“土壤濕度主動-被動探測”（SMAP）任務是美國航空航天局（NASA）專用于全球土壤濕度和凍融監(jiān)測的項目，屬于NASA地球系統(tǒng)科學探路者計劃（ESSP）中的一項任務，也是NASA“十年調查”任務之一。SMAP衛(wèi)星的科學目標是提供頻繁的表面土壤濕度與表面冰凍/解凍狀態(tài)的全球測量，測量結果用于加深對水、能量、碳等循環(huán)的認識，同時改進天氣與氣候預報。SMAP衛(wèi)星將在2015年1月底發(fā)射。

1 衛(wèi)星概況

SMAP衛(wèi)星的科學考察目標具體包括：①了解陸地水、能量和碳循環(huán)鏈過程；②評估地表的全球水和能量通量；③量化北部地區(qū)的凈碳通量；④提高天氣和氣候預測水平；⑤改進水災預測和干旱監(jiān)測能力。

SMAP衛(wèi)星將運行在太陽同步晨昏軌道，軌道高度685km，傾角98°，升交點地方時6:00，軌道重復周期為8天。衛(wèi)星采用SA-200HP平臺，發(fā)射質量1122kg，功率1351W，設計壽命3年。

SMAP衛(wèi)星主體采用鋁和鋁蜂窩結構，平臺呈五棱柱體，內部為可移動面板的半永久框架。衛(wèi)星為三軸姿態(tài)穩(wěn)定，姿態(tài)測量部件包括1臺星跟蹤器和12臺太陽敏感器；姿態(tài)執(zhí)行機構包括4個反作用輪（3個大型反作用輪、1個動量補充輪）和3個磁力矩裝置。衛(wèi)星在軌位置通過星上雙向多普勒跟蹤與傳輸系統(tǒng)來確定。SMAP衛(wèi)星測控鏈路采用S頻段，數(shù)據傳輸速率為2.5Mbit/s；數(shù)傳采用X頻段，數(shù)據傳輸速率為80Mbit/s。

SMAP衛(wèi)星平臺結構示意圖

SMAP衛(wèi)星基本參數(shù)

2 衛(wèi)星結構

SMAP衛(wèi)星是在“水圈狀態(tài)”（Hydros）衛(wèi)星基礎上研制的。和Hydros一樣，SMAP衛(wèi)星系統(tǒng)采用一個大型實孔徑輕型可展開網狀反射器天線的散射計和輻射計儀器組合的形式來實現(xiàn)，即其結構包括天線子系統(tǒng)、輻射計子系統(tǒng)和散射計子系統(tǒng)3個關鍵組成部分。

天線子系統(tǒng)

SMAP衛(wèi)星天線設計采用偏置饋源反射器結構，為輕型可展開圓錐掃描網狀天線，輻射計和散射計共用該網狀天線，展開后直徑為6m。天線包括饋源喇叭和1副反射面天線，天線在軌實現(xiàn)寬幅圓錐掃描運動，旋轉速率為13.0r/min（為保證一定的重疊，設計為14.6r/min），反射器入射角為40°，圓錐形掃描幅寬約為1000km，可獲得2～3天高重訪周期的全球觀測。相比相控陣天線、輻射計與散射計獨立天線等其他天線形式，圓錐掃描、共用天線能降低系統(tǒng)成本和風險，是保證性價比最大化條件下最優(yōu)的方案。

SMAP衛(wèi)星天線性能指標

該衛(wèi)星系統(tǒng)只旋轉反射器，饋源和電子系統(tǒng)固定在衛(wèi)星平臺上，單饋源與天線的旋轉軸在一條線上，這樣反射器旋轉時，波束就會形成圓錐掃描。這樣的好處是可以減小總轉動慣量，同時能減少旋轉與不旋轉部分的電接口數(shù)量。

輻射計和散射計子系統(tǒng)

SMAP的輻射計子系統(tǒng)為L頻段雙極化微波輻射計，采用狄克（Dicke）開關式輻射計技術，完成地表輻射亮溫的測量，采用噪聲注入法進行接收機定標。SMAP散射計子系統(tǒng)為三極化L頻段散射計，分辨率較低，通過合成孔徑高分辨處理后分辨率提高。

SMAP衛(wèi)星將利用L頻段的輻射計/散射計組合探測系統(tǒng)從空間觀測陸地表面水氣，將提供約1000km測繪帶，陸地表面（0～5cm）的土壤濕度和冰凍/解凍態(tài)的測量，兼顧海洋鹽度測量。散射計在超過70%的幅寬范圍內分辨率將優(yōu)于3km，輻射計的分辨率約40km。輻射計和散射計的測量數(shù)據結合起來應用，將得到一個全球10km分辨率的土壤濕度產品,體積精度為±0.04m3/m3，區(qū)域6h和18h重訪，全球2～3天重訪。

SMAP衛(wèi)星散射計性能指標

SMAP衛(wèi)星觀測幾何示意圖

3 SMAP衛(wèi)星定標與驗證計劃

SMAP定標與驗證計劃的主要目標是驗證任務壽命期間是否符合科學要求（產品精度與偏差）。該計劃在預發(fā)射期間啟動，有助于提供高質量SMAP產品，并為發(fā)射后至壽命內的的持續(xù)驗證奠定基礎。

SMAP衛(wèi)星輻射計性能指標

SMAP定標與驗證計劃概況

實施定標與驗證計劃是SMAP任務的必要需求。該計劃須提供一種評估土壤濕度隨機誤差、空間和瞬時偏差的方法，以滿足任務的科學要求，是SMAP任務整個壽命周期內進行詳細定標和驗證活動的基礎。SMAP定標與驗證計劃草案于2009年提出，描述了SMAP定標與驗證計劃1～4級SMAP科學數(shù)據產品所需的方法與程序。

SMAP定標與驗證計劃包括預發(fā)射和發(fā)射后的活動。在預發(fā)射階段，獲取和處理數(shù)據，進行定標、測試和改進SMAP科學數(shù)據產品反演模型與算法；開發(fā)和測試技術與協(xié)議，用于獲取驗證數(shù)據并驗證SMAP在發(fā)射后階段的科學產品。在發(fā)射后階段，驗證和改進科學算法的性能；驗證科學數(shù)據產品的精度。

若滿足計劃目標和時間基線，SMAP定標與驗證計劃的關鍵問題是認識到該活動及時性的重要作用，預發(fā)射數(shù)據在算法開發(fā)和設計早期具有很大價值，定標與驗證發(fā)射后階段的時間為發(fā)射后的2～14個月。

為發(fā)射后驗證奠定基礎

在SMAP科學定義小組、定標與驗證工作小組和相關人員共同討論后，啟動了多項活動，確保SMAP產品驗證數(shù)據的魯棒性和高可靠性。

1）標度。當前大部分數(shù)據原位網絡均為稀疏網絡，SMAP產品每個網格單元或覆蓋區(qū)域不超過一個測量點。目前已建立工作小組，制定標度點發(fā)展總體策略，促進現(xiàn)場活動時的相互比較與探索。

2）兼容性。這對土壤濕度測量而言是一個關鍵問題，包括不同遙感器技術、裝置、深度、整體深度和土壤容積。通過標準化和交叉比較綜合各種來源對此非常有幫助。這一過程的第一步是建立工作小組，啟動原位儀器試驗床的開發(fā)。這些站點將安裝網絡中使用的各種儀器，并與標準土壤濕度進行比較。首個站點位于美國俄克拉荷馬州。

3）核心站點。稀疏網絡無法滿足定標與驗證計劃的全部需求，因此，SMAP任務還需要建立大量的核心驗證站點。由于在其他衛(wèi)星項目中已成功使用，因此這些站點將位于一些代表性位置，享有當?shù)鼗A設施的支持。

近期主要飛行驗證試驗

1）澳大利亞機載試驗。墨爾本大學、阿德雷達大學和美國農業(yè)部成立了一個小組，使用裝有L頻段輻射計和L頻段散射計的新型機載系統(tǒng)實施一系列的土壤濕度現(xiàn)場活動，其中一項活動在每個季節(jié)都會舉行。設計飛行可提供多種分辨率條件下的主動/被動數(shù)據，支持散射計、輻射計和組合土壤濕度算法。

2）加拿大飛行試驗。SMAP小組聯(lián)合加拿大航天局在加拿大薩斯喀徹溫省實施了持續(xù)兩周（2010年6月）的土壤濕度原位試驗。這次試驗在“土壤濕度與海水鹽度”（SMOS）衛(wèi)星驗證活動（CanEx-SM10）的基礎上，采用機載L頻段輻射計和大量的地面采樣。

3）SMAP驗證試驗2012（SMAPVEX12）。加拿大若干機構和NASA共同投資，歷時近6周。它提供了大量的SMAP主動被動土壤濕度反演算法開發(fā)與驗證數(shù)據集，對加拿大2010年的土壤濕度試驗進行了補充，目標是了解與土壤和植被水含量變化相關的SMAP產品，發(fā)展不同條件下的土壤濕度反演算法，包括植被峰值期。

4）L頻段主動/被動掃描（SLAP）機載驗證。由NASA實施，用于SMAP相關機載活動的儀器選擇與驗證。預計該試驗能滿足或超出SMAP衛(wèi)星定標與驗證計劃的當前所有要求，包括2013年11-12月期間的測試飛行、2013年12月的小型活動以及2014年的活動，都將為SMAP系統(tǒng)評估提供數(shù)據。

4 SMAP數(shù)據產品及仿真

SMAP任務將生成的產品主要包括：①二級輻射計土壤濕度產品（L2_SM_P），主要源自亮溫產品（L1C_TB）。比起散射計算法，L頻段輻射計土壤濕度反演算法可進一步減小誤差，但輻射計受粗空間分辨率的影響（約為40km）。②散射計測量土壤濕度產品（L2_SM_A）為精分辨率（3km）產品，主要源自高分辨率雷達后向散射數(shù)據（L1C_S0_HiRes）。研究表明，雷達后向散射測量土壤濕度具有不確定性和誤差，甚至對于稀疏植被覆蓋也比較敏感。這使得需要高精度的植被覆蓋區(qū)域，散射計土壤濕度反演用處不大。雷達后向散射受表面粗糙度、植冠結構和植被水含量（VWC）的較大影響，粗糙度和植被影響較大地降低了雷達后向散射對土壤濕度的敏感性。

SMAP數(shù)據產品生成

基于上述原因，無論是輻射計還是散射計，都無法單獨滿足SMAP任務對土壤濕度空間分辨率（10km）和體積精度（0.04cm3/cm3）的要求。因此通常需要融合主動（散射計）和被動（輻射計）測量數(shù)據，生成主動和被動中分辨率土壤濕度產品。

目前，融合SMAP散射計和輻射計數(shù)據生成主動和被動土壤濕度產品有兩種備選算法（基礎算法和可選算法）?；A主動和被動算法是根據高分辨率雷達共面極化（co-pol）后向散射測量，利用空間構型在輻射計地面軌跡內分解粗分辨率（約36km）輻射計亮溫（Tb），然后將分解的輻射計亮溫轉化為反演土壤濕度?；A算法還利用雷達交叉極化測量，對輻射計測量的表面不均勻性進行說明?？蛇x算法與基礎算法類似，它采用粗分辨率（約36km）輻射計反演土壤濕度評估，獲取中分辨率（約9km）土壤濕度估值。

采用SMAP軌道仿真器評估基礎和可選主動被動算法，提供端對端仿真環(huán)境能力。9km的全球土壤濕度產品中包括對基礎算法的各個方面進行評估，包括不確定性分析、誤差分配發(fā)展、產品成熟度等。研究區(qū)域的土壤濕度反演結果可證明任務滿足全球覆蓋需求，土壤濕度的體積精度大于0.04cm3/cm3，植被含水量低于5kg/m2，空間分辨率9km，時間分辨率3天。