了解全球海洋表面鹽度國(guó)際“寶瓶座”衛(wèi)星升空

□ 諸葛訊

“寶瓶座”衛(wèi)星在軌飛行示意圖

2011年6月10日,美國(guó)德?tīng)査?2火箭成功發(fā)射了價(jià)值2.78億美元的“寶瓶座”/科學(xué)應(yīng)用衛(wèi)星-D, 它是美國(guó)和阿根廷寶的合作項(xiàng)目，美國(guó)稱它為“寶瓶座”，阿根廷稱它為科學(xué)應(yīng)用衛(wèi)星-D，下面簡(jiǎn)稱“寶瓶座”衛(wèi)星。它載有美國(guó)、阿根廷、巴西、加拿大、法國(guó)和意大利等國(guó)家的多種科學(xué)探測(cè)儀器。這顆用星座名稱命名的衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約1642千克，運(yùn)行在657千米高的太陽(yáng)同步軌道,每7天能完成一次全球覆蓋，設(shè)計(jì)壽命3年～5年,用于測(cè)量海洋釋放出的微波能量, 這種微波能提供包括海水鹽度、溫度、風(fēng)速、冰川融化等全球氣候的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，從而了解全球海洋表面鹽度的變化及其對(duì)全球氣候和人們生活的影響。它每周對(duì)全球大洋表面的鹽度掃描一次，使科學(xué)家能每月評(píng)估一次全球海洋表面鹽度的變化。

海洋福星

地球有近3/4的表面被水覆蓋，其中鹽的含量約占3.5%。雖然全球海洋中鹽的總量幾乎保持不變，但海洋最表面一層鹽的濃度在全球各地都不相同。經(jīng)過(guò)研究科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，海面鹽度數(shù)據(jù)可用于研究海洋熱容，海洋熱容會(huì)影響地球的氣候和水循環(huán)，一旦了解到海洋表面的鹽度，將有助于科學(xué)家更好地預(yù)測(cè)未來(lái)的氣候變化以及對(duì)全球天氣產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的厄爾尼諾和拉尼娜等短期氣候現(xiàn)象，從而幫助人們了解季風(fēng)的形成以及海洋鹽度的改變給人類(lèi)生活帶來(lái)的影響。

不過(guò)，由于海洋的面積太大，所以要想對(duì)這一占地球面積 70.8 %且不斷運(yùn)動(dòng)著的水體表面鹽度進(jìn)行全面、及時(shí)的了解，靠一般方法很難做到。目前對(duì)海洋中含有的溶解鹽的測(cè)量仍然受到很大程度的限制。

新上天的“寶瓶座”衛(wèi)星可用于監(jiān)視遼闊的海表鹽度年度性和季節(jié)性變化，以更好地研究全球水循環(huán)以及它的變化過(guò)程，并滿足阿根廷監(jiān)控環(huán)境和監(jiān)測(cè)災(zāi)害的需要。

“寶瓶座”衛(wèi)星所攜帶的探測(cè)設(shè)備靈敏度非常高，可從太空有效精確地跟蹤測(cè)量地表海洋鹽度，檢測(cè)出一加侖水中鹽度微小的變化。為了防止無(wú)線電、雷達(dá)和其他噪音產(chǎn)生的干擾帶來(lái)監(jiān)測(cè)誤差，星上還另有一個(gè)檢測(cè)和糾錯(cuò)的設(shè)備。

雖然“寶瓶座”衛(wèi)星可用于了解整個(gè)地球系統(tǒng)以及自然和人類(lèi)使地球環(huán)境產(chǎn)生的變化，但其主要目標(biāo)是觀測(cè)引起氣候變化的鹽度變化過(guò)程，以了解這些變化如何影響海洋環(huán)流，研究水環(huán)境和海洋環(huán)流的各種變化，以及對(duì)當(dāng)前和未來(lái)氣候的影響。精確測(cè)量海面鹽度和海面溫度可測(cè)定海水密度，對(duì)三維海洋環(huán)流進(jìn)行有效管理?！皩毱孔辈粌H測(cè)量海面鹽度和海面溫度，測(cè)量對(duì)流層和同溫層的濕度廓線、海洋上方的降雨率、海冰密集度等，還研究電子儀器和空間碎片對(duì)宇宙輻射的影響。

探鹽能手

在“寶瓶座”這一國(guó)際合作項(xiàng)目中，美國(guó)航宇局負(fù)責(zé)研制“寶瓶座”衛(wèi)星的主要有效載荷及其裝配、衛(wèi)星發(fā)射、早期運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。阿根廷航天局負(fù)責(zé)提供衛(wèi)星平臺(tái)——科學(xué)應(yīng)用-D，以及一部分有效載荷和衛(wèi)星的運(yùn)行。還有一部分有效載荷由意大利、法國(guó)和加拿大研制。

衛(wèi)星平臺(tái)采用三軸姿態(tài)控制系統(tǒng)（包括2個(gè)星跟蹤器、2個(gè)磁力計(jì)、8個(gè)粗太陽(yáng)敏感器、2個(gè)GPS接收器、4個(gè)反作用輪和3個(gè)扭矩桿）、砷化鎵太陽(yáng)電池陣、鎳鎘蓄電池等，姿態(tài)控制能力為0.04o，姿態(tài)敏感精度為0.002o，太陽(yáng)電池陣尺寸3.25米×1.6米，太陽(yáng)電池效率27%，平均功率消耗699瓦。衛(wèi)星可同時(shí)提供上行和下行S頻段和X頻段鏈路，其中S頻段用于跟蹤、遙測(cè)和控制，數(shù)據(jù)率1千比特/秒。星上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為768兆比特。

“寶瓶座”有望獲取的全球海洋鹽度模擬圖

“寶瓶座”在整流罩內(nèi)與上天后展開(kāi)圖

吊裝“寶瓶座”衛(wèi)星的反射器天線

簡(jiǎn)單地說(shuō)，“寶瓶座”衛(wèi)星上的科學(xué)探測(cè)儀器由天線、微波輻射計(jì)、散射計(jì)、指令與數(shù)據(jù)單元、機(jī)械與熱子系統(tǒng)、配電單元6部分組成，其中天線、微波輻射計(jì)和散射計(jì)是其關(guān)鍵組成部分。

星上最重要的科學(xué)探測(cè)儀器就是美國(guó)研制的 “寶瓶座”， 它是將被動(dòng)式遙感儀器——輻射計(jì)與主動(dòng)式遙感儀器——散射計(jì)集成在一起測(cè)量海表鹽度，尺寸為3米×6米×4米，質(zhì)量247千克，平均功率291瓦，數(shù)據(jù)率5千比特/秒,具有輻射分辨率更高，精度與穩(wěn)定性更好的優(yōu)點(diǎn)。

它由L頻段推掃式微波輻射計(jì)和L頻段散射計(jì)組成。前者有4個(gè)單獨(dú)通道和4個(gè)噪聲二極管定標(biāo)源，采用偏振設(shè)計(jì), 使用了狄克輻射計(jì)進(jìn)行噪聲二極管定標(biāo),對(duì)海洋鹽度和表面粗糙度比較敏感，用于測(cè)量海洋表面的微波輻射亮溫，從而測(cè)量鹽度；后者是一個(gè)簡(jiǎn)單的真實(shí)孔徑雷達(dá)，用于測(cè)量來(lái)自海洋表面的反向散射,也可測(cè)量海面粗糙度，對(duì)輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行修正，即幫助修正表面粗糙度。輻射計(jì)和散射計(jì)在時(shí)間上交替觀測(cè)以共享同一個(gè)天線。

從外形看，“寶瓶座”儀器最突出的特點(diǎn)就是有一個(gè)直徑2.5米偏饋拋物面發(fā)射器天線。它是一個(gè)3波束固定偏饋系統(tǒng)，由3個(gè)饋源喇叭組成，這3個(gè)饋源波束的擺放方式可形成在衛(wèi)星星下點(diǎn)20°～40°之間視角的交軌指向推掃。每個(gè)波束的饋源為散射計(jì)和輻射計(jì)共用，以測(cè)量海洋微波輻射。它可對(duì)海表進(jìn)行面積為76千米×94千米、84千米×120千米、96千米×156千米的掃描波束覆蓋，總幅寬約390千米。

該衛(wèi)星有充分的內(nèi)定標(biāo)和良好的熱控能力，以保障星上輻射計(jì)在7天內(nèi)穩(wěn)定在0.13開(kāi)的范圍內(nèi)，使“寶瓶座”每周精確地對(duì)全球大洋表面的鹽度掃描一次。其輻射計(jì)由OMT耦合器、相關(guān)噪聲二極管、兩個(gè)雙工器、輻射計(jì)前端輻射計(jì)后端和數(shù)字處理單元組成。這些組件的熱控對(duì)于輻射測(cè)量穩(wěn)定性具有關(guān)鍵作用，決定了“寶瓶座”衛(wèi)星取回鹽度的精度。為了達(dá)到要求，設(shè)計(jì)人員采用了散熱板和涂層進(jìn)行制冷，同時(shí)利用安裝于組件上的加熱器來(lái)控制加熱。

在美國(guó)航宇局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為“寶瓶座”衛(wèi)星安裝直徑2.5米偏饋拋物面發(fā)射器天線

“寶瓶座”的輻射計(jì)和散射計(jì)是同時(shí)接收信號(hào)的，只有這樣2種儀器才能在幾乎同一時(shí)間對(duì)同一海面區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在散射儀發(fā)射信號(hào)的1毫秒間隔內(nèi)，輻射計(jì)受到同向雙工器的保護(hù)，消除輻射計(jì)的輸入誤差。在接下來(lái)的9毫秒內(nèi)，輻射計(jì)前端的同向雙工器和帶通濾波器能將輻射計(jì)和散射計(jì)反射面分離，使2個(gè)頻率之間有足夠的隔離。除了使用矯正回路，設(shè)計(jì)人員還采用了高準(zhǔn)確度（0.1℃）的溫度敏感器，主要是為了保證在溫度變化修正之后能夠得到優(yōu)于0.1分貝的矯正穩(wěn)定性。為了矯正依賴于這些電子元件變化而變化的溫度，在發(fā)射之前進(jìn)行了矯正測(cè)試，以描述矯正回路、分壓器、波束選擇開(kāi)關(guān)和其他作為溫度函數(shù)的關(guān)鍵元件的損失。

鼎立相助

俗話說(shuō)，一個(gè)好漢三個(gè)幫。衛(wèi)星上除了裝有美國(guó)“寶瓶座”科學(xué)探測(cè)儀器外，還裝有阿根廷、意大利、法國(guó)和加拿大等其他國(guó)家研制的科學(xué)探測(cè)儀器。

阿根廷和加拿大合作研制的“新紅外掃描器技術(shù)”多光譜成像輻射計(jì)譜段為3.8微米、10.7微米和11.7微米，幅寬180千米；分辨率為350米。它用于探測(cè)可見(jiàn)光和紅外譜段的生物體燃燒和火山灰區(qū)域等高溫?zé)崾录?，測(cè)量海洋表面溫度。

研制“寶瓶座”衛(wèi)星的輻射計(jì)

阿根廷研制的Ka頻段推掃式微波輻射計(jì)有2個(gè)通道（23.8吉赫和37吉赫），每個(gè)通道都有一個(gè)專用結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，包括1個(gè)反射器，8個(gè)饋源喇叭和2個(gè)輻射計(jì)，能進(jìn)行垂直和水平極化。其帶寬分別為0.5吉赫和1吉赫，幅寬為390千米，分辨率優(yōu)于50千米，靈敏度0.5開(kāi)，覆蓋范圍與“寶瓶座”相同。它用于探測(cè)海面風(fēng)、降水速率、海冰密集度、水蒸汽、云。

阿根廷研制的全色高靈敏度相機(jī)采用時(shí)間延遲積分-CCD技術(shù)，幅寬700千米，分辨率為200米～300米。它用于探測(cè)城市閃電、電暴、極地、積雪、火災(zāi)和夜間極光事件。

阿根廷研制的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的上行鏈路401.55兆赫。它用于采集地面段收集數(shù)據(jù)收集平臺(tái)發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后發(fā)至阿根廷科爾多瓦市地面站，最終通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送給用戶。

阿根廷研制的軌道確定技術(shù)驗(yàn)證工具包由GPS接收機(jī)和慣性基準(zhǔn)裝置等組成，定位精度為20米，速率精度1米/秒、2米/秒。它用于確定位置、速率和慣性角速度。

意大利研制的大氣層無(wú)線電掩星探測(cè)器是利用GPS無(wú)線電掩星測(cè)量技術(shù)測(cè)量大氣層（對(duì)流層和平流層）溫度和濕度廓線。其水平分辨率300千米，垂直分辨率300米。它用于探測(cè)大氣性質(zhì)。

法國(guó)研制的CARMEN-1輻射監(jiān)視器由ICARE和SODAD組成，ICARE包括3個(gè)硅和硅/鋰探測(cè)器，有256個(gè)通道，用于測(cè)量電子設(shè)備中宇宙輻射的影響；SODAD包括4個(gè)SMOS傳感器，速率為10千米/秒時(shí)敏感度為0.5，用于測(cè)量微粒子和空間碎片的分布。

總之，通過(guò)分析海水鹽度的數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以實(shí)時(shí)了解海洋環(huán)流、溫度、成分以及海平面高度方面的信息。這些都是影響地球生態(tài)系統(tǒng)的重要因素。

為“寶瓶座”衛(wèi)星安裝防熱裝置