“賈森”高度計(jì)衛(wèi)星系列增添新成員

龔燃 （北京空間科技信息研究所）

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“賈森”高度計(jì)衛(wèi)星系列增添新成員

龔燃 （北京空間科技信息研究所）

Jason Altimeter Satellite Series Adds a New Member

2016年1月17日，賈森－3（Jason－3）衛(wèi)星由太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falon－9）運(yùn)載火箭發(fā)射升空。賈森－3衛(wèi)星是2008年6月20日發(fā)射的賈森－2衛(wèi)星的后續(xù)任務(wù)，由美國(guó)海洋和大氣管理局（NOAA）、歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（EUMETSAT）和法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）聯(lián)合研制，目標(biāo)是保持“托佩克斯/波塞冬”（TOPEX/Poseidon）、賈森－1和“海表地形任務(wù)”（OSTM）/賈森－2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

賈森－3衛(wèi)星用于長(zhǎng)期維持全球海面高度的衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將提供關(guān)鍵的海洋信息。該衛(wèi)星將經(jīng)歷6個(gè)月的儀器在軌測(cè)試。一旦完成測(cè)試，它將正式進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，與2008年發(fā)射的賈森－2衛(wèi)星共同提供服務(wù)。未來，賈森－3衛(wèi)星的高精度高度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)將用于各種科學(xué)、商業(yè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括：颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)；海外運(yùn)營(yíng)商表面波預(yù)測(cè)；海岸預(yù)測(cè)，以解決環(huán)境問題，如石油泄漏和有害藻華；海岸模型，對(duì)海洋哺乳動(dòng)物和珊瑚礁研究非常重要；厄爾尼諾和拉尼娜（反厄爾尼諾）預(yù)測(cè)等。

1　發(fā)展背景

2010年2月初，歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織成員批準(zhǔn)了賈森－3項(xiàng)目，以保持賈森－2衛(wèi)星及其前任衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)在氣象、海洋，尤其是海平面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，作為氣候變化關(guān)鍵指標(biāo)。賈森－3項(xiàng)目的諒解備忘錄（MOU）于2010年7月簽署。

在該項(xiàng)中，美國(guó)海洋大氣管理局出資1.77億美元，美國(guó)航空航天局的資金由美國(guó)海洋大氣管理局提供，歐洲委員會(huì)（EC）出資1.19億美元，法國(guó)國(guó)家空間研究中心出資6800萬美元?？傮w上，美國(guó)海洋大氣管理局和歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織負(fù)責(zé)衛(wèi)星的管理和運(yùn)行，四家機(jī)構(gòu)具體分工如下。

美國(guó)海洋大氣管理局負(fù)責(zé)：①與歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織共同實(shí)施賈森－3項(xiàng)目；②為整個(gè)系統(tǒng)工程提供支持；③提供先進(jìn)微波輻射計(jì)（AMR）、激光反射器陣列（LRA）和全球定位系統(tǒng)有效載荷（GPSP）；④提供發(fā)射服務(wù)；⑤對(duì)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局地面站收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行近實(shí)時(shí)處理；⑥提供所有近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和離線數(shù)據(jù)產(chǎn)品的融合；⑦對(duì)所有近實(shí)時(shí)與離線數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行長(zhǎng)期存檔，包括遙測(cè)、星上和附加數(shù)據(jù)集；⑧支持相關(guān)的研究公告過程、評(píng)估未來運(yùn)行業(yè)務(wù)的相關(guān)調(diào)查結(jié)果。

歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織負(fù)責(zé)：①與美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局共同實(shí)施賈森－3項(xiàng)目；②為整個(gè)系統(tǒng)工程提供支持；③出資研制波塞冬－3B （Poseidon－3B）高度計(jì)、星基多普勒軌道確定和“星載多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)”（DORIS）、有效載荷艙及其集成；④對(duì)歐洲地面站收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行近實(shí)時(shí)處理；⑤提供所有近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和離線數(shù)據(jù)產(chǎn)品的融合；⑥出資建造衛(wèi)星指令與控制中心；⑦支持相關(guān)的研究公告過程、評(píng)估未來運(yùn)行業(yè)務(wù)的相關(guān)調(diào)查結(jié)果。

NASA負(fù)責(zé)：①指導(dǎo)與協(xié)調(diào)各合作方準(zhǔn)備與發(fā)布相關(guān)的研究公告；②與美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局共同指導(dǎo)美國(guó)調(diào)查人員作出選擇。

法國(guó)國(guó)家空間研究中心負(fù)責(zé)：①提供系統(tǒng)工程與相關(guān)的人力資源、標(biāo)準(zhǔn)可重構(gòu)的觀測(cè)、通信與科學(xué)平臺(tái)（PROTEUS）；②與合作機(jī)構(gòu)共同指導(dǎo)和協(xié)調(diào)相關(guān)研究公告的準(zhǔn)備與發(fā)布；③與歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織共同指導(dǎo)歐洲調(diào)查人員作出選擇。

2　衛(wèi)星概況

與賈森－2衛(wèi)星類似，賈森－3衛(wèi)星仍采用泰雷茲·阿萊尼亞航天公司（TAS）的可重構(gòu)的觀測(cè)、通信與科學(xué)衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷艙，TAS仍為衛(wèi)星主承包商。在歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織批準(zhǔn)賈森－3項(xiàng)目之后不久，法國(guó)國(guó)家空間研究中心即與TAS簽署了合同。

賈森－3運(yùn)行軌道高度約1336km，軌道傾角66.038°，軌道重復(fù)周期9.9天。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約553kg，其中平臺(tái)質(zhì)量277kg，載荷質(zhì)量255kg。衛(wèi)星為三軸姿態(tài)穩(wěn)定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用反作用輪和磁力矩棒。它通過2個(gè)太陽面板提供功率，壽命末期功率為550W。衛(wèi)星指向精度0.15°，星上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量2Gbit。設(shè)計(jì)壽命5年。

賈森－3衛(wèi)星結(jié)構(gòu)

賈森－3衛(wèi)星遙測(cè)、跟蹤和控制采用S頻段天線正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制，下傳速率為838kbit/s，上傳速率為4kbit/s。衛(wèi)星正反向通信鏈路模式采用國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）通信協(xié)議。此外，遙測(cè)還采用卷積編碼。

3　有效載荷

除了波塞冬－3B高度計(jì)、先進(jìn)微波輻射計(jì)－2儀器、全球定位系統(tǒng)有效載荷、無線電定位組合系統(tǒng)和激光反射器陣列外，賈森－3衛(wèi)星還攜帶了2個(gè)試驗(yàn)儀器，表征與建模環(huán)境－3（CARMEN－3）和輕粒子望遠(yuǎn)鏡（LPT），用于減小衛(wèi)星的輻射效應(yīng)。

波塞冬－3B高度計(jì)參數(shù)表

波塞冬－3B高度計(jì)

波塞冬－3B高度計(jì)為波塞冬－2的后續(xù)產(chǎn)品，由歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織投資，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司建造。波塞冬－3B為雙頻（5.3GHz和13.6GHz）天底點(diǎn)雷達(dá)高度計(jì)，為賈森－3衛(wèi)星上最重要的儀器。目標(biāo)是繪制海表地形圖、計(jì)算海洋表面流速度、測(cè)量海浪高度和風(fēng)速。波塞冬－3的測(cè)量精度與波塞冬－2相同。

此外，波塞冬－3B還具有試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑С趾０稁?、湖泊和河流附近的測(cè)量。這將通過開環(huán)追蹤來實(shí)現(xiàn)：衛(wèi)星表面距離將利用近實(shí)時(shí)軌道定位法通過高度計(jì)進(jìn)行評(píng)估，并使用高度計(jì)內(nèi)數(shù)字高程模型（DEM）存儲(chǔ)的GRIM5大地水準(zhǔn)面進(jìn)行表面高程評(píng)估。波塞冬－3B的普爾斯重復(fù)頻率在波塞冬－2中也經(jīng)常出現(xiàn)，處理和控制單元（PCU）大部分重復(fù)使用歐洲航天局“冷衛(wèi)星”（CryoSat）上干涉/合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)（SIRAL）的電子設(shè)備。

波塞冬－3B儀器

波塞冬－3B天線

先進(jìn)微波輻射計(jì)－2

先進(jìn)微波輻射計(jì)－2（AMR－2）儀器由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局投資，美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制，目標(biāo)是測(cè)量對(duì)流層水蒸氣延遲的高度計(jì)信號(hào)路徑。

先進(jìn)微波輻射計(jì)－2為被動(dòng)微波輻射計(jì)，在18.7GHz、23.8GHz和34GHz測(cè)量天底點(diǎn)方向的亮溫，對(duì)高度計(jì)的路徑延時(shí)進(jìn)行改正（亮溫可轉(zhuǎn)化為路徑延時(shí)信息）。23.8GHz為主要的水蒸氣測(cè)量通道，34GHz通道主要提供非降雨云區(qū)域的校正，18.7GHz通道提供海面背景輻射中由風(fēng)所致的效應(yīng)增強(qiáng)校正。

先進(jìn)微波輻射計(jì)－2由兩部分組成：電子結(jié)構(gòu)組件（ESA）和反射器結(jié)構(gòu)組件（RSA）。前者由美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制，后者由ATK航天系統(tǒng)公司研制。

電子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組件

反射器結(jié)構(gòu)組件

新一代DGXX-S接收機(jī)外觀

精確定軌系統(tǒng)

星載多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)采用了60個(gè)全球地面網(wǎng)定軌信標(biāo)，通過2個(gè)頻率向星載接收機(jī)發(fā)送信號(hào)。測(cè)量衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)引發(fā)信號(hào)頻率的移動(dòng)（稱為多普勒頻移）可得出衛(wèi)星速度。隨后這些數(shù)據(jù)融入軌道確定模型，確保長(zhǎng)久跟蹤衛(wèi)星的精確軌道位置（精度3cm內(nèi)）。

該儀器由歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織投資，法國(guó)國(guó)家空間研究中心研制，基于賈森－2衛(wèi)星的經(jīng)驗(yàn)，為其星載多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)的新一代DGXX-S接收機(jī)。其中對(duì)建模太陽翼位置進(jìn)行了改進(jìn)。當(dāng)前的模型改進(jìn)將對(duì)如下進(jìn)行融合，包括反照率和紅外壓力、國(guó)際地球參考框架2008（ITRF 2008）、極點(diǎn)預(yù)測(cè)、希爾沿軌經(jīng)驗(yàn)加速、星載超穩(wěn)振蕩器（USO）頻率預(yù)測(cè)等等，這需要更多的精確二極管導(dǎo)航工具。

GPS有效載荷

全球定位系統(tǒng)有效載荷（GPSP）采用全球定位系統(tǒng)（GPS）來通過三角測(cè)量來確定衛(wèi)星位置，同樣的方法可在地球上獲得GPS修復(fù)，至少需要3顆GPS衛(wèi)星才能確定特定瞬間的移動(dòng)準(zhǔn)確位置，隨后位置數(shù)據(jù)將融入軌道確定模型，連續(xù)跟蹤衛(wèi)星軌跡。

GPS電子單元

GPSP儀器由美國(guó)海洋大氣管理局投資，NASA研制。該儀器設(shè)計(jì)原理與賈森－1和賈森－2衛(wèi)星類似，但又有著不同之處。其數(shù)據(jù)處理或產(chǎn)品沒有變化，預(yù)期性能與賈森－2衛(wèi)星相同或優(yōu)于它。

激光反射器陣列

激光反射器陣列為下一代“托佩克斯/波塞冬”衛(wèi)星星載儀器，由ITE股份有限公司建造，美國(guó)海洋大氣管理局基于NASA/戈達(dá)德空間飛行中心（GSFC）合同投資。激光反射器陣列可為基準(zhǔn)目標(biāo)提供衛(wèi)星激光測(cè)距（SLR）測(cè)量，這是POD系統(tǒng)和高度計(jì)定標(biāo)的重要部分。激光反射器陣列安裝在朝向天底點(diǎn)方向，為無源裝置，由9個(gè)去頂?shù)氖⑷抢忡R組成，其中1個(gè)位于頂部中心，其他8個(gè)分布在一周8個(gè)面上。這種排列結(jié)構(gòu)使得激光測(cè)距視場(chǎng)角（FOV）能達(dá)到方位向360°，垂直向60°。后向反射鏡優(yōu)化后波長(zhǎng)為532nm（綠），F(xiàn)OV約120°。激光反射器陣列儀器質(zhì)量為2.2kg。

激光反射器陣列為被動(dòng)儀器，充當(dāng)基準(zhǔn)目標(biāo)的作用，由地面站進(jìn)行激光跟蹤測(cè)量。激光跟蹤數(shù)據(jù)分析后可計(jì)算衛(wèi)星的高度，精度達(dá)到幾毫米。盡管如此，由于地面站數(shù)量少，激光波束對(duì)于天氣條件的敏感性低，使得無法連續(xù)跟蹤衛(wèi)星，因此還需要攜帶其他星載位置系統(tǒng)。

激光反射器陣列

試驗(yàn)儀器

賈森－3衛(wèi)星攜帶了表征與建模環(huán)境－3和輕粒子望遠(yuǎn)鏡來進(jìn)行聯(lián)合輻射試驗(yàn)（JRE）。

（1）表征與建模環(huán)境－3

表征與建模環(huán)境－3為空間環(huán)境測(cè)量的一種專用儀器概念，包括軌道碎片、高與低能量粒子，由模塊ICARE-NG和附加的遙感器AMBRE組成。模塊ICARE-NG為研究空間輻射效應(yīng)及其對(duì)電子組件影響的專用儀器。遙感器AMBRE能探測(cè)低級(jí)別離子與電子。

輕粒子望遠(yuǎn)鏡－E外觀

輕粒子望遠(yuǎn)鏡－S外觀

表征與建模環(huán)境－3儀器同時(shí)具有粒子任務(wù)目標(biāo)和衛(wèi)星相關(guān)的目標(biāo)：

1）模塊ICARE－NG的科學(xué)目標(biāo)：允許測(cè)量帶電粒子流量和進(jìn)行電子組件測(cè)試時(shí)這些粒子流量的影響。

2）遙感器AMBRE的科學(xué)目標(biāo)：允許測(cè)量靜電放電時(shí)的低能量帶電粒子流量。

3）表征與建模環(huán)境－3的任務(wù)目標(biāo)：允許當(dāng)?shù)剌椛洵h(huán)境特征和評(píng)估潛在的漂浮設(shè)備，尤其是南大西洋異常區(qū)域（SAA）的輻射，在進(jìn)行聯(lián)合輻射試驗(yàn)（JRE）時(shí)與輕粒子望遠(yuǎn)鏡儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交叉定標(biāo)。

表征與建模環(huán)境－3（CNES儀器）為一種放射量測(cè)定器，用于提高對(duì)“賈森”衛(wèi)星軌道，特別是其主動(dòng)輻射的了解。

（2）輕粒子望遠(yuǎn)鏡

輕粒子望遠(yuǎn)鏡為日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的探測(cè)單元，可對(duì)表征與建模環(huán)境－2的輻射測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。2006年6月，該機(jī)構(gòu)和法國(guó)國(guó)家空間研究中心就簽署了諒解備忘錄，想要在賈森－2衛(wèi)星上安裝日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的激光反射器陣列組件。

輕粒子望遠(yuǎn)鏡由兩部分組成，分別為輕粒子望遠(yuǎn)鏡－E和輕粒子望遠(yuǎn)鏡－S。前者安裝在衛(wèi)星內(nèi)部，后者安裝在衛(wèi)星外部。輕粒子望遠(yuǎn)鏡－E可針對(duì)賈森－2衛(wèi)星提供電子輸入/輸出（I/F）功能。它從衛(wèi)星系統(tǒng)接收主要功率供給，為敏感器和電路提供二次功率。它還能根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可重構(gòu)的觀測(cè)、通信與科學(xué)衛(wèi)星平臺(tái)（賈森－2衛(wèi)星使用）規(guī)定的協(xié)議，通過MIL-1553B總線接收遙測(cè)指令，發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)。輕粒子望遠(yuǎn)鏡－S包括4個(gè)敏感單元，分別為ELSA、ELS－B、APS－A、APS－B。這些敏感單元在天頂方向具有視場(chǎng)（FOV），分別為±10.0°、±16.7°、±16.8°、±14.0°。

王曉宇/本文編輯