作者:倪思洁 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/11/10 11:56:24
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中法海洋卫星:造个星 和法国一起看风浪

 

北京怀柔,国家航天局怀柔总装集成测试中心,一群穿着白大褂的中法两国技术人员围着一颗重700多公斤的应用卫星载荷做测试。2018年下半年,这颗卫星即将上天,在全球范围内观测海洋表面的风浪。

北京中关村,中国科学院国家空间科学中心,卫星的微波散射计分系统主任设计师董晓龙,正与团队的同事们认真开展有效载荷的测试和验证工作,以便卫星在2019年正式运行时,能获得更优质的一手科学数据。

这颗卫星,就是中国与法国航天合作的首颗卫星——中法海洋卫星(CFOSAT)。

我测风儿你测浪

俗话说“无风不起浪”。风暴潮、台风、厄尔尼诺海流、拉尼娜现象等,都是在大气与海洋的共同作用下产生的。风浪灾害给人类留下的心理阴影,曾化成一句句感慨——“海神来过恶风回”,“风响空山浪卷沙”。

为了摆脱“阴影”,人类开始尝试预测风浪。从古人“断虹现,天要变”的经验推测,到运用气象卫星开展监测,在预防风浪灾害上,科学扮演着越来越重要的角色,一个个风浪要素数值模拟、预测模型诞生了。

但是,模型预测得准吗?“风浪各要素之间是一个复杂系统,目前,世界上已经建立了很多风浪模型,但要实现精准预测或是进一步优化和完善模型,还需要对要素做更充分的观测,这样才能保证模型准确、预报精准。”董晓龙告诉《中国科学报》记者。

2009年,在中法两国的共同支持下,中法海洋卫星立项。这颗卫星作为海洋观测项目,目的是研究海洋表面风场和海浪情况,以提高海洋气象预报能力和人类对气候变化的认知。为此,卫星携带了两个主要仪器,一台是由中国研制的测量风的微波散射计,一台是由法国研制的测量浪的海洋波谱仪。

“在海洋观测方面,虽然很多国家已经有海洋观测卫星,并且在轨运行已经成为常态,但是要想覆盖全球的海面,观察复杂气候、风浪的现象,需要更多国家的卫星进行联手合作。这次中法海洋卫星能够对风和浪进行非常高精度的观测,特别是它不但能观察普通的风浪,还能观察极端天气下风浪的状态。”法国大气、环境与地球观测实验室主任达尼艾·欧赛说。

跳圆舞曲的“追风者”

与法国测量浪高、浪幅不同,风,既看不见,又摸不着。要想从九天之外追到风,并不是件容易事。

“反演”是董晓龙经常提到的一个词,这也是遥感探测领域常用做法,指的是利用遥感信号或遥感数据与地表应用之间的关系模型,推演出地表的实际情况。“我们看不到风,所以只能通过其他手段观测,并借助模型把观测数据转化成风的数据。”董晓龙说。

他们采用的办法是测海面的波动。在测量风的微波散射计上,有一个天线。卫星在轨道上运动时,天线会向一定的方向发射出微波。当微波“打”到海面上时,如果海面是平静的,反射的微波会沿着反射线方向“打”出去,而不会被散射计的探测器接收到,但如果海面有波动,反射的微波有一部分就会被探测到,根据回波强度,利用模型,便可算出风的强度。

但是,问题来了。风可以从四面八方吹,怎么才能测出风究竟是从哪个方向吹来的呢?

“必须要从不同的方向‘看’,才能准确看出风向和探测方向之间的夹角究竟有多大。”董晓龙说。

通常,解决这一问题的办法是像拍VR全景一样,给载荷多装几副天线,每副天线采用不同的探测视角,最后综合起来测出风向。“可是如果这样,卫星会变得特别复杂。”董晓龙说。

于是,科学家们又想到了新的办法,用一副可以转动的天线,在卫星上转着圈圈测量风。“比方说卫星在A点时,天线在卫星飞行方向的前方探测了一个区域,等卫星往前飞到B点的时候,天线转到后面来,又可以再次探测这个区域,这就实现两个不同方向的观测。中法海洋卫星微波散射计的独特之处在于采用一个宽的扇形波束方向图的扫描天线,大大增加了观测方向的数目,从而提高风的反演精度,这种体制在国际上是第一次。”董晓龙说。

最终设计出来的散射计载荷上,卫星天线以每10分钟转35圈的速度跳着圆舞曲,并跟着卫星一起不断向前进。

科学与应用并驾齐驱

在我国推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展的趋势下,中法海洋卫星除了在海洋灾害预测上可以大显身手之外,在推动科学研究方面也积聚着强大潜力。

“从中法海洋卫星的技术上看,中方和法方研制的两个有效载荷都是全新的,这是海洋遥感技术的重要突破;从科学角度讲,我国对地观测发展到今天,很多观测模型都是跟踪和模仿国外成果,这次卫星有助于科学家在风浪研究上获得史无前例的一手科学数据,形成新的海浪预报模型等新观测模型。”董晓龙说。

目前,在两国的共同推进下,中法海洋卫星进展可观。“卫星将要搭载的法国仪器已于今年8月交付给中国合作伙伴。”达尼艾·欧赛说。

2014年3月26日,中国国家主席习近平对法国进行国事访问期间,法国国家空间研究中心和中国国家航天局签署了关于加强中法在海洋学与天体物理学领域合作的协议。2015年,在法国总理访华之际,法国国家空间研究中心与中国国家航天局签署协议,加速推进中法海洋卫星项目,并为未来利用科学数据及其随后的应用合作奠定基础。

中国航天科技集团公司五院东方红卫星有限公司总工程师王丽丽介绍,在合作中,中方承担卫星平台和部分载荷研制,以及卫星发射、地面接收和应用等工作;法方承担卫星部分载荷研制和数据传输工作,同时提供两个地面接收站;卫星测控由中法共同完成,双方参与研制的工作人员超过100人。

据了解,交付使用后,卫星将24小时不间断工作,在距地500公里的轨道上对全球海洋的风场、浪场进行监测。监测数据可被两国科学家共享使用。

 
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2017/11/10 12:54:36 yefulin
也造地震鉴测仪,准确预报地震。
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