國(guó)外星載成像高度計(jì)系統(tǒng)發(fā)展研究

任晶晶 張慶君 賈宏 劉杰 張歡

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

中尺度渦在大洋環(huán)流中有著重要的作用，空間尺度一般在50～100 km，存在時(shí)間短則幾十天，長(zhǎng)則達(dá)半年以上。亞中尺度渦空間尺度較中尺度渦小，通常僅有幾十千米。中尺度及亞中尺度海洋現(xiàn)象約占全球海洋動(dòng)能的90%，因此這兩種過(guò)程十分普遍，其觀測(cè)的重要性已經(jīng)成為海洋學(xué)界的共識(shí)。海洋高度計(jì)采樣的中尺度渦旋和海面高度(SSH)以及洋流速度場(chǎng)信息有助于理解各種空間和時(shí)間尺度上的全球海洋環(huán)流動(dòng)態(tài)特征[1]，其中最重要的是對(duì)這種能極大地改變海洋背景場(chǎng)的中尺度和亞中尺度渦現(xiàn)象進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的觀測(cè)。由于傳統(tǒng)的海洋雷達(dá)高度計(jì)地面刈幅非常小，導(dǎo)致地面軌道間隔大，幾乎不可能對(duì)中尺度以下的海洋現(xiàn)象進(jìn)行有效觀測(cè)，例如海洋地貌實(shí)驗(yàn)-海洋動(dòng)力學(xué)綜合監(jiān)視與研究觀測(cè)衛(wèi)星(Topex/Poseidon)高度計(jì)的重訪周期是10天，在赤道附近的軌道間隔達(dá)到300 km，這樣的縫隙往往導(dǎo)致中尺度和亞中尺度現(xiàn)象很容易被遺漏。

有兩種辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題：①用幾顆星下點(diǎn)測(cè)高衛(wèi)星星座進(jìn)行數(shù)據(jù)同化；②采用一顆成像高度計(jì)衛(wèi)星同時(shí)獲得高分辨率寬刈幅的海洋測(cè)高數(shù)據(jù)[2]。成像高度計(jì)是一種干涉式測(cè)高系統(tǒng)，通過(guò)2副相距一定空間距離(即干涉基線)的天線同時(shí)獲取來(lái)自海面同一目標(biāo)點(diǎn)的雷達(dá)回波信號(hào)，并經(jīng)過(guò)相位解纏繞處理計(jì)算出這2個(gè)信號(hào)的相位差，進(jìn)而獲得這2個(gè)信號(hào)所經(jīng)過(guò)的路徑差，再通過(guò)解算2副天線與目標(biāo)組成的三角幾何關(guān)系，最終計(jì)算出海面高度，由此可極大提高海洋觀測(cè)和監(jiān)視的效率。這種成像高度計(jì)自問(wèn)世以來(lái)受到各國(guó)海洋學(xué)科學(xué)家的重視，其應(yīng)用前景無(wú)可限量，是國(guó)際上正在發(fā)展的高技術(shù)前沿領(lǐng)域。

本文分析了現(xiàn)有星載成像高度計(jì)系統(tǒng)的規(guī)劃路線和研究現(xiàn)狀，比較分析了成像高度計(jì)在觀測(cè)中尺度、亞中尺度渦的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)針對(duì)時(shí)空分辨率、成像幅寬、軌道選擇、測(cè)高精度、工作頻率和輔助載荷等衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)人員關(guān)心的問(wèn)題進(jìn)行闡述，為成像高度計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 星載雷達(dá)高度計(jì)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃

20世紀(jì)70年代末，美國(guó)、蘇聯(lián)發(fā)射了一系列專用的海洋衛(wèi)星，從20世紀(jì)90年代起，開始業(yè)務(wù)化運(yùn)行。目前，美國(guó)、歐洲、蘇聯(lián)/俄羅斯、日本、印度、加拿大和韓國(guó)都發(fā)展了高度計(jì)衛(wèi)星，包括Topex/Poseidon衛(wèi)星、冷衛(wèi)星(極區(qū)冰層監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，Cryosat)、數(shù)據(jù)采集與Ka頻段高度計(jì)衛(wèi)星(SARAL)及“賈森”(Jason)系列衛(wèi)星、“哨兵”(Sentinel)系列衛(wèi)星等，如圖1所示[3]。

圖1 當(dāng)今和未來(lái)的國(guó)外海洋高度計(jì)衛(wèi)星任務(wù)圖 Fig.1 Nowadays and future ocean altimetry plan

盡管傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)取得了非常矚目的進(jìn)展(通過(guò)潮汐表的精確校準(zhǔn)使得星下點(diǎn)高度計(jì)測(cè)高精度達(dá)到了厘米級(jí)的水平)，但由于衛(wèi)星軌道之間存在200～300 km的間隙，導(dǎo)致海洋學(xué)中這一重要尺度特征洋流信息和陸地上大量的地表水體信息無(wú)法被長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地觀測(cè)到，從而嚴(yán)重制約了海洋動(dòng)力學(xué)和陸地水文學(xué)研究，無(wú)法滿足當(dāng)前新型海洋觀測(cè)的應(yīng)用需求。

目前，由于缺乏在軌的海面高度高分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)，使得10～100 km范圍內(nèi)的海洋環(huán)流觀測(cè)數(shù)據(jù)(主要是海洋渦流數(shù)據(jù))缺失。數(shù)值模式模擬表明，在世界上許多洋區(qū)，這一尺度能量變化在大尺度海洋環(huán)流和氣候變化中起著關(guān)鍵作用[1]。為了解決物理海洋學(xué)的這一問(wèn)題，人們首先提出了基于合成孔徑技術(shù)的高分辨成像高度計(jì)。美國(guó)研制的合成孔徑/干涉高度計(jì)(SIRAL)是世界上首臺(tái)高分辨率成像高度計(jì)，已于2013年發(fā)射入軌，可以為用戶提供交軌方向的海面地形圖像，但是它被設(shè)計(jì)地更適用于陸地冰和海冰觀測(cè)，且同樣受限于軌道縫隙的限制。文獻(xiàn)[4]于2004年首次提出了一種名為“寬幅海洋高度計(jì)”(WSOA)的星載系統(tǒng)，在交軌方向上采用成像高度計(jì)來(lái)提供二維海洋中尺度特征圖像；這樣做的好處是一次航過(guò)即可對(duì)中尺度渦等海洋現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，不幸的是，這一計(jì)劃由于缺乏資金而被取消。2006年，一項(xiàng)基于這種技術(shù)同時(shí)針對(duì)海洋和陸地水測(cè)繪應(yīng)用的地表水與海洋地形學(xué)(The Surface Water and Ocean Topography Mission，SWOT)任務(wù)計(jì)劃被提交給美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)。SWOT的科學(xué)目的包含海洋學(xué)和地表水二個(gè)方面。海洋學(xué)方面是研究海洋10～100 km或更大范圍空間精度的中低尺度洋流的海洋動(dòng)力環(huán)境。地表水方面將研究提供所有表面面積超過(guò)250 m2的水體(例如湖、蓄水池、濕地)、寬度超過(guò)100 m(目標(biāo)是50 m)河流的全球分布情況[4]。

文獻(xiàn)[4]給出了WSOA、SWOT計(jì)劃與星下點(diǎn)雷達(dá)高度計(jì)衛(wèi)星在時(shí)間和空間采樣特性上的比較分析。受到各國(guó)衛(wèi)星規(guī)劃和衛(wèi)星壽命等諸多因素限制，在現(xiàn)有的業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海面測(cè)高系統(tǒng)中，即使結(jié)合2～3顆星下點(diǎn)雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)，也無(wú)法得到海洋渦旋場(chǎng)特別是中尺度、亞中尺度渦高分辨率長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的觀測(cè)數(shù)據(jù)。這是由于，在利用星下點(diǎn)高度計(jì)對(duì)中尺度現(xiàn)象觀測(cè)時(shí)，需要根據(jù)海洋信號(hào)空間和時(shí)間尺度的先驗(yàn)知識(shí)，采用最優(yōu)插值的方法進(jìn)行海洋中尺度變化推演。但是，當(dāng)使用這種內(nèi)插方法將數(shù)據(jù)映射到常規(guī)的空間或時(shí)間網(wǎng)格上時(shí)，沿軌長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)誤差可能會(huì)在小尺度上引入人為的交叉梯度，從而產(chǎn)生虛假的渦流信號(hào)[5]。因此，在融合多顆高度計(jì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行中尺度海洋現(xiàn)象分析時(shí)，首先就要消除這種虛假的高頻海洋信號(hào)，這就需要有“同質(zhì)”和“交叉校準(zhǔn)”的高度計(jì)數(shù)據(jù)集?！巴|(zhì)”代表這些高度計(jì)衛(wèi)星需采用相同的軌道和參考系統(tǒng)，以及相同的地球物理修正模型，如相同的潮汐模型，相同氣象模型等。“交叉校準(zhǔn)”意味著必須糾正相對(duì)偏差和漂移，以及減少軌道誤差；國(guó)際目前常用的辦法是采用高精度Jason-1衛(wèi)星作為其他衛(wèi)星的參考[2]。但即使上述這些苛刻的條件都被滿足，即能夠找到同時(shí)在軌可用的4顆Jason級(jí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，洋流速度場(chǎng)測(cè)繪誤差還是會(huì)具有較大的誤差，這是采用數(shù)據(jù)同化辦法無(wú)法解決的問(wèn)題。單顆星下點(diǎn)雷達(dá)高度計(jì)的時(shí)空分辨率無(wú)法滿足中尺度特別是亞中尺度海洋現(xiàn)象觀測(cè)的要求，而1顆如WSOA或者SWOT類型的星載成像高度計(jì)系統(tǒng)就可以讓科學(xué)家們對(duì)平均海平面異常的變化特征及中尺度渦的分布規(guī)律進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間系統(tǒng)化研究，這顯然比利用多顆傳統(tǒng)星下點(diǎn)高度計(jì)衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)融合要更加經(jīng)濟(jì)高效。

目前，各國(guó)都在致力于研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)寬刈幅觀測(cè)和中小尺度海洋觀測(cè)的星載成像高度計(jì)系統(tǒng)，如：美國(guó)SWOT衛(wèi)星計(jì)劃、日本新型高精度海面高度干涉測(cè)量(COMPIRA)衛(wèi)星計(jì)劃、歐洲星載混合基線干涉式洋流成像探測(cè)雷達(dá)(WAVEWILL)衛(wèi)星計(jì)劃等。表1給出了這些星載干涉式成像高度計(jì)系統(tǒng)配置和參數(shù)對(duì)比[1-7]。

表1 星載成像高度計(jì)系統(tǒng)配置和參數(shù)對(duì)比

2 科學(xué)任務(wù)分析及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 空間尺度

海洋渦流在海洋環(huán)流中廣泛存在，其規(guī)模約為300 km或者更小，包含海洋動(dòng)能的很大一部分，可以反映出海洋熱能、海洋化學(xué)和生物學(xué)的特征。成像高度計(jì)的海洋學(xué)科學(xué)任務(wù)之一就是通過(guò)測(cè)量SSH來(lái)表征海洋中尺度和亞中尺度渦流。

根據(jù)目前在軌的海洋表面溫度紅外成像以及光學(xué)或者雷達(dá)成像結(jié)果顯示目前海洋渦流會(huì)下降到10 km甚至更低[6]，且渦旋半徑還會(huì)隨著觀測(cè)緯度的變化而變化，從高緯度的15 km到赤道附近200多千米[8]。在大于10 km尺度的海洋環(huán)流問(wèn)題的研究上，洋面瞬時(shí)速度并不重要，長(zhǎng)時(shí)間空間平均的速度場(chǎng)信息才是最關(guān)鍵的。因此星載成像高度計(jì)的空間尺度一般設(shè)計(jì)為大于10 km，例如，SWOT衛(wèi)星最終將15～20 km尺度海洋現(xiàn)象做為最小觀測(cè)目標(biāo)。

2.2 時(shí)間分辨率以及成像幅寬

對(duì)于中尺度渦全球觀測(cè)則要求成像高度計(jì)至少要在赤道處一次航過(guò)需覆蓋大于100 km幅寬，才能滿足赤道附近觀測(cè)需求。由于成像高度計(jì)通常采用左右側(cè)視方式，圖像會(huì)同時(shí)到達(dá)接收天線，從時(shí)間上無(wú)法分辨左右側(cè)視圖像。因此成像高度計(jì)不能以星下點(diǎn)為中心同時(shí)進(jìn)行左右刈幅的觀測(cè)，完整的觀測(cè)刈幅通常被分成“左側(cè)”和“右側(cè)”兩種。因此，每側(cè)的幅寬要求為分別大于50 km。例如，SWOT衛(wèi)星觀測(cè)刈幅寬度即設(shè)計(jì)為120 km，左右側(cè)各60 km，中間空白區(qū)域?yàn)?0 km，左右側(cè)各10 km。

此外，由于中尺度海洋現(xiàn)象一般保持的時(shí)間為15～20天[9]，并且考慮到成像高度計(jì)測(cè)量時(shí)會(huì)進(jìn)行空間平均(多視)以形成“平均單元”，因此時(shí)間分辨率應(yīng)選擇在小于10天，這與軌道重復(fù)周期的選擇息息相關(guān)。

2.3 軌道選擇

軌道特性主要由3個(gè)軌道參數(shù)確定：軌道傾角、軌道高度和重復(fù)周期。在進(jìn)行成像高度計(jì)軌道選擇時(shí)，需要根據(jù)海洋環(huán)流和潮汐測(cè)量所需要海平面測(cè)量精度、空間以及時(shí)間分布來(lái)確定衛(wèi)星的時(shí)間和空間采樣等軌道特性。

1)軌道傾角

考慮到潮汐混疊、時(shí)間分辨率以及定標(biāo)場(chǎng)覆蓋等因素[10]，越來(lái)越多的海洋測(cè)高衛(wèi)星選擇運(yùn)行在非太陽(yáng)同步軌道上，星載成像高度計(jì)系統(tǒng)在這方面的選擇原則與傳統(tǒng)高度計(jì)系統(tǒng)一致。其軌道傾角范圍的選擇主要考慮海面上沿緯度方向的海洋現(xiàn)象觀測(cè)，例如，為了完全觀測(cè)南極繞極流，軌道傾角通常在65°～115°之間[11]。最小傾角通常由觀測(cè)區(qū)域的最大緯度范圍確定，例如COMPIRA衛(wèi)星觀測(cè)區(qū)域?yàn)槟媳本?1°之間，地面足跡可覆蓋波斯灣至美國(guó)西海岸，包含98%北緯35°的日本周邊海域，因此其軌道傾角最終就選擇為51.2°。

采用非太陽(yáng)同步軌道的另一個(gè)好處是可以獲得接近正交的軌道，以避開太陽(yáng)潮的影響，同時(shí)這種軌道更有利于獲得采樣點(diǎn)分布均勻的海面高程信息來(lái)用于海洋現(xiàn)象動(dòng)態(tài)觀測(cè)。但是非太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星由于太陽(yáng)受照情況復(fù)雜，衛(wèi)星通常帶有兩塊太陽(yáng)翼，且衛(wèi)星會(huì)根據(jù)軌道實(shí)時(shí)調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，進(jìn)行偏航轉(zhuǎn)向，以配合太陽(yáng)翼轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)獲取更大的能源，滿足載荷全天時(shí)工作的能源和熱控需求。在這種情況下，成像高度計(jì)的干涉基線方向?qū)⒉皇亲罴训?最佳基線應(yīng)保持與速度矢量正交)，并且太陽(yáng)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)、平臺(tái)的移動(dòng)將影響成像高度計(jì)基線穩(wěn)定性。所以，從干涉基線保持的角度來(lái)看，太陽(yáng)同步軌道實(shí)際上比非太陽(yáng)同步軌道更有優(yōu)勢(shì)，這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮的一個(gè)因素。

2)軌道高度

關(guān)于衛(wèi)星軌道高度的選擇，成像高度計(jì)主要是對(duì)中尺度海洋現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，而中尺度海洋信號(hào)的測(cè)量受精密定軌后剩余誤差中的長(zhǎng)波長(zhǎng)的影響較小[4]，這導(dǎo)致成像高度計(jì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道可以低于傳統(tǒng)高度計(jì)衛(wèi)星如Jason的運(yùn)行軌道。因此，SWOT衛(wèi)星最終選擇了800 km左右的軌道高度，這是綜合考慮了定軌誤差的影響以及成像高度計(jì)雷達(dá)的技術(shù)難度如發(fā)射功率等因素后確定下來(lái)的。

3)軌道重復(fù)周期

關(guān)于軌道重復(fù)周期的確定，成像高度計(jì)在進(jìn)行軌道重復(fù)周期選擇時(shí)，除了跟傳統(tǒng)高度計(jì)一樣需要考慮分潮和定標(biāo)的要求以外，還需要根據(jù)中尺度海洋現(xiàn)象的特征進(jìn)行重點(diǎn)分析。由于海洋中尺度、亞中尺度現(xiàn)象分析是基于海平面異常(SLA)數(shù)據(jù)進(jìn)行的，且在開放海域的海平面異常去相關(guān)時(shí)間約為10天(赤道)～15天(極地)，因此，周期為10天的重復(fù)軌道可被作為研究目標(biāo)之一。

此外，根據(jù)多個(gè)星下點(diǎn)高度計(jì)數(shù)據(jù)再分析的結(jié)果，3天的軌道重復(fù)周期也有利于中尺度海洋現(xiàn)象的研究[2]，例如海冰動(dòng)力學(xué)觀測(cè)通常需要3天連續(xù)觀測(cè)，因此周期為3天的重復(fù)軌道也是研究目標(biāo)之一。為了同時(shí)滿足觀測(cè)需求和選擇更多合適的軌道，軌道子周期的概念被提出來(lái)[12]，設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合衛(wèi)星實(shí)際科學(xué)任務(wù)的側(cè)重進(jìn)行衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)。例如，SWOT衛(wèi)星就設(shè)計(jì)了周期為10天整數(shù)倍且子周期為3天的軌道方案。

2.4 海面高度測(cè)量精度要求

海面高度測(cè)量精度要求完全依據(jù)科學(xué)任務(wù)需求而定，對(duì)中尺度應(yīng)用最有效的海面高度測(cè)量精度最小和最大閾值分別為2 cm和10 cm，因此有文獻(xiàn)指出海面高度測(cè)量精度要求定為6 cm是比較合理的，同時(shí)還給出了相應(yīng)的系統(tǒng)誤差分配結(jié)果：雷達(dá)系統(tǒng)本身的儀器誤差為5 cm，定軌誤差、對(duì)流層誤差以及電磁偏差等誤差共分配為3 cm[8]。

SWOT衛(wèi)星則是針對(duì)海洋應(yīng)用和陸地水測(cè)量應(yīng)用分開提需求，海洋應(yīng)用延續(xù)Jason系列的高精度測(cè)量水平；而COMPIRA和WAVEMILL兩顆衛(wèi)星則設(shè)計(jì)在7 cm左右，這是由于這2顆衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)要兼顧海洋洋流的觀測(cè)需求，受限于觀測(cè)機(jī)理高度測(cè)量精度無(wú)法達(dá)到很高的水平。圖2給出了根據(jù)美國(guó)為SWOT衛(wèi)星海洋科學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)開發(fā)的SWOT Simulator軟件進(jìn)行SWOT第292軌成像高度計(jì)的測(cè)量結(jié)果，其中考慮了系統(tǒng)儀器噪聲、濕對(duì)流層時(shí)延、基線長(zhǎng)度測(cè)量誤差、傾角測(cè)量誤差、干涉相位測(cè)量等誤差因素。

圖2 SWOT衛(wèi)星成像高度計(jì)第292軌測(cè)量結(jié)果模擬圖Fig.2 SWOT simulator result of 292 pass

2.5 工作頻率選擇

傳統(tǒng)高度計(jì)衛(wèi)星通常選擇Ku和C雙頻段，主要是由于Ku頻段需要進(jìn)行電離層校正。SWOT衛(wèi)星擬采用Ka頻段(35.75 GHz頻率)，與傳統(tǒng)的Ku頻段雷達(dá)儀器相比，它可以實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量(更低的噪聲水平)和更好的空間分辨率，例如1 s測(cè)距噪聲可改善約40%，垂直分辨率可由Ku頻段的0.5 m變?yōu)镵a頻段的0.3 m[2]。該高度計(jì)可以單獨(dú)用于海洋衛(wèi)星或者與雙頻(Ku、C頻段)高度計(jì)一起應(yīng)用于未來(lái)的Jason類高精度的海洋衛(wèi)星任務(wù)上。從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，Ka頻段有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 選擇Ka頻段可以提供更大的帶寬，例如SARAL衛(wèi)星上搭載的Ka頻段成像高度計(jì)(AltiKa)信號(hào)帶寬高達(dá)500 MHz，較傳統(tǒng)Ku頻段雷達(dá)高度計(jì)帶寬提高近一倍，因此垂直分辨率也提高近一倍。由于天線孔徑更小，海面回波信號(hào)的平均功率波形“后沿”會(huì)迅速衰減，這在海陸交界地帶，會(huì)大大減小“陸地門”對(duì)“海洋門”的影響[2]。這一結(jié)論通過(guò)地中海西北部Jason衛(wèi)星和SARAL衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)比[13]就可以看出，在近岸50 km處，由于陸地干擾，傳統(tǒng)高度計(jì)測(cè)量誤差較大：Jason-2衛(wèi)星有效測(cè)量數(shù)據(jù)為88.6%，而SARAL衛(wèi)星有效測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)95.1%；在近岸10 km處，Jason-2衛(wèi)星有效測(cè)量數(shù)據(jù)僅為31%，而SARAL衛(wèi)星有效測(cè)量數(shù)據(jù)仍有60%。

(2) Ka頻段的海面回波去相關(guān)時(shí)間較Ku頻段更短，與Ku頻段高度計(jì)相比，Ka頻段高度計(jì)每秒的獨(dú)立回波個(gè)數(shù)增加近一倍，SARAL衛(wèi)星脈沖重復(fù)頻率(PRF)設(shè)計(jì)值高達(dá)4 kHz，并且可沿軌道調(diào)整。

(3)由于Ka頻段天線波束寬度較小，布朗回波在Ka段段中具有更尖銳的形狀，因此減少了天線照亮面積，在800 km的軌道高度，3 dB天線波束照亮區(qū)域面積半徑大約為4～6 km，而Jason-1衛(wèi)星約為15 km，這有助于提高測(cè)量的空間分辨率以及區(qū)分過(guò)渡地帶的表面類型(如海陸交界，海冰等)[2，13]。此外還有文獻(xiàn)提出Ka頻段有利于在雨季監(jiān)測(cè)土壤濕度動(dòng)態(tài)變化[9]。

(4)Ka頻段受電離層影響較小，僅為0.02 ns延遲，對(duì)應(yīng)的測(cè)高誤差僅為3 mm，SARAL衛(wèi)星在極端條件下，還會(huì)采用星載多普勒軌道和無(wú)線電定位組合系統(tǒng)(DORIS)一起對(duì)Ka頻段高度計(jì)進(jìn)行雙頻電離層校正[2]。

Ka頻段也對(duì)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)起了一些挑戰(zhàn)，比如Ka頻段對(duì)星上處理技術(shù)要求更高；Ka頻段工程實(shí)現(xiàn)面臨最大的問(wèn)題來(lái)自于雨衰，在Ka頻段，云液態(tài)水即使是小雨降水也可以強(qiáng)烈地衰減信號(hào)[14]。因此，降低降雨量影響對(duì)Ka頻段高度計(jì)測(cè)量的是非常重要的。除了衰減效應(yīng)之外，降雨還會(huì)影響波形的形狀。高度計(jì)足跡中雨分布的不均勻性會(huì)影響回波波形，從而影響SSH的測(cè)量精度。因此，需用特定的算法將雨水對(duì)Ka頻段回波的影響予以糾正或消除。

研究表明，傳統(tǒng)Ku/C雙頻雷達(dá)高度計(jì)受降雨的影響要比Ka頻段小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，傳統(tǒng)高度計(jì)信號(hào)處理中，降雨標(biāo)記程序的一些近似條件已經(jīng)不再適用于Ka頻段高度計(jì)，尤其在小降雨量的情況下，需要重新開發(fā)此類降雨標(biāo)記程序算法。

此外，在頻段選擇上還需要考慮衛(wèi)星電磁兼容(EMC)問(wèn)題。以SARAL衛(wèi)星為例，其微波輻射計(jì)采用23.8 GHz和36.8 GHz頻率，與高度計(jì)的35.5 GHz的工作頻率十分接近。因此需要采用有效措施解決整星EMC問(wèn)題，SARAL衛(wèi)星的解決策略為將35.5～36 GHz工作頻率分配給高度計(jì)使用，36.6～37 GHz分配給微波輻射計(jì)使用，同時(shí)為了解決設(shè)備布局空間緊張問(wèn)題，高度計(jì)和微波輻射計(jì)采用共用天線的方式，通過(guò)極化隔離，利用開關(guān)切換兩者工作時(shí)序。采用X頻段和Ku頻段的COMPIRA衛(wèi)星和WAVEMILL衛(wèi)星則避免了上述問(wèn)題，這兩顆衛(wèi)星的頻段選擇主要是考慮其各自的科學(xué)任務(wù)以及技術(shù)繼承性和成熟度。

圖3 不同頻段干涉相位測(cè)量精度對(duì)測(cè)高精度影響比較分析Fig.3 Different frequency effects on SSH

在成像高度計(jì)頻段比較時(shí)，還需要考慮不同頻段對(duì)干涉相位測(cè)量引入的測(cè)高誤差的影響。圖3給出了在相同基線長(zhǎng)度10 m下，X、Ku、Ka等頻段在有效波高(SWH)為2 m和4 m時(shí)干涉相位測(cè)量精度對(duì)測(cè)高精度影響比較分析。頻率對(duì)測(cè)高誤差的影響由系統(tǒng)信噪比、干涉基線長(zhǎng)度引入的空間去相關(guān)以及海面干涉回波信號(hào)的時(shí)間去相關(guān)等因素共同決定。如圖所示，在相同基線長(zhǎng)度情況下，Ka頻段最優(yōu)、Ku頻段次之、X頻段最差，但Ka頻段受海況影響較大，在小入射角時(shí)不同海況測(cè)高誤差變化較大。同時(shí)此處并沒(méi)有考慮云層、降雨覆蓋的影響，因?yàn)楹Ｃ孑^大面積和較長(zhǎng)時(shí)間都會(huì)存在云層覆蓋和降雨影響，對(duì)于Ka頻段來(lái)說(shuō)，這會(huì)導(dǎo)致其在干涉路徑上的延時(shí)波動(dòng)非常大，直接影響了干涉相位的穩(wěn)定，從而對(duì)海面測(cè)高產(chǎn)生非常不利的影響。因此在進(jìn)行成像高度計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，頻率的選擇需要綜合考慮各方面因素最終確定。

2.6 輔助載荷的配置

傳統(tǒng)星下點(diǎn)高度計(jì)獲得高精度測(cè)高信息時(shí)必須進(jìn)行大氣中水汽、云液態(tài)水導(dǎo)致的路徑時(shí)延修正。由于大氣中水汽、云液態(tài)水主要集中于對(duì)流層，這一誤差被稱為濕對(duì)流層路徑延遲。在不同大氣條件下，雷達(dá)信號(hào)的路徑延遲可達(dá)到5～50 cm。濕對(duì)流層路徑延遲修正主要有兩種方法：

(1)預(yù)報(bào)產(chǎn)品修正，濕對(duì)流層路徑延遲改正量計(jì)算的預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)源主要有：①美國(guó)的美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)預(yù)報(bào)，②歐洲的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)預(yù)報(bào)。后者的精度略好于前者。

(2)采用微波輻射計(jì)進(jìn)行修正，由于大氣中的水汽含量是隨著空間時(shí)間變化，而預(yù)報(bào)產(chǎn)品修正數(shù)據(jù)通常要延遲數(shù)月才能獲得，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修正，因此傳統(tǒng)星下點(diǎn)高度計(jì)衛(wèi)星一般會(huì)專門配置一種為雷達(dá)高度計(jì)提供濕對(duì)流層路徑延遲修正的微波輻射計(jì)配合使用。這種微波輻射計(jì)通過(guò)被動(dòng)地接收傳播路徑上大氣中云液態(tài)水、水汽輻射的微波能量來(lái)探測(cè)傳播路徑所經(jīng)過(guò)對(duì)流層的物理特性，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算獲得高度計(jì)信號(hào)的時(shí)延信息，具有全天時(shí)、全天候的實(shí)時(shí)修正能力。星載三頻微波輻射計(jì)是目前精度最高、最有效的濕對(duì)流層延遲反演手段。

成像高度計(jì)信號(hào)穿過(guò)海面大氣對(duì)流層時(shí)會(huì)產(chǎn)生延遲，干擾海面高度測(cè)量的準(zhǔn)確性，且由于寬幅信號(hào)傳播路徑較星下點(diǎn)回波信號(hào)復(fù)雜，完全實(shí)現(xiàn)同程校正難度很大。這就要求結(jié)合成像高度計(jì)的主工作頻段以及科學(xué)任務(wù)的精度要求進(jìn)一步分析輔助載荷的配置需求。SWOT衛(wèi)星在選擇輔助載荷的配置時(shí)，針對(duì)成像高度計(jì)寬幅設(shè)計(jì)了左右側(cè)視雙波束微波輻射計(jì)和星下點(diǎn)波束微波輻射計(jì)，并比較了兩者的路徑延遲校正效果[15]。由于星下點(diǎn)微波輻射計(jì)無(wú)法對(duì)交軌方向的水汽變化情況進(jìn)行探測(cè)，采用星下點(diǎn)微波輻射計(jì)校正路徑延遲時(shí)是將整個(gè)刈幅內(nèi)水汽變化作常值估計(jì)，在刈幅遠(yuǎn)端將產(chǎn)生接近2 cm的校正殘差，均方根(RMS)值也約有1.1 cm，這在任何海洋學(xué)應(yīng)用中都不能被忽略。而采用雙波束微波輻射計(jì)，兩個(gè)波束各指向左右刈幅的中心，這樣路徑時(shí)延校正后殘差RMS僅為0.4 cm，改善效果顯著，如圖4所示，特別是在熱帶地區(qū)，這樣的配置更有利于路徑時(shí)延的校正[15]。

圖4 采用雙波束微波輻射計(jì)校正后的路徑時(shí)延Fig.4 Wet tropo residual error after dual-beam radiometer measurement

SWOT任務(wù)現(xiàn)在還是傾向于采用傳統(tǒng)的18～37 GHz微波輻射計(jì)來(lái)校正因濕對(duì)流層路徑延遲造成的SSH誤差。但是在這些頻率下的微波輻射計(jì)受到陸地與海洋不同的發(fā)射率以及土地溫度的影響在50 km海岸線內(nèi)會(huì)產(chǎn)生重大的測(cè)量誤差。目前已經(jīng)有研究指出更高的頻率(90～170 GHz)的微波輻射計(jì)可以在相同的天線尺寸條件下實(shí)現(xiàn)更高的分辨率從而改善海陸交界處濕對(duì)流層路徑延遲的反演精度[16]。

3 對(duì)我國(guó)發(fā)展星載成像高度計(jì)系統(tǒng)的啟示

從國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，星載成像高度計(jì)系統(tǒng)是一種全新體制的海洋測(cè)高系統(tǒng)，其海洋遙感模型、指標(biāo)體系、誤差分配、關(guān)鍵技術(shù)均于傳統(tǒng)高度計(jì)系統(tǒng)有很大的不同。星載成像高度計(jì)采用小角度偏離天頂點(diǎn)觀測(cè)，利用高精度干涉相位測(cè)量技術(shù)、合成孔徑技術(shù)等同時(shí)獲得二維的高度信息，除了受傳播路徑延遲和精密定軌精度影響外，還受平臺(tái)姿態(tài)變化、基線振動(dòng)、基線測(cè)量精度、相位測(cè)量精度等因素影響，傳統(tǒng)高度計(jì)的海洋遙感模型和誤差分配方法已經(jīng)不再適用。

星載成像高度計(jì)系統(tǒng)指標(biāo)體系不只是與載荷產(chǎn)品性能有關(guān)，同時(shí)也與軌道選擇、數(shù)據(jù)應(yīng)用對(duì)衛(wèi)星的反要求等方面的研究有著密切關(guān)系，其指標(biāo)體系建立需要從科學(xué)任務(wù)出發(fā)重新建立分析方法，綜合考慮這些因素之間的相互耦合以及二維誤差傳遞過(guò)程，建立適用于星載成像高度計(jì)系統(tǒng)的全鏈路數(shù)學(xué)模型，亦可借鑒國(guó)外采用的新型功率-波數(shù)譜誤差分析方法，獲取沿二維空間譜積分后的測(cè)量精度值來(lái)進(jìn)行定量化誤差分配。但這種新型分析方法需要在設(shè)計(jì)前對(duì)各個(gè)誤差環(huán)節(jié)進(jìn)行海洋波數(shù)譜物理模型建立，我國(guó)目前在這方面的研究較少。在建立起這些物理模型后，還要綜合考慮這些設(shè)計(jì)要素之間的相互關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼壑?，在頂層指?biāo)設(shè)計(jì)上選擇切實(shí)可行的方案，滿足衛(wèi)星產(chǎn)品既達(dá)到厘米級(jí)高精度海面高度測(cè)量精度又要滿足大于100 km寬度觀測(cè)刈幅的目標(biāo)，獲取中尺度-亞中尺度渦的演變過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著海洋學(xué)的發(fā)展，利用多顆星下點(diǎn)衛(wèi)星高度計(jì)反演同化在中尺度渦數(shù)值模擬的適用性和同化效果不能滿足科學(xué)研究需要，星載成像高度計(jì)對(duì)中尺度、亞中尺度渦的高效精確測(cè)量特性越來(lái)越受到關(guān)注。因此，星載成像高度計(jì)正在成為國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文分析了國(guó)際上星載成像高度計(jì)的研究現(xiàn)狀，比較分析了傳統(tǒng)星下點(diǎn)高度計(jì)在觀測(cè)中尺度、亞中尺度渦的局限性，提出未來(lái)星載成像高度計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要關(guān)注海面高度測(cè)量誤差分配、指標(biāo)體系建立等的問(wèn)題,可為我國(guó)發(fā)展星載成像高度計(jì)系統(tǒng)提供參考。