全球第一台星载干涉式微波辐射成像仪天线展开

11月2日，欧洲空间局地球探索者系列的第二颗卫星，造价4.64亿美元的土壤湿度与海水盐度卫星（SMOS）从俄罗斯北部Plesetsk人造卫星发射基地，于格林尼治时间1点50分成功发射。　　　

　　SMOS卫星将在观测全球气候变化领域起到关键作用。基于独特的被动微波干涉成像技术，SMOS卫星能够观测大气与海洋、陆地之间的水汽循环。该卫星是世界上唯一能够同时对土壤湿度和海水盐度变化进行观测的卫星。

　　发射70分钟后，SMOS成功地与运载火箭Rockot分离，进入760公里运行轨道，轨道倾角98.4度。按照程序展开了两幅太阳能帆板后，SMOS卫星被位于南非约翰内斯堡的Hartebeesthoek地面站成功捕获。

　　采用一箭双星技术与SMOS卫星同时发射的Proba 2号卫星也在3个小时后顺利进入稍低的近地轨道。

　　欧空局局长Jean-Jacques Dordain评价这次发射说：“我们对这次成功的一箭双星发射非常满意，SMOS和Proba2号的成功发射将帮助我们更好的了解我们的星球，加深对气候变换的研究。两颗卫星展示的突破性技术将会增强欧洲工业企业在国际市场的竞争力，为全球经济发展做出贡献”。 Jean-Jacques Dordain赞扬欧空局在空间对地观测领域起到了重要作用：“欧空局致力于地球科学和气候变化的研究，SMOS是欧空局对气候变化研究的最新贡献”。

　　监控全球水汽循环

　　SMOS卫星重量为658公斤，由欧洲空间局与法国航天局（CNES）和西班牙Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI)共同研制。小卫星平台Ptoteus由Thales Alenia空间集团研制和建造，卫星唯一的载荷“基于孔径综合技术的微波成像仪（MIRAS）”由欧洲防务集团西班牙公司（EADS Espacio）研制，是全球第一台采用该技术的星载微波遥感器。

　　MIRAS是由69个接收单元构成的微波成像仪。所有接收单元均匀分布在Y字形伸展结构上，用以接收地球表面的微波辐射亮温。微波辐射亮温受到地球表面物理温度和表面传导特性影响，而传导特性反映了土壤湿度和海面盐度。

　　“对水汽交换的观测过去主要由地面和海面台站测量，SMOS卫星探测的数据将会极大的推动全球尺度的观测。这是由于水汽交换主要发生在人类不易到达的区域，对气象变化影响很大，因此SMOS的成功发射对气象学研究具有重大意义”，欧空局负责对地观测计划的副局长Volker Liebig认为：“此外，海水盐度是洋流循环的主要驱动力，洋流循环推动了海洋内部全球尺度的热交换，气候学家为了预测长期的气候变化，对盐度这一关键参数期待已久。”。

　　SMOS卫星将在未来的3年内绘制最精确的陆地湿度变化图和海洋的盐度分布图。这些数据能够帮助天气预报研究人员、气象学专家和水资源管理人员更好的预测全球水汽循环的变化。

　　“SMOS是欧空局探测水循环的任务。”欧空局科学部部长Mark Drinkwater介绍说。“SMOS任务将帮助我们更好的理解复杂的地球水汽循环过程”。

　　法国航天局（CNES）负责SMOS卫星的项目经理Francois Bermudo在卫星发射后宣布：“我们现在正在分析接收到的工程遥测参数，我们已经可以确定卫星状态正常，太阳能帆板已经正常打开。”。

　　同时发射的Proba 2小卫星重287磅，将用于验证17项最新的空间技术，并在2年的任务周期内进行4项空间实验，用以研究太阳对地球空间环境的影响。Proba 2携带的探测仪器可以用于未来的空间任务，包括BepiColombo水星探测器和太阳轨道卫星。

　　成功展开Y字形天线结构

　　CNES稍后确认，SMOS已于11月2日打开3个弹簧，成功展开Y字型的天线阵列，目前对载荷的诊断结果表明，MIRAS状态正常。SMOS的唯一有效载荷MIRAS是第一部采用干涉技术的星载微波辐射计，由中心结构和3条伸展臂组成Y字形稀疏天线阵列，其结构类似于直升飞机的转子。阵列展开后的口径达到8米，超出了火箭和卫星平台的负载能力。因此MIRAS在发射的过程中，整个阵列折叠成1米左右的结构之内，入轨后天线阵列重新展开。此后的几个星期载荷将被唤醒并进行一系列的测试。

　　MIRAS由69个天线一体化接收机（LICEF）构成，能够探测地球表面L波段的微波辐射（1.4GHz），这一频率不但能够灵敏地反映土壤湿度和海水盐度的变化，还能够尽量减小天气、大气和植被覆盖等因素对测量结果的影响。

　　发射前的单臂展开测试（图片来源：ESA）

　　MIRAS关键技术的研究始于1992年，型号预研阶段于1998年完成，并正式提交了任务建议书。

　　“MIRAS本质上是一部射电望远镜，只不过是从空间对地观测而已”，SMOS计划载荷总工程师Manuel Martin-Neira博士说：“为了获得足够分辨率的图像，采用传统天线的话其口径将达到8米（26英尺），这个要求是当代火箭和卫星平台技术都无法负担得起的。现在我们已经完成了卫星发射和天线展开两个重要的里程碑，有效载荷一切正常，下面2个星期我们将检测MIRAS光学传输部件和数字相关部件的状态。”

　　SMOS的科学价值

　　“怎么理解SMOS有效载荷的灵敏度呢？我们可以理解为能够测量出土壤上层每1茶匙的水分变化。”Drinkwater说。土壤湿度是决定大气湿度和形成降水的重要指标。

　　“水是大气和土壤物质和能量交换的主要驱动力”，SMOS首席科学家，来自于法国空间研究机构CESBIO的Yann Kerr说：“观测这些变化能够帮助人类更好的对天气变化进行预报，并能够更好地监控气候变化”

　　SMOS将以50公里的空间分辨率获得全球土壤湿度分布图，以及获得200公里空间分辨率的海洋盐度分布图。SMOS获得的海洋盐度数据将告诉科学家大气和海洋是如何相互作用的。

　　SMOS卫星太阳翼与天线阵列展开后的想象图（图片来源：ESA）

　　科学家还能够通过SMOS数据洞察海洋循环过程。海洋循环是影响全球气候最重要的驱动因素之一。像传送带一样，海洋循环将温暖的海水带到高纬度地区，将寒冷的海水带到低纬度地区，减缓了全球尺度的气候变化。

　　海水的盐度和温度决定了洋流循环的模式。“这就是SMOS计划立项的目的，是为了监测全球不同地区海洋盐度的变化，而盐度变化是驱动洋流循环的动力。”SMOS探测数据将提供每个星期，每个季度以及每个年度的土壤湿度及海水盐度分布图。

　　“SMOS数据的重要意义在于，我们能够在几天内获得全球尺度分布图，”Drinkwater说：“我们能够在2个星期到一个月的时间内积累足够的数据，并获得全球范围内盐度的网格状分布。”

　　SMOS计划采用的2维综合孔径辐射计在进行盐度观测时，能够分辨1升海水内包含的1/10克盐。与之前利用飞机、船只和浮标进行单点测量相比，SMOS将是能够获得全球土壤湿度与海水盐度的第一颗卫星。

　　中国科学院空间科学与应用中心在SMOS的研制过程中曾参与了部分测试工作，并承担了利用中国塔克拉玛干大沙漠为SMOS进行星——地定标的任务。空间科学与应用中心吴季主任在发给Manuel Martin-Neira的贺信中说：“MIRAS是第一颗采用孔径综合技术的被动微波成像仪，SMOS卫星的成功发射和运行，不但能够加深了人类对全球水汽循环机制的理解，提高天气预报和气候预测的精度，还在技术上验证了孔径综合的机理，对未来的科学和技术的发展具有重要意义”

　　“对于我们的地球，还有一些特性我们没有足够的了解。例如重力场、土壤湿度、海水盐度这三个我们准备进行探测的参数”。欧空局负责地球观测计划的副局长Volker Liebig说。

　　“我希望这三个航天计划能够帮助我们深入了解我们正在面临的气候变化问题。”Drinkwater说。