“贾森”高度计卫星系列增添新成员

龚燃 （北京空间科技信息研究所）



“贾森”高度计卫星系列增添新成员

龚燃 （北京空间科技信息研究所）

Jason Altimeter Satellite Series Adds a New Member

2016年1月17日，贾森－3（Jason－3）卫星由太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰－9（Falon－9）运载火箭发射升空。贾森－3卫星是2008年6月20日发射的贾森－2卫星的后续任务，由美国海洋和大气管理局（NOAA）、欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT）和法国国家空间研究中心（CNES）联合研制，目标是保持“托佩克斯/波塞冬”（TOPEX/Poseidon）、贾森－1和“海表地形任务”（OSTM）/贾森－2卫星数据的连续性。

贾森－3卫星用于长期维持全球海面高度的卫星高度计观测数据，这些数据将提供关键的海洋信息。该卫星将经历6个月的仪器在轨测试。一旦完成测试，它将正式进入业务化运行，与2008年发射的贾森－2卫星共同提供服务。未来，贾森－3卫星的高精度高度计测量数据将用于各种科学、商业和业务应用，包括：飓风强度预测；海外运营商表面波预测；海岸预测，以解决环境问题，如石油泄漏和有害藻华；海岸模型，对海洋哺乳动物和珊瑚礁研究非常重要；厄尔尼诺和拉尼娜（反厄尔尼诺）预测等。

1　发展背景

2010年2月初，欧洲气象卫星应用组织成员批准了贾森－3项目，以保持贾森－2卫星及其前任卫星测量数据在气象、海洋，尤其是海平面动态监测中的应用，作为气候变化关键指标。贾森－3项目的谅解备忘录（MOU）于2010年7月签署。

在该项中，美国海洋大气管理局出资1.77亿美元，美国航空航天局的资金由美国海洋大气管理局提供，欧洲委员会（EC）出资1.19亿美元，法国国家空间研究中心出资6800万美元。总体上，美国海洋大气管理局和欧洲气象卫星应用组织负责卫星的管理和运行，四家机构具体分工如下。

美国海洋大气管理局负责：①与欧洲气象卫星应用组织共同实施贾森－3项目；②为整个系统工程提供支持；③提供先进微波辐射计（AMR）、激光反射器阵列（LRA）和全球定位系统有效载荷（GPSP）；④提供发射服务；⑤对美国国家海洋和大气管理局地面站收集的数据进行近实时处理；⑥提供所有近实时数据产品和离线数据产品的融合；⑦对所有近实时与离线数据产品进行长期存档，包括遥测、星上和附加数据集；⑧支持相关的研究公告过程、评估未来运行业务的相关调查结果。

欧洲气象卫星应用组织负责：①与美国国家海洋和大气管理局共同实施贾森－3项目；②为整个系统工程提供支持；③出资研制波塞冬－3B （Poseidon－3B）高度计、星基多普勒轨道确定和“星载多普勒无线电定轨定位系统”（DORIS）、有效载荷舱及其集成；④对欧洲地面站收集的数据进行近实时处理；⑤提供所有近实时数据产品和离线数据产品的融合；⑥出资建造卫星指令与控制中心；⑦支持相关的研究公告过程、评估未来运行业务的相关调查结果。

NASA负责：①指导与协调各合作方准备与发布相关的研究公告；②与美国国家海洋和大气管理局共同指导美国调查人员作出选择。

法国国家空间研究中心负责：①提供系统工程与相关的人力资源、标准可重构的观测、通信与科学平台（PROTEUS）；②与合作机构共同指导和协调相关研究公告的准备与发布；③与欧洲气象卫星应用组织共同指导欧洲调查人员作出选择。

2　卫星概况

与贾森－2卫星类似，贾森－3卫星仍采用泰雷兹·阿莱尼亚航天公司（TAS）的可重构的观测、通信与科学卫星平台和有效载荷舱，TAS仍为卫星主承包商。在欧洲气象卫星应用组织批准贾森－3项目之后不久，法国国家空间研究中心即与TAS签署了合同。

贾森－3运行轨道高度约1336km，轨道倾角66.038°，轨道重复周期9.9天。卫星发射质量约553kg，其中平台质量277kg，载荷质量255kg。卫星为三轴姿态稳定，执行机构采用反作用轮和磁力矩棒。它通过2个太阳面板提供功率，寿命末期功率为550W。卫星指向精度0.15°，星上数据存储容量2Gbit。设计寿命5年。

贾森－3卫星结构

贾森－3卫星遥测、跟踪和控制采用S频段天线正交相移键控（QPSK）调制，下传速率为838kbit/s，上传速率为4kbit/s。卫星正反向通信链路模式采用国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）通信协议。此外，遥测还采用卷积编码。

3　有效载荷

除了波塞冬－3B高度计、先进微波辐射计－2仪器、全球定位系统有效载荷、无线电定位组合系统和激光反射器阵列外，贾森－3卫星还携带了2个试验仪器，表征与建模环境－3（CARMEN－3）和轻粒子望远镜（LPT），用于减小卫星的辐射效应。

波塞冬－3B高度计参数表

波塞冬－3B高度计

波塞冬－3B高度计为波塞冬－2的后续产品，由欧洲气象卫星应用组织投资，泰雷兹-阿莱尼亚航天公司建造。波塞冬－3B为双频（5.3GHz和13.6GHz）天底点雷达高度计，为贾森－3卫星上最重要的仪器。目标是绘制海表地形图、计算海洋表面流速度、测量海浪高度和风速。波塞冬－3的测量精度与波塞冬－2相同。

此外，波塞冬－3B还具有试验模式，支持海岸带、湖泊和河流附近的测量。这将通过开环追踪来实现：卫星表面距离将利用近实时轨道定位法通过高度计进行评估，并使用高度计内数字高程模型（DEM）存储的GRIM5大地水准面进行表面高程评估。波塞冬－3B的普尔斯重复频率在波塞冬－2中也经常出现，处理和控制单元（PCU）大部分重复使用欧洲航天局“冷卫星”（CryoSat）上干涉/合成孔径雷达高度计（SIRAL）的电子设备。

波塞冬－3B仪器

波塞冬－3B天线

先进微波辐射计－2

先进微波辐射计－2（AMR－2）仪器由美国国家海洋和大气管理局投资，美国航空航天局喷气推进实验室（JPL）研制，目标是测量对流层水蒸气延迟的高度计信号路径。

先进微波辐射计－2为被动微波辐射计，在18.7GHz、23.8GHz和34GHz测量天底点方向的亮温，对高度计的路径延时进行改正（亮温可转化为路径延时信息）。23.8GHz为主要的水蒸气测量通道，34GHz通道主要提供非降雨云区域的校正，18.7GHz通道提供海面背景辐射中由风所致的效应增强校正。

先进微波辐射计－2由两部分组成：电子结构组件（ESA）和反射器结构组件（RSA）。前者由美国航空航天局喷气推进实验室研制，后者由ATK航天系统公司研制。

电子结构系统组件

反射器结构组件

新一代DGXX-S接收机外观

精确定轨系统

星载多普勒无线电定轨定位系统采用了60个全球地面网定轨信标，通过2个频率向星载接收机发送信号。测量卫星相对运动引发信号频率的移动（称为多普勒频移）可得出卫星速度。随后这些数据融入轨道确定模型，确保长久跟踪卫星的精确轨道位置（精度3cm内）。

该仪器由欧洲气象卫星应用组织投资，法国国家空间研究中心研制，基于贾森－2卫星的经验，为其星载多普勒无线电定轨定位系统的新一代DGXX-S接收机。其中对建模太阳翼位置进行了改进。当前的模型改进将对如下进行融合，包括反照率和红外压力、国际地球参考框架2008（ITRF 2008）、极点预测、希尔沿轨经验加速、星载超稳振荡器（USO）频率预测等等，这需要更多的精确二极管导航工具。

GPS有效载荷

全球定位系统有效载荷（GPSP）采用全球定位系统（GPS）来通过三角测量来确定卫星位置，同样的方法可在地球上获得GPS修复，至少需要3颗GPS卫星才能确定特定瞬间的移动准确位置，随后位置数据将融入轨道确定模型，连续跟踪卫星轨迹。

GPS电子单元

GPSP仪器由美国海洋大气管理局投资，NASA研制。该仪器设计原理与贾森－1和贾森－2卫星类似，但又有着不同之处。其数据处理或产品没有变化，预期性能与贾森－2卫星相同或优于它。

激光反射器阵列

激光反射器阵列为下一代“托佩克斯/波塞冬”卫星星载仪器，由ITE股份有限公司建造，美国海洋大气管理局基于NASA/戈达德空间飞行中心（GSFC）合同投资。激光反射器阵列可为基准目标提供卫星激光测距（SLR）测量，这是POD系统和高度计定标的重要部分。激光反射器阵列安装在朝向天底点方向，为无源装置，由9个去顶的石英三角棱镜组成，其中1个位于顶部中心，其他8个分布在一周8个面上。这种排列结构使得激光测距视场角（FOV）能达到方位向360°，垂直向60°。后向反射镜优化后波长为532nm（绿），FOV约120°。激光反射器阵列仪器质量为2.2kg。

激光反射器阵列为被动仪器，充当基准目标的作用，由地面站进行激光跟踪测量。激光跟踪数据分析后可计算卫星的高度，精度达到几毫米。尽管如此，由于地面站数量少，激光波束对于天气条件的敏感性低，使得无法连续跟踪卫星，因此还需要携带其他星载位置系统。

激光反射器阵列

试验仪器

贾森－3卫星携带了表征与建模环境－3和轻粒子望远镜来进行联合辐射试验（JRE）。

（1）表征与建模环境－3

表征与建模环境－3为空间环境测量的一种专用仪器概念，包括轨道碎片、高与低能量粒子，由模块ICARE-NG和附加的遥感器AMBRE组成。模块ICARE-NG为研究空间辐射效应及其对电子组件影响的专用仪器。遥感器AMBRE能探测低级别离子与电子。

轻粒子望远镜－E外观

轻粒子望远镜－S外观

表征与建模环境－3仪器同时具有粒子任务目标和卫星相关的目标：

1）模块ICARE－NG的科学目标：允许测量带电粒子流量和进行电子组件测试时这些粒子流量的影响。

2）遥感器AMBRE的科学目标：允许测量静电放电时的低能量带电粒子流量。

3）表征与建模环境－3的任务目标：允许当地辐射环境特征和评估潜在的漂浮设备，尤其是南大西洋异常区域（SAA）的辐射，在进行联合辐射试验（JRE）时与轻粒子望远镜仪器进行数据交叉定标。

表征与建模环境－3（CNES仪器）为一种放射量测定器，用于提高对“贾森”卫星轨道，特别是其主动辐射的了解。

（2）轻粒子望远镜

轻粒子望远镜为日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的探测单元，可对表征与建模环境－2的辐射测量数据进行补充。2006年6月，该机构和法国国家空间研究中心就签署了谅解备忘录，想要在贾森－2卫星上安装日本宇宙航空研究开发机构的激光反射器阵列组件。

轻粒子望远镜由两部分组成，分别为轻粒子望远镜－E和轻粒子望远镜－S。前者安装在卫星内部，后者安装在卫星外部。轻粒子望远镜－E可针对贾森－2卫星提供电子输入/输出（I/F）功能。它从卫星系统接收主要功率供给，为敏感器和电路提供二次功率。它还能根据标准可重构的观测、通信与科学卫星平台（贾森－2卫星使用）规定的协议，通过MIL-1553B总线接收遥测指令，发送遥测数据。轻粒子望远镜－S包括4个敏感单元，分别为ELSA、ELS－B、APS－A、APS－B。这些敏感单元在天顶方向具有视场（FOV），分别为±10.0°、±16.7°、±16.8°、±14.0°。

王晓宇/本文编辑