷

全球定位系統有效載荷（GPSP）采用全球定位系統（GPS）來通過三角測量來確定衛星位置，同樣的方法可在地球上獲得GPS修復，至少需要3顆GPS衛星才能確定特定瞬間的移動準確位置，隨后位置數據將融入軌道確定模型，連續跟蹤衛星軌跡。

GPS電子單元

GPSP儀器由美國海洋大氣管理局投資，NASA研制。該儀器設計原理與賈森－1和賈森－2衛星類似，但又有著不同之處。其數據處理或產品沒有變化，預期性能與賈森－2衛星相同或優于它。

激光反射器陣列

激光反射器陣列為下一代“托佩克斯/波塞冬”衛星星載儀器，由ITE股份有限公司建造，美國海洋大氣管理局基于NASA/戈達德空間飛行中心（GSFC）合同投資。激光反射器陣列可為基準目標提供衛星激光測距（SLR）測量，這是POD系統和高度計定標的重要部分。激光反射器陣列安裝在朝向天底點方向，為無源裝置，由9個去頂的石英三角棱鏡組成，其中1個位于頂部中心，其他8個分布在一周8個面上。這種排列結構使得激光測距視場角（FOV）能達到方位向360°，垂直向60°。后向反射鏡優化后波長為532nm（綠），FOV約120°。激光反射器陣列儀器質量為2.2kg。

激光反射器陣列為被動儀器，充當基準目標的作用，由地面站進行激光跟蹤測量。激光跟蹤數據分析后可計算衛星的高度，精度達到幾毫米。盡管如此，由于地面站數量少，激光波束對于天氣條件的敏感性低，使得無法連續跟蹤衛星，因此還需要攜帶其他星載位置系統。

激光反射器陣列

試驗儀器

賈森－3衛星攜帶了表征與建模環境－3和輕粒子望遠鏡來進行聯合輻射試驗（JRE）。

（1）表征與建模環境－3

表征與建模環境－3為空間環境測量的一種專用儀器概念，包括軌道碎片、高與低能量粒子，由模塊ICARE-NG和附加的遙感器AMBRE組成。模塊ICARE-NG為研究空間輻射效應及其對電子組件影響的專用儀器。遙感器AMBRE能探測低級別離子與電子。

輕粒子望遠鏡－E外觀

輕粒子望遠鏡－S外觀

表征與建模環境－3儀器同時具有粒子任務目標和衛星相關的目標：

1）模塊ICARE－NG的科學目標：允許測量帶電粒子流量和進行電子組件測試時這些粒子流量的影響。

2）遙感器AMBRE的科學目標：允許測量靜電放電時的低能量帶電粒子流量。

3）表征與建模環境－3的任務目標：允許當地輻射環境特征和評估潛在的漂浮設備，尤其是南大西洋異常區域（SAA）的輻射，在進行聯合輻射試驗（JRE）時與輕粒子望遠鏡儀器進行數據交叉定標。

表征與建模環境－3（CNES儀器）為一種放射量測定器，用于提高對“賈森”衛星軌道，特別是其主動輻射的了解。

（2）輕粒子望遠鏡

輕粒子望遠鏡為日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的探測單元，可對表征與建模環境－2的輻射測量數據進行補充。2006年6月，該機構和法國國家空間研究中心就簽署了諒解備忘錄，想要在賈森－2衛星上安裝日本宇宙航空研究開發機構的激光反射器陣列組件。

輕粒子望遠鏡由兩部分組成，分別為輕粒子望遠鏡－E和輕粒子望遠鏡－S。前者安裝在衛星內部，后者安裝在衛星外部。輕粒子望遠鏡－E可針對賈森－2衛星提供電子輸入/輸出（I/F）功能。它從衛星系統接收主要功率供給，為敏感器和電路提供二次功率。它還能根據標準可重構的觀測、通信與科學衛星平臺（賈森－2衛星使用）規定的協議，通過MIL-1553B總線接收遙測指令，發送遙測數據。輕粒子望遠鏡－S包括4個敏感單元，分別為ELSA、ELS－B、APS－A、APS－B。這些敏感單元在天頂方向具有視場（FOV），分別為±10.0°、±16.7°、±16.8°、±14.0°。

王曉宇/本文編輯