FY-4A星GIIRS大气温度廓线反演模拟试验研究

结合全球大气晴空训练样本(CIMSS)数据,利用辐射传输模式,模拟获得干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)亮温资料,结合人工神经网络反演方法,研究了风云四号(FY-4)卫星高光谱红外载荷大气温度反演方法,并研制了全圆盘和中国区域两套大气温度反演模型。反演试验结果表明:对流层大气温度反演精度明显高于平流层,以中国区域反演模型为例,对流层和平流层大气温度反演均方根误差(RMSE)分别为0.846,2.020K,平均误差分别为-0.003,0.024K;比较中国区域和全圆盘大气温度廓线反演精度,中国区域大气温度精度明显高于全圆盘,0~70km处大气温度反演的均方根误差分别为1.922,2.630K;与欧洲极轨卫星(Metop-A)IASI数据的温度廓线反演结果比较,FY-4A星GIIRS的温度反演精度在低层(500hPa)(RMSE=0.790 K)优于IASI(RMSE=0.976K),在高层(500hPa)(RMSE=1.803K)低于IASI(RMSE=0.899K)。研究对FY-4卫星GIIRS的大气温度廓线反演及其应用有重要的参考价值。     

微波无源遥感有效载荷现状与发展

针对微波无源遥感有效载荷这一卫星有效载荷中发展最早、最成熟的子领域,对从20世纪60年代至今,世界范围内在轨与在研共17个具有代表性的载荷产品进行了研究。综合分析了微波无源遥感载荷在气象、海洋、陆地、大气环境及深空微波遥感等应用领域的发展现状,归纳出无源微波遥感有效载荷向定量应用、功能复合、主被动一体、体制混合、太赫兹探测等方向的发展趋势。总结了我国与欧美发达国家在系统应用水平、反演处理能力、关键部组件性能、研发条件等方面存在的差距,提出了后续发展静止轨道毫米波亚毫米波探测仪、一体化微波成像探测仪、太赫兹冰云探测仪、L波段土壤湿度微波探测仪、亚毫米波临边探测仪、行星探测仪等载荷的设想。     

利用低轨道卫星间微波信号探测反演温湿廓线

通过同时测量微波信号的折射和吸收信息，低地球轨道卫星间（LEO-LEO）微波掩星探测技术能够独立反演温度和水汽廓线。通过仿真手段，首先，正演模拟了微波信号穿过大气层后由折射和吸收效应分别导致的相位延迟和振幅衰减，在此基础上，对温度、水汽和云中液态水反演廓线进行了个例分析，然后，统计分析了温度和水汽在不同纬度带的反演性能，以及云对反演精度的影响。结果表明：温度在约35 km以上存在明显正偏差，高纬度的最大，中纬度次之，低纬度最小。水汽反演误差在约4 km以下明显增大，低纬度的最大，中纬度次之，高纬度最小。有云存在时，需要去除云的吸收作用，否则温度和水汽会出现明显的正偏差。上述研究为进一步发展LEO-LEO掩星探测计划提供了理论参考依据。     

基于FY4A-AGRI反演东北地区云顶高度

云对全球的能量收支及大气循环系统具有不可替代的调节作用,是影响天气及气候变化的重要因子。云顶高度作为云的重要参数,有助于分析云在大气中的物理机制,对局部地区监测和预报具有实质性作用。基于多通道扫描辐射成像仪(AGRI)数据反演东北地区云顶高度,采用红外分裂窗查算表方法,并对不同季节和不同云类型建立查算表,探讨基于静止卫星反演中高纬度地区云顶高度的可行性。同时,引入主动式高精度仪器正交偏振云-气溶胶偏振雷达(CALIOP),结合11、12 通道亮温数据搭建云顶高度反演模型。分析结果表明:1) AGRI遥感的云顶高度与CALIPSO搭载的CALIOP云顶高度变化趋势一致,算法计算效率较高;2) 从4个季节的统计结果来看,均方根误差(RMSE)上都小于2.3 km,平均偏差在500 m左右,受季节的影响较小,反演结果与CALIOP探测结果具有较高的一致性;3) 利用该方法基于AGRI结果精度不亚于官方采用的CO2薄片法,该方法估算的RMSE和相对误差较小,并且该算法的反演模型只提取红外分裂窗区通道数据,无需大气廓线资料进行辅助计算,节省计算资源,提高计算效率。     

星载微波传感器大气温湿度物理反演算法研究

针对我国下一代静止轨道微波探测器资料应用的需求,对微波50~60GHz和183GHz的温湿遥感通道开展了不同大气条件下探测敏感高度的模拟,发现大气散射对微波探测影响明显,尤其是近地面通道,在未来数据应用时需加以注意。提出一种基于一维变分的大气温湿度廓线物理反演算法。以美国最新一代气象卫星Suomi NPP搭载的ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder)获取的观测资料为研究对象,RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)快速辐射传输模式为前向算子,利用一维变分算法开展了温湿度廓线反演单点试验。研究发现:地表参数对微波亮温,尤其是地面通道影响较大。同时,反演所需背景场对反演结果影响较明显,反演所得温度与背景场较接近。     

基于GNSS掩星资料的风云卫星微波载荷产品质量验证与分析

聚焦新一代国产极轨气象卫星微波载荷和全球导航卫星系统(GNSS)掩星临边观测的探测机理,及其各自仪器的性能指标和在轨运行的特点,利用2019年1月1日到12月31日的全球数据,开展基于GNSS掩星资料的风云气象卫星微波观测亮温对比和反演廓线产品质量检验研究。在匹配数据时间分辨率为30 min和经纬度分辨率为0.5°的情况下,亮温偏差小于5 K,大气温湿度探测精度分别为1.92 K和22.8%,同时分析了2019年青藏高原地区大气温湿度的时空分布规律。结果表明:风云气象卫星微波辐射计具有全球全天候探测大气温湿度的功能,在近地面具有丰富的反演数据,而对于GNSS掩星探测资料,3 km以上探测精度优于微波湿度计,近地面数据较少,两者联合,既可以互相补充和验证,又能以青藏高原为例,分析长时间序列气象和气候数据,为后续的气候研究提供基础数据集。     

“高分五号”卫星概况及应用前景展望

"高分五号"卫星是中国高分辨率对地观测系统重大专项中实现高光谱分辨率观测的卫星,运行于高度705km的太阳同步轨道,装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪等6台有效载荷,具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测手段,获取从紫外至长波红外(0.24~13.3μm)高光谱分辨率遥感数据;载荷的光谱分辨率最高可达0.03cm~(–1),具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高可达0.008cm~(–1)。卫星将在环境综合监测、国土资源调查和气候变化研究等方面发挥重要作用。     

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪数字建模与仿真

"高分五号"卫星是中国高分专项工程中的唯一一颗实现高光谱分辨率的遥感卫星,其中搭载的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪(Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder,AIUS)是中国第一个星载超高光谱掩星探测载荷,是中国目前光谱分辨率最高的星载傅里叶变换光谱仪。文章基于AIUS的探测原理,以掩星观测路径的能量传输为线索,研究探测仪数据获取链路中各个环节的辐射传输过程,建立了包括大气红外辐射传输仿真和探测器仿真的数字化建模与仿真模型,并对仿真模型进行了精度验证,充分验证了数字仿真模型的有效性和准确性。验证试验结果表明:数字仿真模型具有高精度的数据仿真能力,所有通道仿真数据与实际测量数据相比,相对误差小于2%,数据相似度优于0.99。因此,数字仿真模型能够为"高分五号"卫星大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪在轨成像质量预测、指标参数优化和应用能力评价提供重要的数据支撑。     

大气探测激光雷达校飞样机研制与飞行验证

星载激光雷达是高精度测量全球温室气体和气溶胶垂直廓线的重要手段，大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在国际首次采用激光积分路径差分吸收技术测量全球CO2柱浓度，采用532 nm高光谱探测技术测量气溶胶和云的廓线。星载激光雷达载荷研制期间，同步研制一套主要功能一致的机载大气探测激光雷达校飞样机，并开展机载飞行试验，获取了大量飞行试验及其对比数据，提供了机载平台真实的数据源，对于优化ACDL激光雷达系统参数和研究星载数据反演算法至关重要。最后在机载飞行平台下，验证了优于1 ppm的CO2柱浓度测量精度和优于15%的气溶胶测量精度。未来利用该机载样机可以进一步开展星地对比验证。     

大气环境监测卫星方案设计与技术特点

大气环境监测卫星(DQ-1)是国家民用空间基础设施中长期发展规划中的科研卫星，其运行于705 km高度的太阳同步轨道，装载大气探测激光雷达(ACDL)、高精度偏振扫描仪(POSP)、多角度偏振成像仪(DPC)、紫外高光谱大气成分探测仪(EMI)及宽幅成像光谱仪(WSI)等5台遥感仪器，通过主动激光与被动高光谱、多光谱、多角度、偏振等手段结合，实现对大气CO2、细颗粒物、污染气体、云和气溶胶等要素，以及对大气环境、水环境和生态环境等进行大范围、连续、动态、全天时的综合监测;卫星CO2柱浓度探测精度优于1 ppm，为国际最高。卫星入轨后各分系统工作正常，在轨测试结果均满足要求，能够进一步提升我国大气环境综合监测、全球气候变化和农作物估产、农业灾害等应对能力，推动生态环境、气象、农业农村等领域遥感应用。本文概述了DQ-1卫星的总体设计方案，总结了卫星的主要技术特点及创新点，介绍了卫星系统在轨测试情况，并对卫星的应用前景进行了展望。     

大气环境监测卫星激光雷达技术

星载激光雷达是高精度测量全球大气CO2柱浓度和气溶胶垂直廓线的重要手段，大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在一套激光雷达中集成了2种探测体制，采用1 572 nm积分路径激光差分吸收方法测量全球CO2柱浓度，采用532 nm高光谱探测(HSRL)方法测量气溶胶和云的垂直廓线，均为国际首次在星载平台成功验证，是国际首个星载CO2探测激光雷达和国际首个高光谱气溶胶探测激光雷达。在国际已发射的星载激光雷达中，ACDL激光雷达是探测体制最全、波长最多、能量最高、频率最稳和精度最准的激光雷达，实现了创新跨越。大气探测激光雷达在轨连续工作，首次获得了全天时精度优于1 ppm的全球CO2柱浓度、精度优于20%的气溶胶廓线等遥感数据。本文介绍了ACDL激光雷达的工作原理、系统参数以及相关的定标测试结果。     

基于BG算法的微波成像仪图像重建技术研究

基于用FY-3气象卫星微波成像仪(MWRI)的有效视场(EFOV),用BG算法对MWRI的空间分辨率重构进行了研究。给出了重建原理,引入折中参数控制分辨率与噪声的比例。对MERI的10.65GHz V通道进行了分辨率重构,在有效扫描角±45°区域内使用重构采样算法,确定重采样分辨率60km、折中参数为1×10-6,并获得了此条件下各探测通道最优重构分辨率及重构后的性能指标。结果表明:MWRI统一探测分辨率60km时,18.7,23.8,36.5,89GHz通道的噪声被大幅抑制,合成足迹的噪声为原始噪声的约10%,插值误差均小于5%,MWRI所有通道可很好地工作于匹配分辨率60km。     

高动态GPS接收机的一种设计方案

为了同时满足高动态 GPS接收机动态性能和跟踪精度两方面的需要 ,提出了 FL L和 PL L 相混合的载波跟踪方案。综合了多通道串并组合的伪码快捕方式、基于叉积自动频率跟踪算法的载波跟踪方法以及载波辅助技术等 ,分析了载波频率跟踪和载波相位跟踪的性能 ,介绍了硬件结构。所研制的样机经动态模拟试验表明 ,其动态范围已达到了相对速度 0～ 10 km/s、相对加速度 0～ 10 g、相对加加速度 0～ 4 g/s、初始捕获时间小于 1min。     

具有吸附性的平板型轨道分子屏离轴区域真空特性的研究

轨道分子屏真空系统,是利用分子屏轨道飞行速度远大于轨道环境大气的平均热运动速度,使空间环境对分子屏产生理想的抽速,在尾部形成气体分子的稀化区,达到极高真空.对平板型轨道分子屏,现有的文献中,仅仅计算了沿对称轴线的压力分布,然而,由于实际的分子屏试验,试件是具有一定尺寸的三维物体。仅仅获得对称轴线上的真空信息是不够的,需要对偏离对称轴线的空间点,进行分析计算.文章针对具有吸附性的平板型轨道分子屏,对偏离对称轴线的压力分布计算,提出了一套计算方法,对500km 的轨道高度,计算结果表明:当考察点与分子屏表面的距离(=|Z0|)小于1.0m,偏离对称轴线的距离小于1.6m 时,真空度维持在优于10~(-10)Pa 的数量级。建议在这一尺度范围进行材料试验。     

高光谱观测卫星及应用前景

介绍了我国高分辨率对地观测系统重大专项中第一颗实现高光谱分辨率观测的高光谱观测卫星(GF-5)卫星及其应用前景。该卫星设计运行于高度705km的太阳同步轨道,装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪共6台有效载荷。卫星的光谱分辨率高且谱段全,具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测模式,获取从紫外至长波红外(0.24~13.3μm)高光谱分辨率遥感数据;数据辐射分辨率高,载荷的光谱分辨率最高0.03cm-1,具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高0.008cm-1;长波红外空间分辨率高;高码速率数传;高可靠长寿命设计。卫星入轨后将在环境综合监测、国土资源调查和气候变化研究等方面发挥重要作用。其典型应用有陆表环境综合观测、陆表局地高温及城市热岛效应监测、矿物填图、大气成分全球遥感监测和大气污染气体监测等。     

固体火箭发动机射线检测仿真系统

针对固体火箭发动机,尤其是在其新型号产品的高能X射线照相检测中,缺少先验知识,工艺参数的确定和优化需要通过系列试验,时间长、花费大等问题,研究了固体火箭发动机X射线检测仿真系统。根据实际X射线检测物理系统建立了X射线源仿真模型、固体火箭发动机模型、胶片仿真模型,重点研究了基于STL样本模型的非点光源与多能谱投影的成像算法,其中针对求交速度问题提出了三维空间投影约束方法,并利用GPU并行技术实现了硬件加速,该方案相对于CPU投影计算有500～1000倍左右的加速比。实验结果表明,仿真投影与实际检测胶片影像结构性完全吻合,在10 GY剂量条件下仿真胶片与实际胶片测量黑度值曲线的趋势和数值范围吻合,黑度最大差值0.23。该系统能够应用于实际工程,为优化检测工艺参数和确定最佳检测方案提供技术支撑。     

熔融石英玻璃超高速撞击的数值模拟与分析

熔融石英玻璃是航天器舷窗部件的主要构件,文章采用了两种计算方法(即经典的有限元算法以及新兴的sph算法)对石英玻璃受到铝球弹丸超高速(速度范围为1～10km/s)撞击后的损伤及破坏情况进行了数值模拟.通过与实验结果的比较,总结出一种较适合超高速撞击问题的计算方法,并分析了弹丸的直径及撞击速度对损伤效果的影响.     

基于三轴磁强计与雷达高度计的融合导航算法

为了减小近地轨道(小于1000km)地磁导航的估计误差协方差，提高导航的可靠性和准确性，在地磁导航系统中引入雷达高度计作为一个新的测量设备，提出了一种基于三轴磁强计与雷达高度计的融合导航算法。该算法取卫星的位置和速度向量作为状态向量，建立状态方程；取卫星周围的磁场强度和卫星到星下点实际海平面距离求出的地心距，作为观测量建立观测方程；利用扩展卡尔曼滤波构成一种融合导航算法。仿真结果表明，提出的融合导航算法对轨道位置的估计误差小于20米，速度的估计误差小于1米／秒，导航算法的精度和收敛性都优于使用单一地磁导航的系统。     

美国GOES-14卫星开始服役

据报道,美国国家大气与海洋管理局（NOAA）9月24日将备用的GOES-14地球静止轨道环境业务卫星投入运行,用于替换9月23日出现故障的GOES-13卫星。GOES-13卫星由波音公司制造,重3t,设计使用寿命至少为10年,卫星于2006年5月24日发射升空,定轨在西经75°。GOES-13携带的有效载荷包括：太阳X射线成像仪（SXI）、垂直探测仪、     

激光雷达探测河北望都气溶胶

多波长拉曼偏振大气探测激光雷达是用于大气气溶胶、水汽探测及特性研究的有效工具。介绍北京遥测技术研究所自行研制的多波长拉曼偏振大气探测激光雷达系统,激光发射系统发射355nm、532nm、1064nm波段激光,信号采集系统采集大气分子、气溶胶的弹性后向散射信号以及N_2、H_2O的拉曼后向散射信号。利用多波长拉曼偏振大气探测激光雷达在河北省望都县交通局绿化基地对京津冀地区气溶胶进行观测,通过反演获得该地区大气气溶胶、水汽垂直方向时空分布廓线。通过本次观测,可有效探测大气气溶胶层、云层的光学及物理性质,有助于研究气溶胶、云对气候变化和对天气演变的影响。