基本介紹
- 中文名：土壤濕度和海洋鹽度衛星
- 外文名：Smos
- 研發單位：ESA
- 發射地點：普列謝茨克發射場
- 重量：658千克
- 在軌壽命：3年
任務,攜帶設備,意義,型號參數,套用現狀,存在問題,解決途徑,未來趨勢,
任務
歐洲航天局稱,該衛星能精確地描繪出水在陸地、海洋表面及大氣層間的交換情況,至少每3d繪出一幅地球土壤濕度圖,每30d繪出一幅海水含鹽量圖。科研人員可根據這些數據研究土壤濕度和海洋鹽度的變化過程及對地球天氣的影響,從而提高氣候變化及極端自然現象預測的準確性,並了解地球冰層的情況。此外,在中短期天氣預報、農業以及水資源管理等方面,這些數據也具有重要的套用價值。
攜帶設備
Smos攜帶了一台展開直徑約為8m、外形類似直升機螺旋槳的綜合孔徑微波成像輻射計,整套系統採用摺疊的方式置於火箭之中。這台名為Miras的科學儀器能通過對地球表面微波變化的觀測確定地球土壤的濕度和海水的鹽度。
土壤濕度和海洋鹽度研究衛星上裝備了一台先進的綜合孔徑微波成像輻射計，它能夠為地球拍攝“亮度溫度”的快照。在這些數據的基礎上，專家們每隔3天就能繪製出一幅土壤濕度的地圖，每隔30天完成一幅海洋鹽度的示意圖。通過對比不同時期的圖像，研究人員將可以更好地了解土壤濕度和海洋鹽度的變化過程及對地球天氣的影響，進一步改善此前建立的氣候模型；此外，這些數據還可用於農業和水資源管理。
意義
歐洲航天局局長讓·雅克·竇丹稱，這不只是一次普通的衛星發射，而是一次重要的事件。作為世界最主要的幾個航天機構之一，歐洲航天局正致力於加強對地球科學以及氣候變化問題的研究。
據了解，Smos是歐洲航天局地球探測項目的一個組成部分，該項目旨在研究地球大氣層、生物圈、水圈、地球的內部結構及人類活動對這些自然現象的影響，並力圖通過研究對當前人們所普遍擔憂的全球變暖等環境問題作出解釋。整個項目計畫由8顆衛星組成，首顆衛星——地球重力場和海洋環流探測衛星（Goce）已於今年3月17日被成功送入軌道，其主要任務是繪製地球表面引力變化圖。Smos是該項目的第二顆衛星，由法國公司製造，重658千克，設計使用壽命為3年。Smos項目耗資3150萬歐元（4650萬美元），主要投資方來自於法國和西班牙。
型號參數
軌道高度/km：755
解析度/km：30～50
幅寬/km：900
重訪周期/d：3～7
鹽度測量靈敏度/K：2.5
單次鹽度測量精度：1.2PSU（50km）
月平均鹽度測量精度：0.1PSU（200km）
設計壽命/年：3～5
套用現狀
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）。
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月數據處理軟體1.1版本的1.2PSU（100km）左右，降到2011年11月數據處理軟體1.2版本的0.9PSU（100km），再降到2012年3月數據處理軟體1.3版本的0.6PSU（100km）。
SMOS衛星和Aquarius衛星採用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套用能力；②採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。
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）。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於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FRI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，嚴重製約了鹽度測量精度的提高。
綜合衛星數據的套用情況，SMOS 衛星和Aquarius衛星存在的問題可總結為：①2顆衛星都未採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，且沒有對天線採用溫控技術，導致觀測的亮溫誤差較大；Aquarius衛星採用實孔徑體制，其空間解析度低，觀測幅寬小，不能滿足套用需求。
解決途徑
（1）採用同步測量手段，包括觀測海面溫度和海面粗糙度，用於提高鹽度探測精度。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。採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；採用被動微波遙感（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，可採用兩者相結合的方式，獲取同步的海面溫度數據。散射計可用於實現海面粗糙度的觀測，由於粗糙度的大小與波長密切相關，因此可考慮採用與L頻段微波輻射計波長接近的散射計觀測海面粗糙度。
（2）採用高精度、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製，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後端、內部定標網路等關鍵單機。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，並且能滿足多通道間±5°相位、±0.5dB幅度的一致性要求。多通道數字相關處理後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於±1°、幅度優於±0.5dB，以及具備相應算法的處理能力。
（3）採用多種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：①陸地強幹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，用於檢測RFI信號。
未來趨勢
海洋鹽度探測衛星的鹽度測量數據具有巨大的套用需求及套用潛力，屬於國際熱點和前沿問題。當前，星載海洋鹽度探測技術仍然處於研究階段，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套用情況和後續計畫，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、反演算法以及疊代的邊界條件等一系列問題，目前仍然屬於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，並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/船隻實測匹配數據、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，並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於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，在複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，相對於一般的機動側擺，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。
