美国“土壤湿度主动-被动探测”卫星将升空

“土壤湿度主动-被动探测”（SMAP）任务是美国航空航天局（NASA）专用于全球土壤湿度和冻融监测的项目，属于NASA地球系统科学探路者计划（ESSP）中的一项任务，也是NASA“十年调查”任务之一。SMAP卫星的科学目标是提供频繁的表面土壤湿度与表面冰冻/解冻状态的全球测量，测量结果用于加深对水、能量、碳等循环的认识，同时改进天气与气候预报。SMAP卫星将在2015年1月底发射。

1 卫星概况

SMAP卫星的科学考察目标具体包括：①了解陆地水、能量和碳循环链过程；②评估地表的全球水和能量通量；③量化北部地区的净碳通量；④提高天气和气候预测水平；⑤改进水灾预测和干旱监测能力。

SMAP卫星将运行在太阳同步晨昏轨道，轨道高度685km，倾角98°，升交点地方时6:00，轨道重复周期为8天。卫星采用SA-200HP平台，发射质量1122kg，功率1351W，设计寿命3年。

SMAP卫星主体采用铝和铝蜂窝结构，平台呈五棱柱体，内部为可移动面板的半永久框架。卫星为三轴姿态稳定，姿态测量部件包括1台星跟踪器和12台太阳敏感器；姿态执行机构包括4个反作用轮（3个大型反作用轮、1个动量补充轮）和3个磁力矩装置。卫星在轨位置通过星上双向多普勒跟踪与传输系统来确定。SMAP卫星测控链路采用S频段，数据传输速率为2.5Mbit/s；数传采用X频段，数据传输速率为80Mbit/s。

SMAP卫星平台结构示意图

SMAP卫星基本参数

2 卫星结构

SMAP卫星是在“水圈状态”（Hydros）卫星基础上研制的。和Hydros一样，SMAP卫星系统采用一个大型实孔径轻型可展开网状反射器天线的散射计和辐射计仪器组合的形式来实现，即其结构包括天线子系统、辐射计子系统和散射计子系统3个关键组成部分。

天线子系统

SMAP卫星天线设计采用偏置馈源反射器结构，为轻型可展开圆锥扫描网状天线，辐射计和散射计共用该网状天线，展开后直径为6m。天线包括馈源喇叭和1副反射面天线，天线在轨实现宽幅圆锥扫描运动，旋转速率为13.0r/min（为保证一定的重叠，设计为14.6r/min），反射器入射角为40°，圆锥形扫描幅宽约为1000km，可获得2～3天高重访周期的全球观测。相比相控阵天线、辐射计与散射计独立天线等其他天线形式，圆锥扫描、共用天线能降低系统成本和风险，是保证性价比最大化条件下最优的方案。

SMAP卫星天线性能指标

该卫星系统只旋转反射器，馈源和电子系统固定在卫星平台上，单馈源与天线的旋转轴在一条线上，这样反射器旋转时，波束就会形成圆锥扫描。这样的好处是可以减小总转动惯量，同时能减少旋转与不旋转部分的电接口数量。

辐射计和散射计子系统

SMAP的辐射计子系统为L频段双极化微波辐射计，采用狄克（Dicke）开关式辐射计技术，完成地表辐射亮温的测量，采用噪声注入法进行接收机定标。SMAP散射计子系统为三极化L频段散射计，分辨率较低，通过合成孔径高分辨处理后分辨率提高。

SMAP卫星将利用L频段的辐射计/散射计组合探测系统从空间观测陆地表面水气，将提供约1000km测绘带，陆地表面（0～5cm）的土壤湿度和冰冻/解冻态的测量，兼顾海洋盐度测量。散射计在超过70%的幅宽范围内分辨率将优于3km，辐射计的分辨率约40km。辐射计和散射计的测量数据结合起来应用，将得到一个全球10km分辨率的土壤湿度产品,体积精度为±0.04m3/m3，区域6h和18h重访，全球2～3天重访。

SMAP卫星散射计性能指标

SMAP卫星观测几何示意图

3 SMAP卫星定标与验证计划

SMAP定标与验证计划的主要目标是验证任务寿命期间是否符合科学要求（产品精度与偏差）。该计划在预发射期间启动，有助于提供高质量SMAP产品，并为发射后至寿命内的的持续验证奠定基础。

SMAP卫星辐射计性能指标

SMAP定标与验证计划概况

实施定标与验证计划是SMAP任务的必要需求。该计划须提供一种评估土壤湿度随机误差、空间和瞬时偏差的方法，以满足任务的科学要求，是SMAP任务整个寿命周期内进行详细定标和验证活动的基础。SMAP定标与验证计划草案于2009年提出，描述了SMAP定标与验证计划1～4级SMAP科学数据产品所需的方法与程序。

SMAP定标与验证计划包括预发射和发射后的活动。在预发射阶段，获取和处理数据，进行定标、测试和改进SMAP科学数据产品反演模型与算法；开发和测试技术与协议，用于获取验证数据并验证SMAP在发射后阶段的科学产品。在发射后阶段，验证和改进科学算法的性能；验证科学数据产品的精度。

若满足计划目标和时间基线，SMAP定标与验证计划的关键问题是认识到该活动及时性的重要作用，预发射数据在算法开发和设计早期具有很大价值，定标与验证发射后阶段的时间为发射后的2～14个月。

为发射后验证奠定基础

在SMAP科学定义小组、定标与验证工作小组和相关人员共同讨论后，启动了多项活动，确保SMAP产品验证数据的鲁棒性和高可靠性。

1）标度。当前大部分数据原位网络均为稀疏网络，SMAP产品每个网格单元或覆盖区域不超过一个测量点。目前已建立工作小组，制定标度点发展总体策略，促进现场活动时的相互比较与探索。

2）兼容性。这对土壤湿度测量而言是一个关键问题，包括不同遥感器技术、装置、深度、整体深度和土壤容积。通过标准化和交叉比较综合各种来源对此非常有帮助。这一过程的第一步是建立工作小组，启动原位仪器试验床的开发。这些站点将安装网络中使用的各种仪器，并与标准土壤湿度进行比较。首个站点位于美国俄克拉荷马州。

3）核心站点。稀疏网络无法满足定标与验证计划的全部需求，因此，SMAP任务还需要建立大量的核心验证站点。由于在其他卫星项目中已成功使用，因此这些站点将位于一些代表性位置，享有当地基础设施的支持。

近期主要飞行验证试验

1）澳大利亚机载试验。墨尔本大学、阿德雷达大学和美国农业部成立了一个小组，使用装有L频段辐射计和L频段散射计的新型机载系统实施一系列的土壤湿度现场活动，其中一项活动在每个季节都会举行。设计飞行可提供多种分辨率条件下的主动/被动数据，支持散射计、辐射计和组合土壤湿度算法。

2）加拿大飞行试验。SMAP小组联合加拿大航天局在加拿大萨斯喀彻温省实施了持续两周（2010年6月）的土壤湿度原位试验。这次试验在“土壤湿度与海水盐度”（SMOS）卫星验证活动（CanEx-SM10）的基础上，采用机载L频段辐射计和大量的地面采样。

3）SMAP验证试验2012（SMAPVEX12）。加拿大若干机构和NASA共同投资，历时近6周。它提供了大量的SMAP主动被动土壤湿度反演算法开发与验证数据集，对加拿大2010年的土壤湿度试验进行了补充，目标是了解与土壤和植被水含量变化相关的SMAP产品，发展不同条件下的土壤湿度反演算法，包括植被峰值期。

4）L频段主动/被动扫描（SLAP）机载验证。由NASA实施，用于SMAP相关机载活动的仪器选择与验证。预计该试验能满足或超出SMAP卫星定标与验证计划的当前所有要求，包括2013年11-12月期间的测试飞行、2013年12月的小型活动以及2014年的活动，都将为SMAP系统评估提供数据。

4 SMAP数据产品及仿真

SMAP任务将生成的产品主要包括：①二级辐射计土壤湿度产品（L2_SM_P），主要源自亮温产品（L1C_TB）。比起散射计算法，L频段辐射计土壤湿度反演算法可进一步减小误差，但辐射计受粗空间分辨率的影响（约为40km）。②散射计测量土壤湿度产品（L2_SM_A）为精分辨率（3km）产品，主要源自高分辨率雷达后向散射数据（L1C_S0_HiRes）。研究表明，雷达后向散射测量土壤湿度具有不确定性和误差，甚至对于稀疏植被覆盖也比较敏感。这使得需要高精度的植被覆盖区域，散射计土壤湿度反演用处不大。雷达后向散射受表面粗糙度、植冠结构和植被水含量（VWC）的较大影响，粗糙度和植被影响较大地降低了雷达后向散射对土壤湿度的敏感性。

SMAP数据产品生成

基于上述原因，无论是辐射计还是散射计，都无法单独满足SMAP任务对土壤湿度空间分辨率（10km）和体积精度（0.04cm3/cm3）的要求。因此通常需要融合主动（散射计）和被动（辐射计）测量数据，生成主动和被动中分辨率土壤湿度产品。

目前，融合SMAP散射计和辐射计数据生成主动和被动土壤湿度产品有两种备选算法（基础算法和可选算法）。基础主动和被动算法是根据高分辨率雷达共面极化（co-pol）后向散射测量，利用空间构型在辐射计地面轨迹内分解粗分辨率（约36km）辐射计亮温（Tb），然后将分解的辐射计亮温转化为反演土壤湿度。基础算法还利用雷达交叉极化测量，对辐射计测量的表面不均匀性进行说明。可选算法与基础算法类似，它采用粗分辨率（约36km）辐射计反演土壤湿度评估，获取中分辨率（约9km）土壤湿度估值。

采用SMAP轨道仿真器评估基础和可选主动被动算法，提供端对端仿真环境能力。9km的全球土壤湿度产品中包括对基础算法的各个方面进行评估，包括不确定性分析、误差分配发展、产品成熟度等。研究区域的土壤湿度反演结果可证明任务满足全球覆盖需求，土壤湿度的体积精度大于0.04cm3/cm3，植被含水量低于5kg/m2，空间分辨率9km，时间分辨率3天。