國外星載成像高度計系統發展研究

任晶晶 張慶君 賈宏 劉杰 張歡

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

中尺度渦在大洋環流中有著重要的作用，空間尺度一般在50～100 km，存在時間短則幾十天，長則達半年以上。亞中尺度渦空間尺度較中尺度渦小，通常僅有幾十千米。中尺度及亞中尺度海洋現象約占全球海洋動能的90%，因此這兩種過程十分普遍，其觀測的重要性已經成為海洋學界的共識。海洋高度計采樣的中尺度渦旋和海面高度(SSH)以及洋流速度場信息有助于理解各種空間和時間尺度上的全球海洋環流動態特征[1]，其中最重要的是對這種能極大地改變海洋背景場的中尺度和亞中尺度渦現象進行長時間穩定的觀測。由于傳統的海洋雷達高度計地面刈幅非常小，導致地面軌道間隔大，幾乎不可能對中尺度以下的海洋現象進行有效觀測，例如海洋地貌實驗-海洋動力學綜合監視與研究觀測衛星(Topex/Poseidon)高度計的重訪周期是10天，在赤道附近的軌道間隔達到300 km，這樣的縫隙往往導致中尺度和亞中尺度現象很容易被遺漏。

有兩種辦法可以解決這個問題：①用幾顆星下點測高衛星星座進行數據同化；②采用一顆成像高度計衛星同時獲得高分辨率寬刈幅的海洋測高數據[2]。成像高度計是一種干涉式測高系統，通過2副相距一定空間距離(即干涉基線)的天線同時獲取來自海面同一目標點的雷達回波信號，并經過相位解纏繞處理計算出這2個信號的相位差，進而獲得這2個信號所經過的路徑差，再通過解算2副天線與目標組成的三角幾何關系，最終計算出海面高度，由此可極大提高海洋觀測和監視的效率。這種成像高度計自問世以來受到各國海洋學科學家的重視，其應用前景無可限量，是國際上正在發展的高技術前沿領域。

本文分析了現有星載成像高度計系統的規劃路線和研究現狀，比較分析了成像高度計在觀測中尺度、亞中尺度渦的優勢，同時針對時空分辨率、成像幅寬、軌道選擇、測高精度、工作頻率和輔助載荷等衛星總體設計人員關心的問題進行闡述，為成像高度計的系統設計提供參考。

1 星載雷達高度計系統發展規劃

20世紀70年代末，美國、蘇聯發射了一系列專用的海洋衛星，從20世紀90年代起，開始業務化運行。目前，美國、歐洲、蘇聯/俄羅斯、日本、印度、加拿大和韓國都發展了高度計衛星，包括Topex/Poseidon衛星、冷衛星(極區冰層監測衛星，Cryosat)、數據采集與Ka頻段高度計衛星(SARAL)及“賈森”(Jason)系列衛星、“哨兵”(Sentinel)系列衛星等，如圖1所示[3]。

圖1 當今和未來的國外海洋高度計衛星任務圖 Fig.1 Nowadays and future ocean altimetry plan

盡管傳統雷達高度計取得了非常矚目的進展(通過潮汐表的精確校準使得星下點高度計測高精度達到了厘米級的水平)，但由于衛星軌道之間存在200～300 km的間隙，導致海洋學中這一重要尺度特征洋流信息和陸地上大量的地表水體信息無法被長時間穩定地觀測到，從而嚴重制約了海洋動力學和陸地水文學研究，無法滿足當前新型海洋觀測的應用需求。

目前，由于缺乏在軌的海面高度高分辨率觀測數據，使得10～100 km范圍內的海洋環流觀測數據(主要是海洋渦流數據)缺失。數值模式模擬表明，在世界上許多洋區，這一尺度能量變化在大尺度海洋環流和氣候變化中起著關鍵作用[1]。為了解決物理海洋學的這一問題，人們首先提出了基于合成孔徑技術的高分辨成像高度計。美國研制的合成孔徑/干涉高度計(SIRAL)是世界上首臺高分辨率成像高度計，已于2013年發射入軌，可以為用戶提供交軌方向的海面地形圖像，但是它被設計地更適用于陸地冰和海冰觀測，且同樣受限于軌道縫隙的限制。文獻[4]于2004年首次提出了一種名為“寬幅海洋高度計”(WSOA)的星載系統，在交軌方向上采用成像高度計來提供二維海洋中尺度特征圖像；這樣做的好處是一次航過即可對中尺度渦等海洋現象進行觀測，不幸的是，這一計劃由于缺乏資金而被取消。2006年，一項基于這種技術同時針對海洋和陸地水測繪應用的地表水與海洋地形學(The Surface Water and Ocean Topography Mission，SWOT)任務計劃被提交給美國國家研究委員會。SWOT的科學目的包含海洋學和地表水二個方面。海洋學方面是研究海洋10～100 km或更大范圍空間精度的中低尺度洋流的海洋動力環境。地表水方面將研究提供所有表面面積超過250 m2的水體(例如湖、蓄水池、濕地)、寬度超過100 m(目標是50 m)河流的全球分布情況[4]。

文獻[4]給出了WSOA、SWOT計劃與星下點雷達高度計衛星在時間和空間采樣特性上的比較分析。受到各國衛星規劃和衛星壽命等諸多因素限制，在現有的業務化運行的海面測高系統中，即使結合2～3顆星下點雷達高度計數據，也無法得到海洋渦旋場特別是中尺度、亞中尺度渦高分辨率長時間穩定的觀測數據。這是由于，在利用星下點高度計對中尺度現象觀測時，需要根據海洋信號空間和時間尺度的先驗知識，采用最優插值的方法進行海洋中尺度變化推演。但是，當使用這種內插方法將數據映射到常規的空間或時間網格上時，沿軌長波長信號誤差可能會在小尺度上引入人為的交叉梯度，從而產生虛假的渦流信號[5]。因此，在融合多顆高度計衛星數據進行中尺度海洋現象分析時，首先就要消除這種虛假的高頻海洋信號，這就需要有“同質”和“交叉校準”的高度計數據集。“同質”代表這些高度計衛星需采用相同的軌道和參考系統，以及相同的地球物理修正模型，如相同的潮汐模型，相同氣象模型等。“交叉校準”意味著必須糾正相對偏差和漂移，以及減少軌道誤差；國際目前常用的辦法是采用高精度Jason-1衛星作為其他衛星的參考[2]。但即使上述這些苛刻的條件都被滿足，即能夠找到同時在軌可用的4顆Jason級衛星數據進行數據融合，洋流速度場測繪誤差還是會具有較大的誤差，這是采用數據同化辦法無法解決的問題。單顆星下點雷達高度計的時空分辨率無法滿足中尺度特別是亞中尺度海洋現象觀測的要求，而1顆如WSOA或者SWOT類型的星載成像高度計系統就可以讓科學家們對平均海平面異常的變化特征及中尺度渦的分布規律進行長時間系統化研究，這顯然比利用多顆傳統星下點高度計衛星星座數據融合要更加經濟高效。

目前，各國都在致力于研發能夠實現寬刈幅觀測和中小尺度海洋觀測的星載成像高度計系統，如：美國SWOT衛星計劃、日本新型高精度海面高度干涉測量(COMPIRA)衛星計劃、歐洲星載混合基線干涉式洋流成像探測雷達(WAVEWILL)衛星計劃等。表1給出了這些星載干涉式成像高度計系統配置和參數對比[1-7]。

表1 星載成像高度計系統配置和參數對比

2 科學任務分析及系統參數設計

2.1 空間尺度

海洋渦流在海洋環流中廣泛存在，其規模約為300 km或者更小，包含海洋動能的很大一部分，可以反映出海洋熱能、海洋化學和生物學的特征。成像高度計的海洋學科學任務之一就是通過測量SSH來表征海洋中尺度和亞中尺度渦流。

根據目前在軌的海洋表面溫度紅外成像以及光學或者雷達成像結果顯示目前海洋渦流會下降到10 km甚至更低[6]，且渦旋半徑還會隨著觀測緯度的變化而變化，從高緯度的15 km到赤道附近200多千米[8]。在大于10 km尺度的海洋環流問題的研究上，洋面瞬時速度并不重要，長時間空間平均的速度場信息才是最關鍵的。因此星載成像高度計的空間尺度一般設計為大于10 km，例如，SWOT衛星最終將15～20 km尺度海洋現象做為最小觀測目標。

2.2 時間分辨率以及成像幅寬

對于中尺度渦全球觀測則要求成像高度計至少要在赤道處一次航過需覆蓋大于100 km幅寬，才能滿足赤道附近觀測需求。由于成像高度計通常采用左右側視方式，圖像會同時到達接收天線，從時間上無法分辨左右側視圖像。因此成像高度計不能以星下點為中心同時進行左右刈幅的觀測，完整的觀測刈幅通常被分成“左側”和“右側”兩種。因此，每側的幅寬要求為分別大于50 km。例如，SWOT衛星觀測刈幅寬度即設計為120 km，左右側各60 km，中間空白區域為20 km，左右側各10 km。

此外，由于中尺度海洋現象一般保持的時間為15～20天[9]，并且考慮到成像高度計測量時會進行空間平均(多視)以形成“平均單元”，因此時間分辨率應選擇在小于10天，這與軌道重復周期的選擇息息相關。

2.3 軌道選擇

軌道特性主要由3個軌道參數確定：軌道傾角、軌道高度和重復周期。在進行成像高度計軌道選擇時，需要根據海洋環流和潮汐測量所需要海平面測量精度、空間以及時間分布來確定衛星的時間和空間采樣等軌道特性。

1)軌道傾角

考慮到潮汐混疊、時間分辨率以及定標場覆蓋等因素[10]，越來越多的海洋測高衛星選擇運行在非太陽同步軌道上，星載成像高度計系統在這方面的選擇原則與傳統高度計系統一致。其軌道傾角范圍的選擇主要考慮海面上沿緯度方向的海洋現象觀測，例如，為了完全觀測南極繞極流，軌道傾角通常在65°～115°之間[11]。最小傾角通常由觀測區域的最大緯度范圍確定，例如COMPIRA衛星觀測區域為南北緯51°之間，地面足跡可覆蓋波斯灣至美國西海岸，包含98%北緯35°的日本周邊海域，因此其軌道傾角最終就選擇為51.2°。

采用非太陽同步軌道的另一個好處是可以獲得接近正交的軌道，以避開太陽潮的影響，同時這種軌道更有利于獲得采樣點分布均勻的海面高程信息來用于海洋現象動態觀測。但是非太陽同步軌道衛星由于太陽受照情況復雜，衛星通常帶有兩塊太陽翼，且衛星會根據軌道實時調整衛星姿態，進行偏航轉向，以配合太陽翼轉動來獲取更大的能源，滿足載荷全天時工作的能源和熱控需求。在這種情況下，成像高度計的干涉基線方向將不是最佳的(最佳基線應保持與速度矢量正交)，并且太陽翼的轉動、平臺的移動將影響成像高度計基線穩定性。所以，從干涉基線保持的角度來看，太陽同步軌道實際上比非太陽同步軌道更有優勢，這也是系統設計時需要綜合考慮的一個因素。

2)軌道高度

關于衛星軌道高度的選擇，成像高度計主要是對中尺度海洋現象進行觀測，而中尺度海洋信號的測量受精密定軌后剩余誤差中的長波長的影響較小[4]，這導致成像高度計衛星運行軌道可以低于傳統高度計衛星如Jason的運行軌道。因此，SWOT衛星最終選擇了800 km左右的軌道高度，這是綜合考慮了定軌誤差的影響以及成像高度計雷達的技術難度如發射功率等因素后確定下來的。

3)軌道重復周期

關于軌道重復周期的確定，成像高度計在進行軌道重復周期選擇時，除了跟傳統高度計一樣需要考慮分潮和定標的要求以外，還需要根據中尺度海洋現象的特征進行重點分析。由于海洋中尺度、亞中尺度現象分析是基于海平面異常(SLA)數據進行的，且在開放海域的海平面異常去相關時間約為10天(赤道)～15天(極地)，因此，周期為10天的重復軌道可被作為研究目標之一。

此外，根據多個星下點高度計數據再分析的結果，3天的軌道重復周期也有利于中尺度海洋現象的研究[2]，例如海冰動力學觀測通常需要3天連續觀測，因此周期為3天的重復軌道也是研究目標之一。為了同時滿足觀測需求和選擇更多合適的軌道，軌道子周期的概念被提出來[12]，設計人員可以結合衛星實際科學任務的側重進行衛星軌道設計。例如，SWOT衛星就設計了周期為10天整數倍且子周期為3天的軌道方案。

2.4 海面高度測量精度要求

海面高度測量精度要求完全依據科學任務需求而定，對中尺度應用最有效的海面高度測量精度最小和最大閾值分別為2 cm和10 cm，因此有文獻指出海面高度測量精度要求定為6 cm是比較合理的，同時還給出了相應的系統誤差分配結果：雷達系統本身的儀器誤差為5 cm，定軌誤差、對流層誤差以及電磁偏差等誤差共分配為3 cm[8]。

SWOT衛星則是針對海洋應用和陸地水測量應用分開提需求，海洋應用延續Jason系列的高精度測量水平；而COMPIRA和WAVEMILL兩顆衛星則設計在7 cm左右，這是由于這2顆衛星的科學目標要兼顧海洋洋流的觀測需求，受限于觀測機理高度測量精度無法達到很高的水平。圖2給出了根據美國為SWOT衛星海洋科學任務設計開發的SWOT Simulator軟件進行SWOT第292軌成像高度計的測量結果，其中考慮了系統儀器噪聲、濕對流層時延、基線長度測量誤差、傾角測量誤差、干涉相位測量等誤差因素。

圖2 SWOT衛星成像高度計第292軌測量結果模擬圖Fig.2 SWOT simulator result of 292 pass

2.5 工作頻率選擇

傳統高度計衛星通常選擇Ku和C雙頻段，主要是由于Ku頻段需要進行電離層校正。SWOT衛星擬采用Ka頻段(35.75 GHz頻率)，與傳統的Ku頻段雷達儀器相比，它可以實現更精確的測量(更低的噪聲水平)和更好的空間分辨率，例如1 s測距噪聲可改善約40%，垂直分辨率可由Ku頻段的0.5 m變為Ka頻段的0.3 m[2]。該高度計可以單獨用于海洋衛星或者與雙頻(Ku、C頻段)高度計一起應用于未來的Jason類高精度的海洋衛星任務上。從技術層面來說，Ka頻段有以下優勢：

(1) 選擇Ka頻段可以提供更大的帶寬，例如SARAL衛星上搭載的Ka頻段成像高度計(AltiKa)信號帶寬高達500 MHz，較傳統Ku頻段雷達高度計帶寬提高近一倍，因此垂直分辨率也提高近一倍。由于天線孔徑更小，海面回波信號的平均功率波形“后沿”會迅速衰減，這在海陸交界地帶，會大大減小“陸地門”對“海洋門”的影響[2]。這一結論通過地中海西北部Jason衛星和SARAL衛星數據對比[13]就可以看出，在近岸50 km處，由于陸地干擾，傳統高度計測量誤差較大：Jason-2衛星有效測量數據為88.6%，而SARAL衛星有效測量數據達95.1%；在近岸10 km處，Jason-2衛星有效測量數據僅為31%，而SARAL衛星有效測量數據仍有60%。

(2) Ka頻段的海面回波去相關時間較Ku頻段更短，與Ku頻段高度計相比，Ka頻段高度計每秒的獨立回波個數增加近一倍，SARAL衛星脈沖重復頻率(PRF)設計值高達4 kHz，并且可沿軌道調整。

(3)由于Ka頻段天線波束寬度較小，布朗回波在Ka段段中具有更尖銳的形狀，因此減少了天線照亮面積，在800 km的軌道高度，3 dB天線波束照亮區域面積半徑大約為4～6 km，而Jason-1衛星約為15 km，這有助于提高測量的空間分辨率以及區分過渡地帶的表面類型(如海陸交界，海冰等)[2，13]。此外還有文獻提出Ka頻段有利于在雨季監測土壤濕度動態變化[9]。

(4)Ka頻段受電離層影響較小，僅為0.02 ns延遲，對應的測高誤差僅為3 mm，SARAL衛星在極端條件下，還會采用星載多普勒軌道和無線電定位組合系統(DORIS)一起對Ka頻段高度計進行雙頻電離層校正[2]。

Ka頻段也對現有技術發起了一些挑戰，比如Ka頻段對星上處理技術要求更高；Ka頻段工程實現面臨最大的問題來自于雨衰，在Ka頻段，云液態水即使是小雨降水也可以強烈地衰減信號[14]。因此，降低降雨量影響對Ka頻段高度計測量的是非常重要的。除了衰減效應之外，降雨還會影響波形的形狀。高度計足跡中雨分布的不均勻性會影響回波波形，從而影響SSH的測量精度。因此，需用特定的算法將雨水對Ka頻段回波的影響予以糾正或消除。

研究表明，傳統Ku/C雙頻雷達高度計受降雨的影響要比Ka頻段小一到兩個數量級。同時，傳統高度計信號處理中，降雨標記程序的一些近似條件已經不再適用于Ka頻段高度計，尤其在小降雨量的情況下，需要重新開發此類降雨標記程序算法。

此外，在頻段選擇上還需要考慮衛星電磁兼容(EMC)問題。以SARAL衛星為例，其微波輻射計采用23.8 GHz和36.8 GHz頻率，與高度計的35.5 GHz的工作頻率十分接近。因此需要采用有效措施解決整星EMC問題，SARAL衛星的解決策略為將35.5～36 GHz工作頻率分配給高度計使用，36.6～37 GHz分配給微波輻射計使用，同時為了解決設備布局空間緊張問題，高度計和微波輻射計采用共用天線的方式，通過極化隔離，利用開關切換兩者工作時序。采用X頻段和Ku頻段的COMPIRA衛星和WAVEMILL衛星則避免了上述問題，這兩顆衛星的頻段選擇主要是考慮其各自的科學任務以及技術繼承性和成熟度。

圖3 不同頻段干涉相位測量精度對測高精度影響比較分析Fig.3 Different frequency effects on SSH

在成像高度計頻段比較時，還需要考慮不同頻段對干涉相位測量引入的測高誤差的影響。圖3給出了在相同基線長度10 m下，X、Ku、Ka等頻段在有效波高(SWH)為2 m和4 m時干涉相位測量精度對測高精度影響比較分析。頻率對測高誤差的影響由系統信噪比、干涉基線長度引入的空間去相關以及海面干涉回波信號的時間去相關等因素共同決定。如圖所示，在相同基線長度情況下，Ka頻段最優、Ku頻段次之、X頻段最差，但Ka頻段受海況影響較大，在小入射角時不同海況測高誤差變化較大。同時此處并沒有考慮云層、降雨覆蓋的影響，因為海面較大面積和較長時間都會存在云層覆蓋和降雨影響，對于Ka頻段來說，這會導致其在干涉路徑上的延時波動非常大，直接影響了干涉相位的穩定，從而對海面測高產生非常不利的影響。因此在進行成像高度計系統設計時，頻率的選擇需要綜合考慮各方面因素最終確定。

2.6 輔助載荷的配置

傳統星下點高度計獲得高精度測高信息時必須進行大氣中水汽、云液態水導致的路徑時延修正。由于大氣中水汽、云液態水主要集中于對流層，這一誤差被稱為濕對流層路徑延遲。在不同大氣條件下，雷達信號的路徑延遲可達到5～50 cm。濕對流層路徑延遲修正主要有兩種方法：

(1)預報產品修正，濕對流層路徑延遲改正量計算的預報產品數據來源主要有：①美國的美國國家環境預報中心(NCEP)預報，②歐洲的歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)預報。后者的精度略好于前者。

(2)采用微波輻射計進行修正，由于大氣中的水汽含量是隨著空間時間變化，而預報產品修正數據通常要延遲數月才能獲得，難以實現實時修正，因此傳統星下點高度計衛星一般會專門配置一種為雷達高度計提供濕對流層路徑延遲修正的微波輻射計配合使用。這種微波輻射計通過被動地接收傳播路徑上大氣中云液態水、水汽輻射的微波能量來探測傳播路徑所經過對流層的物理特性，并根據測量結果計算獲得高度計信號的時延信息，具有全天時、全天候的實時修正能力。星載三頻微波輻射計是目前精度最高、最有效的濕對流層延遲反演手段。

成像高度計信號穿過海面大氣對流層時會產生延遲，干擾海面高度測量的準確性，且由于寬幅信號傳播路徑較星下點回波信號復雜，完全實現同程校正難度很大。這就要求結合成像高度計的主工作頻段以及科學任務的精度要求進一步分析輔助載荷的配置需求。SWOT衛星在選擇輔助載荷的配置時，針對成像高度計寬幅設計了左右側視雙波束微波輻射計和星下點波束微波輻射計，并比較了兩者的路徑延遲校正效果[15]。由于星下點微波輻射計無法對交軌方向的水汽變化情況進行探測，采用星下點微波輻射計校正路徑延遲時是將整個刈幅內水汽變化作常值估計，在刈幅遠端將產生接近2 cm的校正殘差，均方根(RMS)值也約有1.1 cm，這在任何海洋學應用中都不能被忽略。而采用雙波束微波輻射計，兩個波束各指向左右刈幅的中心，這樣路徑時延校正后殘差RMS僅為0.4 cm，改善效果顯著，如圖4所示，特別是在熱帶地區，這樣的配置更有利于路徑時延的校正[15]。

圖4 采用雙波束微波輻射計校正后的路徑時延Fig.4 Wet tropo residual error after dual-beam radiometer measurement

SWOT任務現在還是傾向于采用傳統的18～37 GHz微波輻射計來校正因濕對流層路徑延遲造成的SSH誤差。但是在這些頻率下的微波輻射計受到陸地與海洋不同的發射率以及土地溫度的影響在50 km海岸線內會產生重大的測量誤差。目前已經有研究指出更高的頻率(90～170 GHz)的微波輻射計可以在相同的天線尺寸條件下實現更高的分辨率從而改善海陸交界處濕對流層路徑延遲的反演精度[16]。

3 對我國發展星載成像高度計系統的啟示

從國外發展經驗來看，星載成像高度計系統是一種全新體制的海洋測高系統，其海洋遙感模型、指標體系、誤差分配、關鍵技術均于傳統高度計系統有很大的不同。星載成像高度計采用小角度偏離天頂點觀測，利用高精度干涉相位測量技術、合成孔徑技術等同時獲得二維的高度信息，除了受傳播路徑延遲和精密定軌精度影響外，還受平臺姿態變化、基線振動、基線測量精度、相位測量精度等因素影響，傳統高度計的海洋遙感模型和誤差分配方法已經不再適用。

星載成像高度計系統指標體系不只是與載荷產品性能有關，同時也與軌道選擇、數據應用對衛星的反要求等方面的研究有著密切關系，其指標體系建立需要從科學任務出發重新建立分析方法，綜合考慮這些因素之間的相互耦合以及二維誤差傳遞過程，建立適用于星載成像高度計系統的全鏈路數學模型，亦可借鑒國外采用的新型功率-波數譜誤差分析方法，獲取沿二維空間譜積分后的測量精度值來進行定量化誤差分配。但這種新型分析方法需要在設計前對各個誤差環節進行海洋波數譜物理模型建立，我國目前在這方面的研究較少。在建立起這些物理模型后，還要綜合考慮這些設計要素之間的相互關系進行適當的折中，在頂層指標設計上選擇切實可行的方案，滿足衛星產品既達到厘米級高精度海面高度測量精度又要滿足大于100 km寬度觀測刈幅的目標，獲取中尺度-亞中尺度渦的演變過程。

4 結束語

隨著海洋學的發展，利用多顆星下點衛星高度計反演同化在中尺度渦數值模擬的適用性和同化效果不能滿足科學研究需要，星載成像高度計對中尺度、亞中尺度渦的高效精確測量特性越來越受到關注。因此，星載成像高度計正在成為國際上的一個研究熱點。本文分析了國際上星載成像高度計的研究現狀，比較分析了傳統星下點高度計在觀測中尺度、亞中尺度渦的局限性，提出未來星載成像高度計系統設計需要關注海面高度測量誤差分配、指標體系建立等的問題,可為我國發展星載成像高度計系統提供參考。