美国国家航空航天局卫星依靠Ka波段雷达干涉仪测量地球水分

美国国家航空航天局成功发射了地表水和海洋地形（SWOT）任务，这是一颗近地轨道卫星，旨在测量地球海洋、河流和湖泊的相互作用。美国国家航空航天局表示，这一壮举代表着地球供水知识的“巨大飞跃”。在有效载荷上的子系统和仪器之间工作的是Ka波段雷达干涉仪（KaRIn）：这是一种新的仪器，能够在太空测量高达一厘米的精度。

 

猎鹰9号火箭将SWOT飞船和KaRIn仪器送入近地轨道，在收集数据之前，它将在那里进行校准阶段。图片由NASA喷气推进实验室提供

 

SWOT任务并不是美国国家航空航天局第一次对地球特征表现出兴趣，以应对气候变化。今年早些时候，发射了EMIT任务，以确定尘埃云的矿物含量。然而，SWOT任务确实代表了从太空有效测距和开发行星级气候模型方面的重大进步。在这篇文章中，我们将讨论SWOT任务和KaRIn背后的技术，以及它如何为气候科学家提供一个了解地球的新工具。

 

每21天新增一次数据

当涉及到开发气候变化模型时，科学家需要行星尺度上的准确数据。需要几个关键指标，如全球潮汐水平，而信息的缺乏往往会导致模型不准确。对于涉及淡水的系统来说尤其如此，因为分配给测量的传统资源较少。

 

动画展示了SWOT任务用于测量全球水位的方法。为期21天的重复轨道确保科学家始终掌握最新信息。动画图像由NASA喷气推进实验室提供

 

为了增加数据的可用性，美国国家航空航天局与法国国家空间研究中心联合开展了一项工作，以更广阔的视野对地球进行调查。在成功发射后，该航天器目前正处于为期六个月的校准和验证阶段，之后将开始每天发送超过1TB的数据。除了大量的数据外，SWOT任务的21天重复轨道确保了可以不断收集新的数据。

 

利用无线电波测量海平面

作为SWOT飞船上最伟大的工程壮举之一，KaRIn使用Ka波段（26.5 GHz–40 GHz）无线电波以高达1厘米的分辨率探测飞船到表面的距离。该仪器与合成孔径雷达（SAR）非常相似，后者使用收发器的运动来模拟具有窄波束宽度的大型天线。

 

KaRIn仪器工作原理的图像显示，两条带被卫星照亮。海洋和淡水系统的地形可以利用KaRIn和卫星提供的信息进行表征。图片由NASA喷气推进实验室提供

 

这种狭窄的波束宽度，再加上两个天线提供的立体视觉，使仪器能够准确地确定到表面的距离，进而用于确定某一点的水位。通过随着时间的推移重复这种测量，并使用现有的方法来确定卫星的轨道高度，可以绘制出精确的水运动模型，以识别水流、涡流或水位变化。

 

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随着SWOT任务的继续，航天器开始收集和传输数据，看看航天器或KaRIn仪器是否出现任何问题将是一件有趣的事情。例如，信号处理对于SAR来说相当麻烦，并且可能随着时间的推移引入误差点，或者被证明是低效率的来源。此外，如果一个子系统开始出现故障，那么高级别的集成可能会引入许多故障点。

尽管现在称整个任务取得圆满成功还为时过早，但美国国家航空航天局和法国国家空间研究中心取得的进展是一项了不起的工程壮举，SWOT产生的数据预计将对气候科学的未来具有宝贵价值。