国外星载成像高度计系统发展研究

任晶晶 张庆君 贾宏 刘杰 张欢

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

中尺度涡在大洋环流中有着重要的作用，空间尺度一般在50～100 km，存在时间短则几十天，长则达半年以上。亚中尺度涡空间尺度较中尺度涡小，通常仅有几十千米。中尺度及亚中尺度海洋现象约占全球海洋动能的90%，因此这两种过程十分普遍，其观测的重要性已经成为海洋学界的共识。海洋高度计采样的中尺度涡旋和海面高度(SSH)以及洋流速度场信息有助于理解各种空间和时间尺度上的全球海洋环流动态特征[1]，其中最重要的是对这种能极大地改变海洋背景场的中尺度和亚中尺度涡现象进行长时间稳定的观测。由于传统的海洋雷达高度计地面刈幅非常小，导致地面轨道间隔大，几乎不可能对中尺度以下的海洋现象进行有效观测，例如海洋地貌实验-海洋动力学综合监视与研究观测卫星(Topex/Poseidon)高度计的重访周期是10天，在赤道附近的轨道间隔达到300 km，这样的缝隙往往导致中尺度和亚中尺度现象很容易被遗漏。

有两种办法可以解决这个问题：①用几颗星下点测高卫星星座进行数据同化；②采用一颗成像高度计卫星同时获得高分辨率宽刈幅的海洋测高数据[2]。成像高度计是一种干涉式测高系统，通过2副相距一定空间距离(即干涉基线)的天线同时获取来自海面同一目标点的雷达回波信号，并经过相位解缠绕处理计算出这2个信号的相位差，进而获得这2个信号所经过的路径差，再通过解算2副天线与目标组成的三角几何关系，最终计算出海面高度，由此可极大提高海洋观测和监视的效率。这种成像高度计自问世以来受到各国海洋学科学家的重视，其应用前景无可限量，是国际上正在发展的高技术前沿领域。

本文分析了现有星载成像高度计系统的规划路线和研究现状，比较分析了成像高度计在观测中尺度、亚中尺度涡的优势，同时针对时空分辨率、成像幅宽、轨道选择、测高精度、工作频率和辅助载荷等卫星总体设计人员关心的问题进行阐述，为成像高度计的系统设计提供参考。

1 星载雷达高度计系统发展规划

20世纪70年代末，美国、苏联发射了一系列专用的海洋卫星，从20世纪90年代起，开始业务化运行。目前，美国、欧洲、苏联/俄罗斯、日本、印度、加拿大和韩国都发展了高度计卫星，包括Topex/Poseidon卫星、冷卫星(极区冰层监测卫星，Cryosat)、数据采集与Ka频段高度计卫星(SARAL)及“贾森”(Jason)系列卫星、“哨兵”(Sentinel)系列卫星等，如图1所示[3]。

图1 当今和未来的国外海洋高度计卫星任务图 Fig.1 Nowadays and future ocean altimetry plan

尽管传统雷达高度计取得了非常瞩目的进展(通过潮汐表的精确校准使得星下点高度计测高精度达到了厘米级的水平)，但由于卫星轨道之间存在200～300 km的间隙，导致海洋学中这一重要尺度特征洋流信息和陆地上大量的地表水体信息无法被长时间稳定地观测到，从而严重制约了海洋动力学和陆地水文学研究，无法满足当前新型海洋观测的应用需求。

目前，由于缺乏在轨的海面高度高分辨率观测数据，使得10～100 km范围内的海洋环流观测数据(主要是海洋涡流数据)缺失。数值模式模拟表明，在世界上许多洋区，这一尺度能量变化在大尺度海洋环流和气候变化中起着关键作用[1]。为了解决物理海洋学的这一问题，人们首先提出了基于合成孔径技术的高分辨成像高度计。美国研制的合成孔径/干涉高度计(SIRAL)是世界上首台高分辨率成像高度计，已于2013年发射入轨，可以为用户提供交轨方向的海面地形图像，但是它被设计地更适用于陆地冰和海冰观测，且同样受限于轨道缝隙的限制。文献[4]于2004年首次提出了一种名为“宽幅海洋高度计”(WSOA)的星载系统，在交轨方向上采用成像高度计来提供二维海洋中尺度特征图像；这样做的好处是一次航过即可对中尺度涡等海洋现象进行观测，不幸的是，这一计划由于缺乏资金而被取消。2006年，一项基于这种技术同时针对海洋和陆地水测绘应用的地表水与海洋地形学(The Surface Water and Ocean Topography Mission，SWOT)任务计划被提交给美国国家研究委员会。SWOT的科学目的包含海洋学和地表水二个方面。海洋学方面是研究海洋10～100 km或更大范围空间精度的中低尺度洋流的海洋动力环境。地表水方面将研究提供所有表面面积超过250 m2的水体(例如湖、蓄水池、湿地)、宽度超过100 m(目标是50 m)河流的全球分布情况[4]。

文献[4]给出了WSOA、SWOT计划与星下点雷达高度计卫星在时间和空间采样特性上的比较分析。受到各国卫星规划和卫星寿命等诸多因素限制，在现有的业务化运行的海面测高系统中，即使结合2～3颗星下点雷达高度计数据，也无法得到海洋涡旋场特别是中尺度、亚中尺度涡高分辨率长时间稳定的观测数据。这是由于，在利用星下点高度计对中尺度现象观测时，需要根据海洋信号空间和时间尺度的先验知识，采用最优插值的方法进行海洋中尺度变化推演。但是，当使用这种内插方法将数据映射到常规的空间或时间网格上时，沿轨长波长信号误差可能会在小尺度上引入人为的交叉梯度，从而产生虚假的涡流信号[5]。因此，在融合多颗高度计卫星数据进行中尺度海洋现象分析时，首先就要消除这种虚假的高频海洋信号，这就需要有“同质”和“交叉校准”的高度计数据集。“同质”代表这些高度计卫星需采用相同的轨道和参考系统，以及相同的地球物理修正模型，如相同的潮汐模型，相同气象模型等。“交叉校准”意味着必须纠正相对偏差和漂移，以及减少轨道误差；国际目前常用的办法是采用高精度Jason-1卫星作为其他卫星的参考[2]。但即使上述这些苛刻的条件都被满足，即能够找到同时在轨可用的4颗Jason级卫星数据进行数据融合，洋流速度场测绘误差还是会具有较大的误差，这是采用数据同化办法无法解决的问题。单颗星下点雷达高度计的时空分辨率无法满足中尺度特别是亚中尺度海洋现象观测的要求，而1颗如WSOA或者SWOT类型的星载成像高度计系统就可以让科学家们对平均海平面异常的变化特征及中尺度涡的分布规律进行长时间系统化研究，这显然比利用多颗传统星下点高度计卫星星座数据融合要更加经济高效。

目前，各国都在致力于研发能够实现宽刈幅观测和中小尺度海洋观测的星载成像高度计系统，如：美国SWOT卫星计划、日本新型高精度海面高度干涉测量(COMPIRA)卫星计划、欧洲星载混合基线干涉式洋流成像探测雷达(WAVEWILL)卫星计划等。表1给出了这些星载干涉式成像高度计系统配置和参数对比[1-7]。

表1 星载成像高度计系统配置和参数对比

2 科学任务分析及系统参数设计

2.1 空间尺度

海洋涡流在海洋环流中广泛存在，其规模约为300 km或者更小，包含海洋动能的很大一部分，可以反映出海洋热能、海洋化学和生物学的特征。成像高度计的海洋学科学任务之一就是通过测量SSH来表征海洋中尺度和亚中尺度涡流。

根据目前在轨的海洋表面温度红外成像以及光学或者雷达成像结果显示目前海洋涡流会下降到10 km甚至更低[6]，且涡旋半径还会随着观测纬度的变化而变化，从高纬度的15 km到赤道附近200多千米[8]。在大于10 km尺度的海洋环流问题的研究上，洋面瞬时速度并不重要，长时间空间平均的速度场信息才是最关键的。因此星载成像高度计的空间尺度一般设计为大于10 km，例如，SWOT卫星最终将15～20 km尺度海洋现象做为最小观测目标。

2.2 时间分辨率以及成像幅宽

对于中尺度涡全球观测则要求成像高度计至少要在赤道处一次航过需覆盖大于100 km幅宽，才能满足赤道附近观测需求。由于成像高度计通常采用左右侧视方式，图像会同时到达接收天线，从时间上无法分辨左右侧视图像。因此成像高度计不能以星下点为中心同时进行左右刈幅的观测，完整的观测刈幅通常被分成“左侧”和“右侧”两种。因此，每侧的幅宽要求为分别大于50 km。例如，SWOT卫星观测刈幅宽度即设计为120 km，左右侧各60 km，中间空白区域为20 km，左右侧各10 km。

此外，由于中尺度海洋现象一般保持的时间为15～20天[9]，并且考虑到成像高度计测量时会进行空间平均(多视)以形成“平均单元”，因此时间分辨率应选择在小于10天，这与轨道重复周期的选择息息相关。

2.3 轨道选择

轨道特性主要由3个轨道参数确定：轨道倾角、轨道高度和重复周期。在进行成像高度计轨道选择时，需要根据海洋环流和潮汐测量所需要海平面测量精度、空间以及时间分布来确定卫星的时间和空间采样等轨道特性。

1)轨道倾角

考虑到潮汐混叠、时间分辨率以及定标场覆盖等因素[10]，越来越多的海洋测高卫星选择运行在非太阳同步轨道上，星载成像高度计系统在这方面的选择原则与传统高度计系统一致。其轨道倾角范围的选择主要考虑海面上沿纬度方向的海洋现象观测，例如，为了完全观测南极绕极流，轨道倾角通常在65°～115°之间[11]。最小倾角通常由观测区域的最大纬度范围确定，例如COMPIRA卫星观测区域为南北纬51°之间，地面足迹可覆盖波斯湾至美国西海岸，包含98%北纬35°的日本周边海域，因此其轨道倾角最终就选择为51.2°。

采用非太阳同步轨道的另一个好处是可以获得接近正交的轨道，以避开太阳潮的影响，同时这种轨道更有利于获得采样点分布均匀的海面高程信息来用于海洋现象动态观测。但是非太阳同步轨道卫星由于太阳受照情况复杂，卫星通常带有两块太阳翼，且卫星会根据轨道实时调整卫星姿态，进行偏航转向，以配合太阳翼转动来获取更大的能源，满足载荷全天时工作的能源和热控需求。在这种情况下，成像高度计的干涉基线方向将不是最佳的(最佳基线应保持与速度矢量正交)，并且太阳翼的转动、平台的移动将影响成像高度计基线稳定性。所以，从干涉基线保持的角度来看，太阳同步轨道实际上比非太阳同步轨道更有优势，这也是系统设计时需要综合考虑的一个因素。

2)轨道高度

关于卫星轨道高度的选择，成像高度计主要是对中尺度海洋现象进行观测，而中尺度海洋信号的测量受精密定轨后剩余误差中的长波长的影响较小[4]，这导致成像高度计卫星运行轨道可以低于传统高度计卫星如Jason的运行轨道。因此，SWOT卫星最终选择了800 km左右的轨道高度，这是综合考虑了定轨误差的影响以及成像高度计雷达的技术难度如发射功率等因素后确定下来的。

3)轨道重复周期

关于轨道重复周期的确定，成像高度计在进行轨道重复周期选择时，除了跟传统高度计一样需要考虑分潮和定标的要求以外，还需要根据中尺度海洋现象的特征进行重点分析。由于海洋中尺度、亚中尺度现象分析是基于海平面异常(SLA)数据进行的，且在开放海域的海平面异常去相关时间约为10天(赤道)～15天(极地)，因此，周期为10天的重复轨道可被作为研究目标之一。

此外，根据多个星下点高度计数据再分析的结果，3天的轨道重复周期也有利于中尺度海洋现象的研究[2]，例如海冰动力学观测通常需要3天连续观测，因此周期为3天的重复轨道也是研究目标之一。为了同时满足观测需求和选择更多合适的轨道，轨道子周期的概念被提出来[12]，设计人员可以结合卫星实际科学任务的侧重进行卫星轨道设计。例如，SWOT卫星就设计了周期为10天整数倍且子周期为3天的轨道方案。

2.4 海面高度测量精度要求

海面高度测量精度要求完全依据科学任务需求而定，对中尺度应用最有效的海面高度测量精度最小和最大阈值分别为2 cm和10 cm，因此有文献指出海面高度测量精度要求定为6 cm是比较合理的，同时还给出了相应的系统误差分配结果：雷达系统本身的仪器误差为5 cm，定轨误差、对流层误差以及电磁偏差等误差共分配为3 cm[8]。

SWOT卫星则是针对海洋应用和陆地水测量应用分开提需求，海洋应用延续Jason系列的高精度测量水平；而COMPIRA和WAVEMILL两颗卫星则设计在7 cm左右，这是由于这2颗卫星的科学目标要兼顾海洋洋流的观测需求，受限于观测机理高度测量精度无法达到很高的水平。图2给出了根据美国为SWOT卫星海洋科学任务设计开发的SWOT Simulator软件进行SWOT第292轨成像高度计的测量结果，其中考虑了系统仪器噪声、湿对流层时延、基线长度测量误差、倾角测量误差、干涉相位测量等误差因素。

图2 SWOT卫星成像高度计第292轨测量结果模拟图Fig.2 SWOT simulator result of 292 pass

2.5 工作频率选择

传统高度计卫星通常选择Ku和C双频段，主要是由于Ku频段需要进行电离层校正。SWOT卫星拟采用Ka频段(35.75 GHz频率)，与传统的Ku频段雷达仪器相比，它可以实现更精确的测量(更低的噪声水平)和更好的空间分辨率，例如1 s测距噪声可改善约40%，垂直分辨率可由Ku频段的0.5 m变为Ka频段的0.3 m[2]。该高度计可以单独用于海洋卫星或者与双频(Ku、C频段)高度计一起应用于未来的Jason类高精度的海洋卫星任务上。从技术层面来说，Ka频段有以下优势：

(1) 选择Ka频段可以提供更大的带宽，例如SARAL卫星上搭载的Ka频段成像高度计(AltiKa)信号带宽高达500 MHz，较传统Ku频段雷达高度计带宽提高近一倍，因此垂直分辨率也提高近一倍。由于天线孔径更小，海面回波信号的平均功率波形“后沿”会迅速衰减，这在海陆交界地带，会大大减小“陆地门”对“海洋门”的影响[2]。这一结论通过地中海西北部Jason卫星和SARAL卫星数据对比[13]就可以看出，在近岸50 km处，由于陆地干扰，传统高度计测量误差较大：Jason-2卫星有效测量数据为88.6%，而SARAL卫星有效测量数据达95.1%；在近岸10 km处，Jason-2卫星有效测量数据仅为31%，而SARAL卫星有效测量数据仍有60%。

(2) Ka频段的海面回波去相关时间较Ku频段更短，与Ku频段高度计相比，Ka频段高度计每秒的独立回波个数增加近一倍，SARAL卫星脉冲重复频率(PRF)设计值高达4 kHz，并且可沿轨道调整。

(3)由于Ka频段天线波束宽度较小，布朗回波在Ka段段中具有更尖锐的形状，因此减少了天线照亮面积，在800 km的轨道高度，3 dB天线波束照亮区域面积半径大约为4～6 km，而Jason-1卫星约为15 km，这有助于提高测量的空间分辨率以及区分过渡地带的表面类型(如海陆交界，海冰等)[2，13]。此外还有文献提出Ka频段有利于在雨季监测土壤湿度动态变化[9]。

(4)Ka频段受电离层影响较小，仅为0.02 ns延迟，对应的测高误差仅为3 mm，SARAL卫星在极端条件下，还会采用星载多普勒轨道和无线电定位组合系统(DORIS)一起对Ka频段高度计进行双频电离层校正[2]。

Ka频段也对现有技术发起了一些挑战，比如Ka频段对星上处理技术要求更高；Ka频段工程实现面临最大的问题来自于雨衰，在Ka频段，云液态水即使是小雨降水也可以强烈地衰减信号[14]。因此，降低降雨量影响对Ka频段高度计测量的是非常重要的。除了衰减效应之外，降雨还会影响波形的形状。高度计足迹中雨分布的不均匀性会影响回波波形，从而影响SSH的测量精度。因此，需用特定的算法将雨水对Ka频段回波的影响予以纠正或消除。

研究表明，传统Ku/C双频雷达高度计受降雨的影响要比Ka频段小一到两个数量级。同时，传统高度计信号处理中，降雨标记程序的一些近似条件已经不再适用于Ka频段高度计，尤其在小降雨量的情况下，需要重新开发此类降雨标记程序算法。

此外，在频段选择上还需要考虑卫星电磁兼容(EMC)问题。以SARAL卫星为例，其微波辐射计采用23.8 GHz和36.8 GHz频率，与高度计的35.5 GHz的工作频率十分接近。因此需要采用有效措施解决整星EMC问题，SARAL卫星的解决策略为将35.5～36 GHz工作频率分配给高度计使用，36.6～37 GHz分配给微波辐射计使用，同时为了解决设备布局空间紧张问题，高度计和微波辐射计采用共用天线的方式，通过极化隔离，利用开关切换两者工作时序。采用X频段和Ku频段的COMPIRA卫星和WAVEMILL卫星则避免了上述问题，这两颗卫星的频段选择主要是考虑其各自的科学任务以及技术继承性和成熟度。

图3 不同频段干涉相位测量精度对测高精度影响比较分析Fig.3 Different frequency effects on SSH

在成像高度计频段比较时，还需要考虑不同频段对干涉相位测量引入的测高误差的影响。图3给出了在相同基线长度10 m下，X、Ku、Ka等频段在有效波高(SWH)为2 m和4 m时干涉相位测量精度对测高精度影响比较分析。频率对测高误差的影响由系统信噪比、干涉基线长度引入的空间去相关以及海面干涉回波信号的时间去相关等因素共同决定。如图所示，在相同基线长度情况下，Ka频段最优、Ku频段次之、X频段最差，但Ka频段受海况影响较大，在小入射角时不同海况测高误差变化较大。同时此处并没有考虑云层、降雨覆盖的影响，因为海面较大面积和较长时间都会存在云层覆盖和降雨影响，对于Ka频段来说，这会导致其在干涉路径上的延时波动非常大，直接影响了干涉相位的稳定，从而对海面测高产生非常不利的影响。因此在进行成像高度计系统设计时，频率的选择需要综合考虑各方面因素最终确定。

2.6 辅助载荷的配置

传统星下点高度计获得高精度测高信息时必须进行大气中水汽、云液态水导致的路径时延修正。由于大气中水汽、云液态水主要集中于对流层，这一误差被称为湿对流层路径延迟。在不同大气条件下，雷达信号的路径延迟可达到5～50 cm。湿对流层路径延迟修正主要有两种方法：

(1)预报产品修正，湿对流层路径延迟改正量计算的预报产品数据来源主要有：①美国的美国国家环境预报中心(NCEP)预报，②欧洲的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)预报。后者的精度略好于前者。

(2)采用微波辐射计进行修正，由于大气中的水汽含量是随着空间时间变化，而预报产品修正数据通常要延迟数月才能获得，难以实现实时修正，因此传统星下点高度计卫星一般会专门配置一种为雷达高度计提供湿对流层路径延迟修正的微波辐射计配合使用。这种微波辐射计通过被动地接收传播路径上大气中云液态水、水汽辐射的微波能量来探测传播路径所经过对流层的物理特性，并根据测量结果计算获得高度计信号的时延信息，具有全天时、全天候的实时修正能力。星载三频微波辐射计是目前精度最高、最有效的湿对流层延迟反演手段。

成像高度计信号穿过海面大气对流层时会产生延迟，干扰海面高度测量的准确性，且由于宽幅信号传播路径较星下点回波信号复杂，完全实现同程校正难度很大。这就要求结合成像高度计的主工作频段以及科学任务的精度要求进一步分析辅助载荷的配置需求。SWOT卫星在选择辅助载荷的配置时，针对成像高度计宽幅设计了左右侧视双波束微波辐射计和星下点波束微波辐射计，并比较了两者的路径延迟校正效果[15]。由于星下点微波辐射计无法对交轨方向的水汽变化情况进行探测，采用星下点微波辐射计校正路径延迟时是将整个刈幅内水汽变化作常值估计，在刈幅远端将产生接近2 cm的校正残差，均方根(RMS)值也约有1.1 cm，这在任何海洋学应用中都不能被忽略。而采用双波束微波辐射计，两个波束各指向左右刈幅的中心，这样路径时延校正后残差RMS仅为0.4 cm，改善效果显著，如图4所示，特别是在热带地区，这样的配置更有利于路径时延的校正[15]。

图4 采用双波束微波辐射计校正后的路径时延Fig.4 Wet tropo residual error after dual-beam radiometer measurement

SWOT任务现在还是倾向于采用传统的18～37 GHz微波辐射计来校正因湿对流层路径延迟造成的SSH误差。但是在这些频率下的微波辐射计受到陆地与海洋不同的发射率以及土地温度的影响在50 km海岸线内会产生重大的测量误差。目前已经有研究指出更高的频率(90～170 GHz)的微波辐射计可以在相同的天线尺寸条件下实现更高的分辨率从而改善海陆交界处湿对流层路径延迟的反演精度[16]。

3 对我国发展星载成像高度计系统的启示

从国外发展经验来看，星载成像高度计系统是一种全新体制的海洋测高系统，其海洋遥感模型、指标体系、误差分配、关键技术均于传统高度计系统有很大的不同。星载成像高度计采用小角度偏离天顶点观测，利用高精度干涉相位测量技术、合成孔径技术等同时获得二维的高度信息，除了受传播路径延迟和精密定轨精度影响外，还受平台姿态变化、基线振动、基线测量精度、相位测量精度等因素影响，传统高度计的海洋遥感模型和误差分配方法已经不再适用。

星载成像高度计系统指标体系不只是与载荷产品性能有关，同时也与轨道选择、数据应用对卫星的反要求等方面的研究有着密切关系，其指标体系建立需要从科学任务出发重新建立分析方法，综合考虑这些因素之间的相互耦合以及二维误差传递过程，建立适用于星载成像高度计系统的全链路数学模型，亦可借鉴国外采用的新型功率-波数谱误差分析方法，获取沿二维空间谱积分后的测量精度值来进行定量化误差分配。但这种新型分析方法需要在设计前对各个误差环节进行海洋波数谱物理模型建立，我国目前在这方面的研究较少。在建立起这些物理模型后，还要综合考虑这些设计要素之间的相互关系进行适当的折中，在顶层指标设计上选择切实可行的方案，满足卫星产品既达到厘米级高精度海面高度测量精度又要满足大于100 km宽度观测刈幅的目标，获取中尺度-亚中尺度涡的演变过程。

4 结束语

随着海洋学的发展，利用多颗星下点卫星高度计反演同化在中尺度涡数值模拟的适用性和同化效果不能满足科学研究需要，星载成像高度计对中尺度、亚中尺度涡的高效精确测量特性越来越受到关注。因此，星载成像高度计正在成为国际上的一个研究热点。本文分析了国际上星载成像高度计的研究现状，比较分析了传统星下点高度计在观测中尺度、亚中尺度涡的局限性，提出未来星载成像高度计系统设计需要关注海面高度测量误差分配、指标体系建立等的问题,可为我国发展星载成像高度计系统提供参考。