Jason-1海洋地形卫星介绍

刘 博,甘薇薇,任凤杰

(1.解放军理工大学气象学院,江苏 南京 211101;2.云南大学大气科学系,云南 昆明 650091)

Jason-1海洋地形卫星介绍

刘 博1,甘薇薇2,任凤杰1

(1.解放军理工大学气象学院,江苏 南京 211101;2.云南大学大气科学系,云南 昆明 650091)

该文主要介绍了雷达高度计的工作原理、Jason-1卫星的仪器设备和运行轨道以及 Jason-1卫星观测数据的应用情况。

卫星雷达高度计;海面高度;Jason-1

1 引言

在类型众多的海洋遥感卫星中,按照卫星在海洋遥感中的用途可以分为:海洋水色卫星、海洋地形卫星和海洋动力环境卫星[1]。

海洋地形卫星主要是通过卫星上搭载的雷达高度计对海平面高度的空间分布进行探测。Jason-1卫星则代表了当今海洋地形卫星的最高水平。它于美国东部时间 2001年 12月 7日在美国加利福尼亚州范登堡空军基地 (Vandenberg Air Force Base)用美国波音公司的 Dual DeltaⅡ火箭成功发射升空。卫星在远海海域海面高度的测量精度达到 2～3cm,风速为 1.5m/s。其主要任务包括:①增强 21世纪探测全球海面地形的能力;②提供连续5a以上的全球海面观测资料;③增加对海洋环流的认识;④改进气象预报水平;⑤改进现有的潮汐模型;⑥提供海面有效波高和风速资料。卫星在轨运行中,NASA负责卫星的控制及其所提供的仪器设备的运转,CNES负责 Poseidon-2雷达高度计、DOR IS测轨系统的多功能高度测量中心的运转以及卫星数据的处理[2]。目前,Jason-1卫星已经在轨运行近十年,其高精度观测资料已经被世界各国的科学家们应用在多个学科领域,并取得了很多令人满意的成果。

2 雷达高度计工作原理

卫星雷达高度计的设计观测目标是开阔的远海海域,下面就以开阔的远海海域为例研究雷达高度计的测高原理。通常雷达高度计由发射机、接收机、时间系统和数据采集系统组成。它测量海面高度的基本工作原理为:发射机垂直向下发射雷达脉冲信号,经过海面的反射后被接收天线接收,通过测量雷达脉冲信号发射时间与接收时间的时间差以及回波波形,即可计算出卫星到海面的距离,该距离相当于星下点半径约为 3～5 km圆形面积内海面的平均距离[3]。

图 1 卫星雷达高度计测高原理示意图[4]

图 1是高度计测高原理示意图。图中包括 3个重要的曲面:

①参考椭球面:参考椭球面是一个理想化的数学曲面,由于万有引力和惯性离心力的作用,在静止大气层覆盖下静止的水体表面,可近似视为一个长轴在赤道方向的双轴旋转椭球体,并以此作为实际海平面的零级近似。

设雷达高度计测量脉冲信号发射时间与接收时间的时间差为△t,则卫星到海面的距离 h为:

式中,c为光速。

则星下点的海面高度 SSH为:

式中,A为卫星的轨道高度,它是相对于参考椭球面的高度。因此,由 (2)式计算出的 SSH是相对于参考椭球面的海面高度。

在此基础上,再对 SSH进行各种误差修正即可得到精确的海面高度。各种误差修正包括:轨道误差修正 horbit、仪器误差修正 hins、大气误差修正 hato、海况修正 hss、海洋潮汐修正 htide等。用公式表示为:

另外,SSHT与大地水准面 hgeoid和海洋动力高度hdynamic有如下关系:

式中,hgeoid可以由大地水准面模型计算出来,并且随着重力卫星的发射,模型越来越准确。因此,根据以上各式就可以计算出海洋动力高度 hdynamic,它可以用于研究大洋环流、中尺度涡旋以及其他海洋动力学方面的问题。

3 Jason-1卫星仪器设备

Jason-1卫星总重量为 500 kg,有效载荷 120 kg,首次使用法国阿尔卡特 PROTEUS多功能微型平台,共搭载了 5台科学仪器,包括:双频固态星载雷达高度计 (Poseidon-2),是 Jason-1卫星的主要载荷;三通道微波辐射计 (JMR),用于测量大气中的水汽含量,为雷达高度计数据进行水汽修正;3台用于精确定轨的仪器:多普勒地球轨道和无线电定位系统 (DOR IS)、激光反射阵列 (LRA)和全球定位系统接收器 (TRSR)[2]。

作为 Jason-1卫星的主要载荷,Poseidon-2雷达高度计由 CNES研制,是 Poseidon-1雷达高度计的改进型,保留并继承了它的全部优点,采用双频技术,工作频率为 13.575 GHz(Ku波段)和 5.3 GHz(C波段)。Poseidon-2采用小型化设计,降低了体积、质量和功耗。主要用于测量海面高度、风速、有效波高以及电离层改正量。表 1为 Poseidon-2雷达高度计的主要技术参数。为了同步测量对流层的水汽分布,对观测数据进行水汽修正,Jason-1卫星搭载了三通道微波辐射计(Jason-1 Microwave Radiometer,JMR)用于测量大气中的水汽含量。JMR由 NASA研制,是被动式微波测量仪,工作频率为 18.7GHz、23.8GHz和34GHz。其中,23.8GHz为主要通道,用于测量水汽含量,18.7GHz和 34 GHz分别用于修正风和云中液态水的影响。将 3个通道的测量值联合计算,可以得到水汽对脉冲信号的延迟误差。

表 1 Poseidon-2雷达高度计主要技术参数

卫星轨道误差在卫星测高误差中占主导地位,因此,为了进行轨道误差修正,在 Jason-1卫星上,搭载有 3台用于精确定轨的仪器:多普勒地球轨道和无线电定位系统 (DOR IS)、激光反射阵列 (LRA)和全球定位系统接收器 (TRSR)。其中,DOR IS和LRA由 CNES研制,TRSR由 NASA研制。DOR IS(Doppler Orbitography and Radiopositioning by Satellite)使用双频 (401.25 MHz和 2 036.25 MHz)接收器接收全球将近 50个地面台站发射的信号,根据多普勒频移计算出卫星运行的速度,进而进行精确定轨。另外,DOR IS还可以测量电离层电子含量,为雷达高度计进行电离层误差修正。LRA(Laser RetroreflectorArray)由一系列镜子组成,安装在卫星底部,雷达高度计的天线旁,通过反射分布在全球的10～15个地面卫星激光测距站发射的信号进行卫星精确定轨。但是LRA存在一定的缺陷,一是全球地面卫星激光测距站数目较少,二是激光束受天气影响较为严重。在经过了 Topex/Poseidon卫星的试验后,证明了 GPS定轨的可行性。随后,作为一种精确定轨的手段,TRSR(Turbo Rogue Space Receiver)被安装在 Jason-1卫星上。它在用于精确定轨的同时,还被用于改进重力场模型。

4 Jason-1卫星轨道

作为 Topex/Poseidon卫星的后续卫星,Jason-1卫星的各项参数基本上都与 Topex/Poseidon卫星相同,运行的轨道也相同。轨道高度为 1 336 km,此高度可以减小大气阻力和重力场的影响,有利于提高定轨精度。轨道类型为太阳同步圆形轨道,倾角为66°,能够覆盖全球海洋面积的 90%。轨道重复周期为 9.9 d,这是在考虑了时间分辨率、空间分辨率和潮汐混迭而确定的折中方案。另外,使用和Topex/Poseidon卫星相同的轨道还可以保证数据的延续性和精确定轨的便利。Jason-1卫星轨道经过两个专门的地面校准站:一个位于法国科西嘉岛(8°48′E,41°34′N,85号升轨 ),另一个位于美国加利福尼亚 (239°19′E,34°28′N,43号升轨 )。

由于受到大气阻力的影响,卫星轨道会缓慢下落,同时,卫星还长期受到不均匀地球重力场、太阳辐射压以及其他较小引力等的影响产生准周期变动。因此,需要每 40～200 d对卫星轨道进行一次调整。每次调整的间隔时间主要是根据太阳辐射通量及其对大气的影响来决定,调整时间一般安排在一周期快要结束并且飞越陆地的时候。在进行卫星轨道调整期间,卫星的观测数据不向一般用户公开。

5 具体应用

Jason-1卫星的主要载荷是 Poseidon-2雷达高度计,它主要是用于对海平面高度、有效波高、风速的测量,可用于海洋动力参数的计算。但是,在短短的 30多年间,其研究和应用却遍布了与海洋动力高度相关的一切领域,而且随着卫星测高资料的不断丰富,最新成果不断出现,研究和应用领域不断拓展和深化,包括:大地测量和地球物理学、陆地冰原和海冰、气候学、水文地理学等[5,6]。现在,雷达高度计资料的用户遍及全世界各地,从他们使用资料的情况可以看出,雷达高度计是一个卓有成效的科学仪器,非常有潜力。

对海洋的观测是高度计的主要任务,基本的应用还是基于:海平面高度、有效波高、风速这 3个观测量。海面高度资料可以直接用来研究海平面变化和全球气候变化,还可以用来反演海洋动力学参数和大地测量学参数等。海面风速和有效波高资料为研究风浪和涌浪的生成机制和成长过程提供了宝贵的数据。有效波高还可以对高度计海面风速模式函数进行修正,从而改善其反演精度。风速和有效波高资料还可以经过数据同化进入预报模式,有效地提高海洋预报的准确性。卫星雷达高度计投入业务化运行以来,已经积累了 10多年的全球海洋风候和波候资料,对于远洋导航具有十分重要的价值,它有助于船只避开风暴选择安全经济的航线。利用这些资料还可以分析极端海况出现的概率和频率为石油钻井平台和其他海岸工程的选址提供科学依据。

早期的高度计任务仅仅是针对开阔海洋和冰面的探测,随着技术的进步和科学研究的深入,有人开始将高度计测高应用到对内陆湖泊和河流水位的监测上。在一些难以直接设置水文站监测水位变化的地区来说,高度计提供了另一种有效的监测手段。例如对亚马逊河的监测,在非常广阔的流域里仅仅分布了稀少的水文站,而且数据的时效性也不强,这就难以及时监测亚马逊河的水文情况。高度计监测内陆水域的能力为监测亚马逊河提供了一种新的手段。最近十多年,这已经成为高度计应用的一个新的研究重点。

6 总结

随着人类对海洋能源需求的不断增加,对海洋的探索也在不断深入,作为一种非常有效的海洋探测仪器,以 Jason-1卫星为代表的海洋地形卫星将会提供更多、时间序列更长、精度更高的观测数据,为人类探索未知的海洋世界做出更多的贡献。

[1] 刘良明 .卫星海洋遥感导论[M].武汉:武汉大学出版社,2005.

[2] Rosmorduc V,Benveniste J,LauretO,et al.RadarAltimetry Tutorial[R].CNES,2009.

[3] 王广运,王海瑛,许国昌 .卫星测高原理[M].北京:科学出版社,1995.

[4] 冯士筰,李凤岐,李少菁 .海洋科学导论[M].北京:高等教育出版社,2003.

[5] Picaut J E,Hackert A J,Busalacchi R,et al.Mechanis ms of the 1997-1998 ElNino-LaNina,as inferred from space-based observations[J].Journalof GeophysicalResearch,2002,107(C5):3 037-3 054.

[6] Birkett,C.M..Contribution of the TOPEX NASA radar altimeter to the global monitoring of large rivers and wetlands[J].Water Resour.Res.,1998,34(5):1223-1239.

P414.4

B

1003-6598(2011)01-0042-03

2010-11-02

刘博 (1986-),男,在读项士研究生,主要从事卫星遥感同化工作。