CryoSat-2卫星测高计划及其应用

魏鑫 李斐 张胜凯 郝卫峰

(1武汉大学测绘学院,湖北武汉430079;2武汉大学中国南极测绘研究中心,湖北武汉430079)

0 引言

冰冻圈看似远离人们的日常生活,但其变化对人类的生活环境有着极其重要的影响。冰盖和海冰的质量变化会影响海平面变化、地球辐射平衡和海盐循环[1]。近10年的卫星测高数据加深了科学家对极地内陆冰盖物质平衡的认识[2-3],但南极大陆和格陵兰岛的沿海区域(占冰盖质量30%)[3-4]始终难以测定,海冰的质量变化也尚待深入了解。这些问题妨碍了对气候变化效应以及大气和海洋潜在反馈的进一步推测。

CryoSat-2是欧空局(ESA)地球探测计划的组成任务之一。本文介绍欧空局CryoSat-2的科学目标、科学需求、任务概况、仪器载荷、数据产品以及数据的校准,最后探讨了CryoSat-2在极地领域的应用研究。

1 CryoSat-2概况

1.1 科学目标

冰冻圈在地球的辐射平衡中扮演着很重要的角色,海冰的减少会导致北极上空的温室效应较地球其他区域强。同时,冰盖的变化会严重影响海平面高度。CryoSat-2任务的目的在于测定冰冻圈的变化趋势,其中最重要的就是验证全球变暖导致的北极海冰逐年减少以及明确南极和格陵兰冰盖对全球海平面上升的贡献[5]。另外CryoSat-2在季节性海冰区域、冰帽和冰川上空进行大量测量,这些测量将有效地补充近十年来其他卫星对冰冻圈观测数据的不足。

1.2 科学需求

残余不确定度(residual uncertainty)是卫星系统设计及衡量测量结果质量的指标。在分析科学需求时,需要估计在3年任务完成时测量结果的残余不确定度残余不确定度由厚度自然变化和测量误差组成,其中厚度自然变化由已有资料获取[6],计算公式如下:

残余不确定度通过使测量结果接近厚度的自然变化来确定。测量误差一般不超过由厚度自然变化引起的残余不确定度的10%,CryoSat-2系统就是根据这一首要需求来设计。这里近似地给出残余不确定度的定量表达:

表1 CryoSat-2科学和测量需求Table 1.Overview of the CryoSat-2 science and measurement requirements

1.3 CryoSat-2任务

CryoSat-2于2010年4月在哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场成功发射,任务设计运行期3年[7]。CryoSat-2的科学轨道在高纬覆盖和最大数量轨道交叉点之间做了最好的优化。卫星的近极地非太阳同步轨道平均高度717 km,倾角92°。卫星运行周期为369天并伴随着30天的子循环(369天的周期由连续变化的30天重复模式构成)。CryoSat-2卫星结构简单,卫星平台长4.5m,宽2.3 m,高2.2 m,重量为720 kg(图1)。卫星底部的S波段的螺旋天线用于接收来自地面的遥控指令并向地面传输卫星状态和监测信息,X波段天线用于传送测量数据,数据量为320 Gbits。

图1 CryoSat-2卫星的仪器载荷[1]Fig.1.The CryoSat-2 satellite viewed from beneath[1]

2 仪器载荷

2.1 SIRAL

SIRAL是CryoSat-2的首要载荷,它在传统脉冲压缩雷达高度计的基础上结合了合成孔径和干涉技术。该传感器使得CryoSat-2能测量冰盖边缘的复杂地形,并系统地监测北极海冰的干舷高度(浮冰超出海面的高度)变化。

新SIRAL与传统高度计主要有三点不同[8]:第一,CryoSat-2的轨道首次覆盖到南北纬88°;第二,相比先前的ESA任务约10 km的卫星足迹,SIRAL使用改进的合成孔径雷达技术将卫星地面足迹减少到约沿轨0.3 km和跨轨1.5 km;第三,SIRAL对地表点进行多视处理以减少由雷达斑点引起的噪声。

2.1.1 SAR模式

CryoSat-2的沿轨高分辨率得益于在SAR模式中使用了改进的合成孔径雷达数据处理技术[9]。这使得卫星能有效地区分狭窄冰间水道中的高反向散射海面和低反向散射浮冰表面。处理来自海面和浮冰表面的不同回波可以得到干舷高度,进而得到海冰厚度。

卫星移动产生的多普勒效应会造成雷达回波能量中的轻微频移。同时处理64个连续相关的雷达脉冲,利用得到频移信息可以将脉冲照亮的地面足迹划分成很多窄的跨轨条带,每个条带沿轨方向上宽约250 m,见图2a。

图2 SIRAL高度计新的操作模式.(a)SAR模式提供250 m的沿轨分辨率;(b)SARIn模式利用隔开1 m基线的天线获得跨轨干涉数据[1]Fig.2.Schematic illustration of key aspects of the new operating modes of the SIRAL altimeter instrument.(a)SAR mode provides 250 m along-track resolution;(b)SAR in mode exploits two antennaswith a baseline separation of 1 m to obtain additional across-track interferometric data[1]

2.1.2 SARIn模式

传统的脉冲压缩高度计测量的是卫星到地表的最近距离,但无法提供回波来源的精确信息。在海洋和海冰上空,地表最近点可以认为就位于星下点处。然而在面对复杂地形(大坡度的冰盖边缘)情况时,回波来源于偏离星下点的未知点,因此测量的距离不是真正的地表高程,这就造成了传统高度计无法测量格陵兰和南极冰盖边缘的地形变化。

合成孔径干涉(SARIn)模式旨在获取多变地形的高程估计。为实现SARIn测量,卫星增加一副天线和SAR接收链路来形成跨轨干涉(1 m的基线)。其中一副天线发射的脉冲回波可以同时被两副天线接收,偏离星下点的回波在路径长度和相位上存在差别,联合1 m的天线间隔距离可以得到基线和回波方向之间的角度,进而对测距值进行修正。图2b显示了SARIn模式在冰盖地形上空的运行情况。

2.1.3 低分辨率模式

高度计在相对平坦的极地内陆冰盖上空采取传统脉冲压缩模式,也称低分辨率模式。

2.2 其他载荷

卫星多普勒定轨定位系统(DORIS),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速度,进而精确定轨。除了定轨之外,DORIS还可以应用到建立和维持地球参考框架,测定地球定向参数,地壳变形监测以及大气探测和研究。

星体跟踪定位器(Star trackers),用于精确测定两个SIRAL天线的基线方向,直接安装在SIRAL天线支撑结构上。

激光回射器(LRR),用于卫星轨道的精确路基测量。

3 CryoSat-2数据产品

CryoSat-2的首要产品为海冰和陆地冰通量的变化图。SIRAL的首要输出为描述表面反射的原始波形。有效载荷数据段(PDS)负责下列数据产品的收集和存储:

(1)0级:原始遥测数据包,误差已被剔除,包含了时间和遥测质量信息;

(2)全码率(FBR):与1b级相似,但数据未经SAR和SARIn模式平均处理。预期数据量430 Gbit/d;

(3)1b级:包含仪器回波波形,在SAR和SARIn模式下这些波形被平均处理,数据量较FBR级小很多;

(4)2级:包含高程估计数据;

(5)监测数据:系统地监测SIRAL的运行情况。

CryoSat-2提供的数据产品需要大量的校准和改正。不同的数据级描述见表2。

表2 CryoSat-2数据产品Table 2.CryoSat-2 data products

3.1 0级-全码率数据

ESA地面站为了得到CryoSat-2高程估计,需要在不丢失地球物理信息的前提下对数据进行大量压缩。SIRAL试验性传感器的角色决定着压缩算法需要鉴于发射后和Cal/Val(校准和验证)期间积累的经验不断的改进。压缩借助底级数据,FBR是所需数据信息完整保留的最高数据级。

3.2 1b级-单相结合波形数据

1b级数据由卫星地面轨迹点的回波组成。数据进行了压缩,虽然1b级是没有地球物理近似值的最高数据级,但影响数据质量的地球物理改正已经得以应用,这些改正包括:(1)电离层,干/湿大气改正;(2)海潮和固体潮影响;(3)电磁(EM)偏差改正;(4)逆气压改正。

3.3 2级-沿轨高程

2级数据由地面点的高程估计组成,采样率为沿轨1 s。沿轨高程是被直接用于地球物理研究的最底级数据,也是不需要详尽了解雷达信号处理的最底级数据。

3.4 监测数据

监测数据提供关于载荷运行情况的即时信息,包括一系列需要快速测定的日常参数。当发生异常情况时,它将提供数据异常信息。

3.5 数据分配

CryoSat-2数据无需实时传输,使用者可以通过描述一个时空窗口来获取1b级和2级数据。ESA同时也提供数据存取和转换的专业软件,数据分配通过CD-ROM光盘和FTP传输。表3汇总了分配要求。数据等待时间是数据接收和分配之间的时间延迟。最小和最大持续时间表示在轨卫星提供有效数据产品的时间间隔。

表3 CryoSat-2数据分配要求Table 3.CryoSat-2 data distribution requirements

4 SIRAL数据校准

CryoSat-2校准和验证的目的在于验证各模式的测量不确定度SIRAL高度计数据只有通过校准和验证才能进行科学应用。

4.1 发射前校准

发射前需要大量地面测量来验证CryoSat-2的主要误差源。已经开展的机载、冰上和永久观测站测量活动提供了大量有价值的机载模拟和实测数据集。

2002年5月欧空局与美国航空航天局(NASA)合作开展LaRA(激光雷达高度计)计划。P3飞行器同时搭载激光高度计和延迟多普勒处理(D2P)Ku-波段雷达高度计飞经格陵兰岛和海冰区域上空,有效地模拟了CryoSat-2的SARIn和 SAR处理,首次获得了冰面的激光雷达剖面图。雷达波能够渗透干雪到达含盐的冰面[10],激光能识别干雪表面,LaRA计划证明联合雷达和激光能有效认识积雪覆盖对CryoSat-2冰厚度反演精度的影响。另一个飞行计划由Danish科学团队实施,获得了Fram海峡和格陵兰北部海冰区域的激光地形剖面图。类似的验证计划在接下来的几年将持续进行。

4.2 运行中校准

CryoSat-2卫星系统的辅助测量模式和相关设备可以满足系统误差的独立测量需要,在某些情况下系统也支持持续测量以改正原始数据。当数据下行时,雷达内部的校准通道会将传输信号直接导入接收链路,所有的仪器时间和相位通道都可以通过这种称为“内部”校准的途径来测量。“内部”校准无法测量雷达天线系统,也不能得到卫星的位置和姿态误差,这些系统因素的获取都需要借助由天线生成的外部信号,也就是“外部”校准。校准数据一般用于改正原始数据。

5 CryoSat-2成果在南北极的应用

5.1 南极大陆和格陵兰岛的冰面高程变化

南极大陆和格陵兰冰盖的表面高程变化揭示了冰盖对于冰盖动力学以及表面质量平衡变化的响应,因此冰盖表面地形及其变化研究成为冰川学家关注的重点。Helm等[11]基于CryoSat-2卫星2011年1月到2014年1月,3年的测高数据得到了南极大陆和格陵兰岛冰盖新的数字高程模型(DEM),同时也得到了两者的高程变化和体积变化估计。

首先要对1b级CryoSat-2数据进行一些预处理,Helm团队使用波形滤波器识别由于内部跟踪器失锁或波形没有清晰的前缘产生的“坏波形”,这些波形来自复杂地形区域。然后使用第一脉冲峰值阈值跟踪算法(TFMRA)来测距。处理过程因测量模式不同而异,上述处理改正了大气折射、固态地球和极潮引起的延迟误差。

预处理得到的数据,根据不同的测量模式采用不同方法以得到DEM。LRM数据经过四次迭代来处理倾斜改正,进而得到DEM。SARIn数据采用了新的干涉处理算法,具体步骤如图3。得到的DEM精度与之前的DEM精度相符,与NASA冰、云和陆地高程ICESat数据对比显示80%的CryoSat-2DEM的不确定度要＜(3±15)m。Helm利用新DEM进行倾斜改正,获得了2011—2014年的南极大陆和格陵兰岛的高程变化,将其与ICESat数据2003—2009年的高程变化率的对比揭示出西南极冰盖体积减少量增加了3倍,而东南极和毛德皇后地的冰盖出现了变厚的趋势。格陵兰和南极大陆冰盖整体体积变化为(-503 ±107)km3·a-1。

南极大陆冰盖边缘变化显著,Galin等[12]利用4年的CryoSat-2干涉数据获取了松岛冰川这一典型边缘区域的高程变化。与此同时,McMillan等[13]也验证了CryoSat-2在南极大陆复杂地形区域的观测能力,无论是数据采样率和测距精度方面都优于传统测高卫星。

图3 得到DEM及高程变化的处理过程Fig.3.Diagram of the processing scheme used to derive the final DEM and elevation change

5.2 北极海冰厚度和体积估计

近30年的卫星记录显示北极海冰范围在不断缩小,至2012年达到最低点。泛北极冰与海洋建模和同化系统(PIOMAS)研究指出海冰的范围缩小同时伴随着体积减少[8]。CryoSat-2的高分辨率数据可以反演得到北极2010年11月和2011年12月的海冰体积估计,有效地证实了PIOMAS的研究结果。

要得到CryoSat-2的海冰体积估计首要要区分来自海面和浮冰表面的回波。浮冰表面的漫反射回波和狭窄冰间水道的镜面反射回波的反射率存在差异(入射角不同),据此可以区分海面和冰面的高程测量值。表面类型识别通过检查“脉冲峰值(PP)”和“堆栈的标准偏差(SSD)”两个参数完成,SSD是一个新参数,它使用SIRALs多视来为测量表面后向散射变化提供入射角度[14]。来自冰间水道的回波PP＞18和SSD＜4,来自浮冰的回波PP＜9和SSD＞4。处理过程中需要改正距离窗口中心和回波前缘点之间的距离差距。冰间水道回波的处理使用了高斯加指数模型,而对于浮冰回波,跟踪点定位在上升达到回波中的第一个峰值振幅50%处。漫反射和镜面反射回波之间的模型匹配差距会引起高程偏差,通过在季节性海冰区域比较有冰和无冰情况下的海面高程可以移除高程偏差。

干舷转换成厚度使用了更精细的方法,依据海冰存在的年数(一年或多年生)来修改雪荷载和冰密度。对于一年冰,在将干舷转换成厚度前,雪厚度需要乘以系数0.5,处理中使用到的一年生冰密度为916.7 kg·m-3,多年生冰密度为882.0 kg·m-3[15-16]。

CryoSat-2海冰厚度估计受制于不同来源的偏差,因此需要大量的独立数据集来对其进行验证。在此之前,对干舷平均处理可以减少雷达斑点误差。CryoSat-2数据分别与“极地-5”[17]数据、三波弗特环流回转计划(BGEP)仰视声纳(ULS)得到的冰吃水深度数据和NASA冰桥计划(OIB)数据比较,得到的厚度差距均不超过0.1 m,ULS显示出最好的一致性。然而,来自ULS和OIB的数据都不能大规模验证CryoSat-2厚度反演中的系统偏差,未来的校准目标在于进一步约束CryoSat-2与实地数据之间差异。

CryoSat-2海冰厚度估计沿袭传统雷达高度计数据的处理方法排除了无冰水域[10],得到的海冰厚度借助ICESat任务[18-19]获取的覆盖面积即得北极海冰体积估计。对于超出CryoSat-2纬度限制的格网单元值用相近的包含厚度数据的格网单元值替代,海冰密集度取自微波成像仪(SSM/I)。

CryoSat-2海冰体积估计与 PIOMAS和 ICESat[20-21]任务的海冰体积估计对比进一步证实了北极海冰体积的长期减少趋势。其中,秋季和冬季海冰体积平均减少500 km·a-1,相当于0.007 5 m·a-1的厚度减少,与船载记录得到的峰值变薄率相近。

5.3 南极冰下湖测定

在覆盖南极大陆的厚冰盖下,存在很多和海洋没有联系的淡水湖,它们对于理解南极冰下水传输和冰盖动力学意义重大。钻孔可以获取部分信息,但这在极地极端条件很难实现。卫星测高或许是唯一能够大规模获取冰下湖信息的方式,联合Cryo-Sat-2和ICESat卫星测高数据已经在南极大陆冰面发现了一个由冰下湖排空形成的巨大盆状凹地,并绘制出了冰下湖的3D图[22-23]。

CryoSat-2能够测定南极冰下湖变化,其携带的雷达高度计能适应恶劣气象条件和长时间黑暗观测,提供南极大陆的持续观测值。南极大陆冰盖底部已发现的冰下湖多达400个左右,这些湖的排空会破坏冰川下的生态系统,引起上层冰盖加速滑落入海。

5.4 海洋测量

CryoSat-2的主要目标是测量极地海冰的厚度以及监测覆盖格陵兰岛和南极洲的冰盖的变化。但是其收集到的数据也被应用到其他研究领域,利用SAR模式数据获取高精度的海面高程[24-25]进而得到海底地形图就是其中之一。卫星的雷达测高仪不仅能够探测到冰层厚度的微小变化,也可以测量海平面高度[26-27]。引力的作用使得海面地形能模拟海底起伏。质量更大的区域,如海底的山脉,会产生强大的引力,吸引更多的水并在海平面高度上产生一个微小的增加。因此,仪器测量海面高度的同时可绘制出洋底未经勘测区域的地形。CryoSat-2的雷达高度计能在海面检测到重力场,从而揭示5—10 km尺度的海底特征,这是15年来首次有高度计在如此高分辨率下绘制全球海洋重力场。研究表明联合CryoSat-2高精度测距值和三年以上的海洋测绘数据可以得到全球海底地形图。

6 结语

传统测高卫星由于轨道倾角的限制,未覆盖到两极相当于欧洲面积大小的区域,CryoSat-2的出现将未覆盖区域面积缩小了约10倍。CryoSat-2的沿轨高分辨率能识别80%左右的海冰,其独特的多视处理能得到冰盖边缘等复杂地形的信息。CryoSat-2的高纬覆盖、高分辨率和多视处理很好地补充了传统遥测手段和测高卫星的不足,其他遥感数据也能校准CryoSat-2并弥补CryoSat-2短暂运行周期的不足,帮助其发挥更大的科研价值。联合CryoSat-2的雷达波数据和ICESat的激光测高数据能有效地实现数据校准和测量积雪厚度,CryoSat-2的海冰厚度测量数据已将ICESat的北极海冰体积记录延伸到2012年[28-31]。

CryoSat-2成功发射至今已三年,其数据产品已经应用到海冰、冰盖和海洋等测量领域。随着全世界CryoSat-2科研团队的不断壮大,研究不断深入,CryoSat-2这颗专为冰冻圈设计的卫星的应用前景会不断被拓展,其科研价值也会逐渐凸显。

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