海洋卫星雷达测高技术进展

雷达高度计是一种主动式的微波遥感器,可以提供全球海面高度、有效波高和海面风速数据,利用雷达高度计测得的数据可以进一步用于海洋动力学、海面地形、海洋重力异常和海底地形等方面的研究。经过近50年的发展,雷达测高技术已取得巨大进展,从载荷设计、数据处理到实际应用都积累了大量成果,雷达测高数据不仅用于海洋研究,还广泛用于内陆水域水位变化、海冰厚度变化、冰川质量平衡和异常气候影响等方面研究。本文根据雷达测高技术的基本原理,分析了海洋卫星雷达测高技术发展的现状,并对未来的发展进行了展望。     

基于分层介质模型的HF雷达高度计火星回波仿真研究

火星次表层中的水探测是当前深空探测领域中的热门问题之一. 高频(HF)雷达高度计具有较强的穿透能力, 且能同时实现距离和功率测量, 是火星次表层探测的重要手段. 介绍了高频雷达高度计系统的原理和设计, 通过分析高度计电磁脉冲与多层光滑介质之间的相互作用, 得出其回波功 率随时间变化的模型, 并考虑了表面粗糙度对表面回波功率的影响. 选用典型的火星分层介质模型, 对其介电常数特性和高度计回波波形 进行了仿真. 仿真结果表明, 采用高频雷达高度计系统可实现对火星次表 层介电特性垂直廓线的反演, 对火星中水的识别具有重要 作用.      

星载综合孔径雷达设计特点

星载雷达飞行高度高,测绘带宽,因此地球曲率对成像的影响必须考虑;兼之卫星运行轨道偏离理想圆形,雷达离地面高度是个变数,这就使其运动补偿具有自己的特色。其次由于卫星运行速度极快,测绘带又宽,因此星载综合孔径雷达方位和距离模糊问题十分突出。再次,星载综合孔径雷达不满足聚焦深度条件,距离单元位移现象十分突出,必须专门加以校正等等。本文将从上述几方面,探讨星载综合孔径雷达总体设计的特点。     

海洋二号A卫星雷达高度计、校正辐射计在轨运行十周年

海洋二号A卫星(HY-2A)是中国第一颗海洋动力环境卫星,于2011年8月16日在太原卫星发射中心成功发射,在海洋动力环境测量、防灾减灾、海洋资源开发、海洋科学研究等领域中发挥了重要作用. HY-2卫星的主载荷包括雷达高度计和校正辐射计两个分系统,由中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室研制.雷达高度计主要用于测量海面高度、有效波高和海面风速,其数据在海洋地球物理学、海洋动力学、海洋气候与环境、海冰监测等领域广泛应用并发挥了重要作用.校正微波辐射计是为雷达高度计提供大气湿对流层路径延迟校正的微波辐射计,可以提供海面大气水气含量、液水含量和湿对流层路径延迟数据.雷达高度计和校正辐射计自201 1年9月1日开机工作以来,已经在轨运行十周年,远超HY-2A卫星在轨运行三年的设计寿命,目前仍在正常工作.     

高分辨率多模式星载SAR系统设计方法

针对当前星载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)朝高分辨率、多模式方向快速发展的趋势,兼顾星载SAR系统多种工作模式的特点,总结星载SAR系统的星地一体化指标体系;在此基础上提出了高分辨率、多模式星载SAR系统星地一体化设计方法,给出了系统星地一体化设计流程,对雷达天线参数设计、雷达系统参数设计、雷达发射功率选择进行重点分析;以国外高分辨率、多模式星载SAR系统为例,以其总体技术指标及轨道参数为依据,设计了系统的中央电子设备参数、天线参数及波位参数,并分析了系统的性能,从而对所提出的设计方法进行了验证.该方法克服了现有方法的局限性,为高分辨率、多模式星载SAR系统研制提供了技术支撑.     

法美第一个空间合作的海洋观测卫星计划

法美正在准备的第一个空间合作的海洋卫星计划是由美航宇局喷气推进实验室的Topex计划和法国国家空间研究中心的Poseidon计划相结合的产物,简称法美“Topex-Poseidon”合作计划。目前,卫星的定义阶段研究由航宇局抓总,准备由美国费尔柴尔德、洛克韦尔和RCA三家公司竞争承包。Topex-Poseidon的实验仪器有:一台法国雷达高度计和美国导航星上的一台接收机;实验仪器有一台雷达高度计、一台微波     

美国的宇载雷达遥感试验及未来计划

雷达遥感是一种有源微波遥感技术。它包括合成孔径雷达(SAR),雷达散射计、雷达高度计及地基有源微波频谱仪等。美国的雷达遥感计划始于1966年。目的主要是利用宇载、机载和地基(包括车载)的雷达设备,研究地球和其它行星表面的微波频率响应特性。SAR用于军事侦察与测绘、地质、地理、水文、海洋和农业等部门的遥感测量;高度计用于海洋地貌和海洋大地水准面的测量;散射计用于海洋表面风场和海流的测量;宽带的有源微波频谱仪主要用于地物散射特性曲线的测量。     

基于DEM的星载SAR图像模拟以及用于图像精校正

根据星载SAR的距离-多普勒成像原理对DEM的三维位置点进行成像几何位置的计算,然后根据经验公式给出了雷达后向散射系数的模拟方法。针对DEM格网间隔和SAR图像分辨率的不同,以及由于侧视成像雷达的特点而导致山区的迎坡和背坡模拟图像点密度不均匀等问题,采用了基于DEM格网点内插的算法。最后应用模拟的SAR图像和真实图像匹配来实现星载SAR图像的几何精校正处理。通过采用RADARSAT的实际图像进行了图像的模拟和几何校正,证明了方法的可行性。     

印度遥感卫星家族

2012年4月26日5时47分，印度用极轨卫星运载火箭-XL成功发射了首颗国产雷达成像卫星——雷达成像卫星-1。卫星运行在高609千米、倾角97°的太阳同步轨道，设计寿命5年。卫星重约1858千克，其中自主研发的星载C频段合成孔径雷达等有效载荷质量约950千克，此星载合成孔径雷达采用5种扫描模式和多种极化系统设计，分辨率为2米～50米、幅宽30千米～240千米。卫星能够穿透云雾，     

星载 ScanSAR 特性研究

论述了星载波束扫描合成孔径雷达（ＳｃａｎＳＡＲ）的扫描覆盖特性,指出在满足观测带远端模糊性约束条件下,最大观测带宽度与雷达波长和实际天线孔径的形状无关;阐述了观测带宽度与雷达分辨率、天线面积、发射功率和回波数据率等参数之间的约束关系;给出了数值计算例子。     

基于数据拟合的雷达高度表告警信号测试方法

阐述了雷达高度表自动测试系统软硬件组成和原雷达高度表告警信号测试方法,指出原测试方法存在的测试效率低下问题,针对该问题提出了基于最小二乘数据拟合的雷达高度表告警信号测试方法,并给出了测试数据和实验结果.该测试方法首先应用少数激励和输出数据进行数据拟合,应用拟合函数确定发出告警信号的激励电压初始电压值,再以小电压幅度逐次调整激励电压,以完成精确测量,应用该方法可在保证测试精度的前提下大大提高测试效率.     

基于UKF的雷达高度计自主定轨

探讨了利用推广卡尔曼滤波估计非线性系统状态时存在的问题,从而介绍了目前广泛使用的分步逼近的卡尔曼滤波(UKF,Unscented Kalman Filter).为了提高导航的可靠性和准确性,在星敏感器导航系统中引入雷达高度计作为一个新的测量设备,提出了一种基于星上雷达测高仪及星敏感器联合进行卫星自主定轨的算法.建立了比较复杂的地球海平面模型,并考虑了其中风生重力波的影响. 利用雷达测高仪的测量结果和地球形状模型,计算地心矢量在卫星本体中坐标系的方向.利用UKF滤波定轨算法,明显提高了自主定轨的精度.数值仿真结果表明,UKF定轨精度要远优于推广卡尔曼滤波.      

MICROWAVE SENSOR DEVELOPMENT IN RECENT TWO YEARS IN CHINA

The development of microwave sensors in recent two years in China are in troduced with an emphasis on spaceborne sensors without the applications in cluded. The microwave sensors as the main payloads to be boarded on the future operational satellites, such as FY-3 meteorological satellites and HY-2 marine satellite are introduced with much in detail. Besides these, four new sensors are outlined, i.e. the imaging radar altimeter,synthetic aperture radiometer, and polarimetric radiometer. Two recently conducted flight experiment campaigns are also introduced with results shown.     

Exploring the potential of Sentinel-3 delay Doppler altimetry for enhanced detection of coastal currents along the Northwest Atlantic shelf

In this study, we evaluate Sentinel-3A satellite synthetic aperture radar (SAR) altimeter observations along the Northwest Atlantic coast, spanning the Nova Scotian Shelf, Gulf of Maine, and Mid-Atlantic Bight. Comparisons are made of altimeter sea surface height (SSH) measurements from three different altimeter data processing approaches: fully-focused synthetic aperture radar (FFSAR), un-focused SAR (UFSAR), and conventional low-resolution mode (LRM). Results show that fully-focused SAR data always outperform LRM data and are comparable or slightly better than the nominal un-focused SAR product. SSH measurement noise in both SAR-mode datasets is significantly reduced compared to LRM. FFSAR SSH 20-Hz noise levels, derived from 80-Hz FFSAR data, are lower than 20-Hz UFSAR SSH with 25% noise reduction offshore of 5 km, and 55–70% within 5 km of the coast. The offshore noise improvement is most likely due to the higher native along-track data posting rate (80 Hz for FFSAR, and 20 Hz for UFSAR), while the large coastal improvement indicates an apparent FFSAR data processing advantage approaching the coastlines. FFSAR-derived geostrophic ocean current estimates exhibit the lowest bias and noise when compared to in situ buoy-measured currents. Assessment at short spatial scales of 5–20 km reveals that Sentinel-3A SAR data provide sharper and more realistic measurement of small-scale sea surface slopes associated with expected nearshore coastal currents and small-scale gyre features that are much less well resolved in conventional altimetric LRM data.     

不同传感器精度下的地形辅助导航系统性能评估

为完成地形辅助导航系统的传感器选型以及改进地形匹配算法和地形辅助导航系统可靠性的研究,开展了传感器精度对地形匹配概率的影响研究.针对不同的地形,分析了高度表误差、速度误差和航向角误差对地形匹配概率的影响,并根据实际要求通过仿真计算确定地形匹配系统中各传感器的误差范围.利用丘陵、山地和高山地等大量地形数据进行测试验证,仿真结果表明:在地形匹配概率大于90%时,速度误差小于2.2 m/s,航向角误差小于0.6°,高度表噪声标准差小于16.4 m.     

Calibration of Envisat radar altimeter over Lake Issykkul

This study presents the results of calibration/validation (C/V) of Envisat satellite radar altimeter over Lake Issykkul located in Kyrgyzstan, which was chosen as a dedicated radar altimetry C/V site in 2004. The objectives are to estimate the absolute altimeter bias of Envisat and its orbit based on cross-over analysis with TOPEX/Poseidon (T/P), Jason-1 and Jason-2 over the ocean. We have used a new method of GPS data processing in a kinematic mode, developed at the Groupe de Recherche de Geodesie Spatiale (GRGS), which allows us to calculate the position of the GPS antenna without needing a GPS reference station. The C/V is conducted using various equipments: a local GPS network, a moving GPS antenna along the satellites tracks over Lake Issykkul, In Situ level gauges and weather stations. The absolute bias obtained for Envisat from field campaigns conducted in 2009 and 2010 is between 62.1 and 63.4 ± 3.7 cm, using the Ice-1 retracking algorithm, and between 46.9 and 51.2 cm with the ocean retracking algorithm. These results differ by about 10 cm from previous studies, principally due to improvement of the C/V procedure. Apart from the new algorithm for GPS data processing and the orbit error reduction, more attention has been paid to the GPS antenna height calculation, and we have reduced the errors induced by seiche over Lake Issykkul. This has been assured using cruise data along the Envisat satellite track at the exact date of the pass of the satellite for the two campaigns. The calculation of the Envisat radar altimeter bias with respect to the GPS levelling is essential to allow the continuity of multi-mission data on the same orbit, with the expected launch of SARAL/Altika mission in 2012. Implications for hydrology in particular, will be to produce long term homogeneous and reliable time series of lake levels worldwide.     

The challenges in long-term altimetry calibration for addressing the problem of global sea level change

Long-term change of the global sea level resulting from climate change has become an issue of great societal interest. The advent of the technology of satellite altimetry has modernized the study of sea level on both global and regional scales. In combination with in situ observations of the ocean density and space observations of Earth’s gravity variations, satellite altimetry has become an essential component of a global observing system for monitoring and understanding sea level change. The challenge of making sea level measurements with sufficient accuracy to discern long-term trends and allow the patterns of natural variability to be distinguished from those linked to anthropogenic forcing rests largely on the long-term efforts of altimeter calibration and validation. The issues of long-term calibration for the various components of the altimeter measurement system are reviewed in the paper. The topics include radar altimetry, the effects of tropospheric water vapor, orbit determination, gravity field, tide gauges, and the terrestrial reference frame. The necessity for maintaining a complete calibration effort and the challenges of sustaining it into the future are discussed.     

中国月球与深空探测有效载荷技术的成就与展望

有效载荷是实现科学目标最直接的工具,其技术手段和水平影响科学目标的可实现程度。简要回顾了中国月球与深空探测的科学目标与有效载荷配置。介绍了"嫦娥1号"和"嫦娥2号"月球环绕探测器中采用的CCD立体相机、干涉式成像光谱仪、激光高度计、微波探测仪、伽马射线谱仪、X射线谱仪、太阳风粒子探测仪、高能粒子探测仪等遥感探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。同时,也介绍了"嫦娥3号"月球着陆器和巡视器中采用的地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪、测月雷达等就位和巡视探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。分析了有效载荷技术的发展趋势,展望了我国未来有效载荷技术的发展。     

基于多传感器的卫星自主导航信息融合算法

通常卫星上装有较多的自主导航传感器,如何将其信息有效的组织并充分利用,是卫星自主导航的关键问题。采用信息融合技术把两种或多种导航系统组合起来,应用最优估计理论,形成最优组合导航系统,有利于充分运用各导航系统的信息进行信息互补和信息合作,已逐渐成为了导航定位技术的发展方向。文章针对星敏感器、红外地平仪、雷达高度计、紫外敏感器组成的卫星自主导航系统的特点,提出了一种基于联邦卡尔曼滤波技术进行轨道确定的信息融合算法。仿真结果表明,该方案能够获得较高的定轨精度,有效抑制滤波发散,整个系统的运算速度和收敛速度也有所提高。