□ 諸葛訊
“寶瓶座”衛(wèi)星在軌飛行示意圖
2011年6月10日,美國德爾它-2火箭成功發(fā)射了價值2.78億美元的“寶瓶座”/科學(xué)應(yīng)用衛(wèi)星-D, 它是美國和阿根廷寶的合作項(xiàng)目,美國稱它為“寶瓶座”,阿根廷稱它為科學(xué)應(yīng)用衛(wèi)星-D,下面簡稱“寶瓶座”衛(wèi)星。它載有美國、阿根廷、巴西、加拿大、法國和意大利等國家的多種科學(xué)探測儀器。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657千米高的太陽同步軌道,每7天能完成一次全球覆蓋,設(shè)計壽命3年~5年,用于測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全球氣候和人們生活的影響。它每周對全球大洋表面的鹽度掃描一次,使科學(xué)家能每月評估一次全球海洋表面鹽度的變化。
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)測未來的氣候變化以及對全球天氣產(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生活帶來的影響。
不過,由于海洋的面積太大,所以要想對這一占地球面積 70.8 %且不斷運(yùn)動著的水體表面鹽度進(jìn)行全面、及時的了解,靠一般方法很難做到。目前對海洋中含有的溶解鹽的測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)以及它的變化過程,并滿足阿根廷監(jiān)控環(huán)境和監(jiān)測災(zāi)害的需要。
“寶瓶座”衛(wèi)星所攜帶的探測設(shè)備靈敏度非常高,可從太空有效精確地跟蹤測量地表海洋鹽度,檢測出一加侖水中鹽度微小的變化。為了防止無線電、雷達(dá)和其他噪音產(chǎn)生的干擾帶來監(jiān)測誤差,星上還另有一個檢測和糾錯的設(shè)備。
雖然“寶瓶座”衛(wèi)星可用于了解整個地球系統(tǒng)以及自然和人類使地球環(huán)境產(chǎn)生的變化,但其主要目標(biāo)是觀測引起氣候變化的鹽度變化過程,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,以及對當(dāng)前和未來氣候的影響。精確測量海面鹽度和海面溫度可測定海水密度,對三維海洋環(huán)流進(jìn)行有效管理?!皩毱孔辈粌H測量海面鹽度和海面溫度,測量對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宇宙輻射的影響。
在“寶瓶座”這一國際合作項(xiàng)目中,美國航宇局負(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——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、法國和加拿大研制。
衛(wèi)星平臺采用三軸姿態(tài)控制系統(tǒng)(包括2個星跟蹤器、2個磁力計、8個粗太陽敏感器、2個GPS接收器、4個反作用輪和3個扭矩桿)、砷化鎵太陽電池陣、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,太陽電池陣尺寸3.25米×1.6米,太陽電池效率27%,平均功率消耗699瓦。衛(wèi)星可同時提供上行和下行S頻段和X頻段鏈路,其中S頻段用于跟蹤、遙測和控制,數(shù)據(jù)率1千比特/秒。星上數(shù)據(jù)存儲容量為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)與上天后展開圖
吊裝“寶瓶座”衛(wèi)星的反射器天線
簡單地說,“寶瓶座”衛(wèi)星上的科學(xué)探測儀器由天線、微波輻射計、散射計、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、微波輻射計和散射計是其關(guān)鍵組成部分。
星上最重要的科學(xué)探測儀器就是美國研制的 “寶瓶座”, 它是將被動式遙感儀器——輻射計與主動式遙感儀器——散射計集成在一起測量海表鹽度,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和L頻段散射計組成。前者有4個單獨(dú)通道和4個噪聲二極管定標(biāo)源,采用偏振設(shè)計, 使用了狄克輻射計進(jìn)行噪聲二極管定標(biāo),對海洋鹽度和表面粗糙度比較敏感,用于測量海洋表面的微波輻射亮溫,從而測量鹽度;后者是一個簡單的真實(shí)孔徑雷達(dá),用于測量來自海洋表面的反向散射,也可測量海面粗糙度,對輻射亮溫數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,即幫助修正表面粗糙度。輻射計和散射計在時間上交替觀測以共享同一個天線。
從外形看,“寶瓶座”儀器最突出的特點(diǎn)就是有一個直徑2.5米偏饋拋物面發(fā)射器天線。它是一個3波束固定偏饋系統(tǒng),由3個饋源喇叭組成,這3個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。每個波束的饋源為散射計和輻射計共用,以測量海洋微波輻射。它可對海表進(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,以保障星上輻射計在7天內(nèi)穩(wěn)定在0.13開的范圍內(nèi),使“寶瓶座”每周精確地對全球大洋表面的鹽度掃描一次。其輻射計由OMT耦合器、相關(guān)噪聲二極管、兩個雙工器、輻射計前端輻射計后端和數(shù)字處理單元組成。這些組件的熱控對于輻射測量穩(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)計人員采用了散熱板和涂層進(jìn)行制冷,同時利用安裝于組件上的加熱器來控制加熱。
在美國航宇局噴氣推進(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”的輻射計和散射計是同時接收信號的,只有這樣2種儀器才能在幾乎同一時間對同一海面區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。在散射儀發(fā)射信號的1毫秒間隔內(nèi),輻射計受到同向雙工器的保護(hù),消除輻射計的輸入誤差。在接下來的9毫秒內(nèi),輻射計前端的同向雙工器和帶通濾波器能將輻射計和散射計反射面分離,使2個頻率之間有足夠的隔離。除了使用矯正回路,設(shè)計人員還采用了高準(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)行了矯正測試,以描述矯正回路、分壓器、波束選擇開關(guān)和其他作為溫度函數(shù)的關(guān)鍵元件的損失。
俗話說,一個好漢三個幫。衛(wèi)星上除了裝有美國“寶瓶座”科學(xué)探測儀器外,還裝有阿根廷、意大利、法國和加拿大等其他國家研制的科學(xué)探測儀器。
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。它用于探測可見光和紅外譜段的生物體燃燒和火山灰區(qū)域等高溫?zé)崾录瑴y量海洋表面溫度。
研制“寶瓶座”衛(wèi)星的輻射計
阿根廷研制的Ka頻段推掃式微波輻射計有2個通道(23.8吉赫和37吉赫),每個通道都有一個專用結(jié)構(gòu)子系統(tǒng),包括1個反射器,8個饋源喇叭和2個輻射計,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,覆蓋范圍與“寶瓶座”相同。它用于探測海面風(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線電掩星探測器是利用GPS無線電掩星測量技術(shù)測量大氣層(對流層和平流層)溫度和濕度廓線。其水平分辨率300千米,垂直分辨率300米。它用于探測大氣性質(zhì)。
法國研制的CARMEN-1輻射監(jiān)視器由ICARE和SODAD組成,ICARE包括3個硅和硅/鋰探測器,有256個通道,用于測量電子設(shè)備中宇宙輻射的影響;SODAD包括4個SMOS傳感器,速率為10千米/秒時敏感度為0.5,用于測量微粒子和空間碎片的分布。
總之,通過分析海水鹽度的數(shù)據(jù),科學(xué)家可以實(shí)時了解海洋環(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