一种星载主被动结合的微波大气探测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种星载主被动结合的微波大气探测系统，所述系统包括在预先设计的轨道上飞行的若干对发射卫星和接收卫星；在发射卫星上设置第一微波掩星主动探测模块、第一微波辐射计和第一定标模块；在接收卫星上设置第二微波掩星主动探测模块、第二微波辐射计和第二定标模块。本发明专利技术综合微波辐射计和微波掩星探测的技术优势，提供一种以小卫星星座为平台、主动微波和被动微波相结合、临边探测和星下点扫描探测相结合的星载主被动微波大气探测系统，实现地球大气高时空分辨率、快速、高精度探测。

【技术实现步骤摘要】
一种星载主被动结合的微波大气探测系统
本专利技术涉及大气探测
，具体涉及一种星载主被动结合的微波大气探测系统。
技术介绍
大气温湿压高时空分辨率探测对数值天气预报和全球气候变化监测有着重要的意义。人造卫星和探测仪器技术的发展为大气探测方法的创新提供了机遇。一方面，微小卫星姿态控制和编队飞行技术水平不断提高，微小卫星平台日趋成熟，这大大降低了星座组网遥感探测的成本；另一方面，随着半导体等电子科技的发展，遥感探测仪器向着小型化低功耗发展，为多卫星集群、多载荷协同进行大气探测提供了机会。星载微波辐射计已逐步发展为一种星下点扫描式被动大气遥感方法，它通过观测大气的亮温信息来反演大气温度和湿度等热力学参数，可实现全球大气连续扫描探测；然而，定标技术是影响微波辐射计大气探测精度的关键技术因素。无线电掩星是一种高垂直分辨率、高精度、长期稳定、无需定标的大气探测技术，其技术优势已经在GNSS掩星大气探测中得到了证实。前期研究表明，GNSS掩星探测资料可用于微波辐射计定标；然而，GNSS掩星探测技术存在水汽模糊度问题，不能进行大气温湿压廓线独立探测，且其中高层探测资料受电离层残差影响较大，这使其定标在一定程度上依赖背景大气信息；另一方面，GNSS掩星和辐射计数据来自于不同的卫星系统，时空匹配性较差，这制约了其定标效果和时效性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，综合微波辐射计和无线电掩星探测的技术优势，提供一种以小卫星星座为平台、主动微波和被动微波相结合、临边探测和星下点扫描探测相结合的星载主被动微波大气探测系统，实现地球大气高时空分辨率、快速、高精度探测。为实现上述目的，本专利技术提供了一种星载主被动结合的微波大气探测系统，所述系统包括在预先设计的轨道上飞行的若干对发射卫星和接收卫星；在发射卫星上设置第一微波掩星主动探测模块、第一微波辐射计和第一定标模块；在接收卫星上设置第二微波掩星主动探测模块、第二微波辐射计和第二定标模块；第一微波掩星主动探测模块，用于发射X/K波段的微波掩星信号；用于接收GNSS导航信号，对卫星进行精密定轨，将定轨数据通过卫星链路发送至接收卫星；还用于通过卫星链路接收所述接收卫星发送的微波掩星大气温湿压廓线的反演结果，并转发至第一定标模块；第一微波辐射计，用于接收大气辐射的微波波段信号，对大气进行星下点连续扫描，采集大气亮温数据并转发至第一定标模块；第一定标模块，用于根据接收到的微波掩星大气温湿压廓线的反演结果对第一微波辐射计的大气亮温数据进行定标；第二微波掩星主动探测模块，用于接收所述发射卫星发射的X/K波段的微波掩星信号；用于接收GNSS导航信号，对卫星进行精密定轨，根据自身的定轨数据、接收到的发射卫星的定轨数据和微波掩星观测数据实现大气温湿压廓线的反演，将微波掩星大气温湿压廓线的反演结果发送至第二定标模块，还用于将微波掩星大气温湿压廓线的反演结果发送至发射卫星；第二微波辐射计，用于接收大气辐射的微波波段信号，对大气进行星下点连续扫描，采集大气亮温数据并转发至第二定标模块；第二定标模块，用于根据反演的微波掩星大气温湿压廓线对第二微波辐射计的大气亮温数据进行定标。作为上述系统的一种改进，所述每对发射卫星和接收卫星分别飞行在相向运行且具有安全轨道高度差的极轨轨道上，其中，接收卫星的轨道高度使主动微波掩星探测事件和其上的微波辐射计具有分钟级的时间匹配度；以及主动微波掩星探测事件与其上的微波辐射计扫描刈幅中线距离具有小于10％刈幅宽度的空间匹配度；发射卫星的轨道高度使主动微波掩星探测事件和其上的微波辐射计具有分钟级的时间匹配度；以及主动微波掩星探测事件与其上的微波辐射计扫描刈幅中线距离具有小于10％刈幅宽度的空间匹配度。作为上述系统的一种改进，所述接收卫星的轨道高度H1的确定方法为：计算接收卫星自产生主动微波掩星探测事件开始到飞掠掩星切点位置所用时间t1：其中，T1为接收卫星轨道周期；θ1为接收卫星、地心和掩星切点的张角：其中，RE为地球半径，其平均值是6731km；计算接收卫星飞掠掩星切点位置时星下点偏离掩星切点的距离s1：其中，为微波掩星事件切点位置的纬度；根据t1小于10分钟，且s1小于10％刈幅宽度的时空匹配度要求，确定接收卫星的轨道高度H1。作为上述系统的一种改进，所述发射卫星的轨道高度H2的确定方法为：计算发射卫星自产生主动微波掩星探测事件开始到飞掠掩星切点位置所用时间t2：其中，T2为发射卫星轨道周期；θ2为发射卫星、地心和掩星切点的张角：其中，RE为地球半径，其平均值是6731km；计算发射卫星飞掠掩星切点位置时星下点偏离掩星切点的距离s2：其中，为微波掩星事件切点位置的纬度；根据t2小于10分钟，且s2小于10％刈幅宽度的时空匹配度要求，确定发射卫星的轨道高度H2。作为上述系统的一种改进，所述第一定标模块的具体实现过程为，获取微波掩星大气温湿压廓线的反演结果和第一微波辐射计的大气亮温数据；将微波掩星大气温湿压廓线的反演结果输入大气辐射传输模型，计算微波辐射计每个大气温度探测频率的亮温；以该亮温作为参考基准，对第一微波辐射计的各个大气温度探测频率的观测亮温进行修正，从而完成第一微波辐射计的定标。作为上述系统的一种改进，所述第二定标模块的具体实现过程为，获取微波掩星大气温湿压廓线的反演结果和第二微波辐射计的大气亮温数据；将微波掩星大气温湿压廓线的反演结果输入大气辐射传输模型，计算微波辐射计每个大气温度探测频率的亮温；以该亮温作为参考基准，对第二微波辐射计的各个大气温度探测频率的观测亮温进行修正，从而完成第二微波辐射计的定标。本专利技术的优势在于：1、本专利技术的方法综合运用小卫星平台、微波辐射计和微波掩星探测仪进行地球大气温湿压探测，可实现全球连续覆盖、高时空分辨率的大气遥感探测；2、本专利技术的小卫星间主动微波临边大气探测可实现大气高精度、高垂直分辨率、大气温湿压廓线独立探测；3、本专利技术的方法利用小卫星间主动微波临边大气探测数据对被动微波星下点观测数据进行快速实时定标，能有效提高大气探测精度。附图说明图1为本专利技术的掩星和星下点被动联合大气探测交轨方向透视图；图2为本专利技术的被动微波辐射计大气探测俯视图；图3为本专利技术的微波掩星事件与低轨卫星星下点轨迹仿真结果。具体实施方式本专利技术针对目前被动微波遥感和无线电掩星数据融合应用中存在的时空匹配的问题，结合微波辐射计和无线电掩星探测的技术优势，提供一种以小卫星星座为平台、主动微波和被动微波相结合、临边探测和星下点扫描探测相结合的星载主被动微波大气探测的星座构型和系统组成。下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术提供一种星载主被动结合的微波大气探测系统，旨在提出一种主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载主被动结合的微波大气探测系统，其特征在于，所述系统包括在预先设计的轨道上飞行的若干对发射卫星和接收卫星；在发射卫星上设置第一微波掩星主动探测模块、第一微波辐射计和第一定标模块；在接收卫星上设置第二微波掩星主动探测模块、第二微波辐射计和第二定标模块；/n第一微波掩星主动探测模块，用于发射X/K波段的微波掩星信号；用于接收GNSS导航信号，对卫星进行精密定轨，将定轨数据通过卫星链路发送至接收卫星；还用于通过卫星链路接收所述接收卫星发送的微波掩星大气温湿压廓线的反演结果，并转发至第一定标模块；/n第一微波辐射计，用于接收大气辐射的微波波段信号，对大气进行星下点连续扫描，采集大气亮温数据并转发至第一定标模块；/n第一定标模块，用于根据接收到的微波掩星大气温湿压廓线的反演结果对第一微波辐射计的大气亮温数据进行定标；/n第二微波掩星主动探测模块，用于接收所述发射卫星发射的X/K波段的微波掩星信号；用于接收GNSS导航信号，对卫星进行精密定轨，根据自身的定轨数据、接收到的发射卫星的定轨数据和微波掩星观测数据实现大气温湿压廓线的反演，将微波掩星大气温湿压廓线的反演结果发送至第二定标模块，还用于将微波掩星大气温湿压廓线的反演结果发送至发射卫星；/n第二微波辐射计，用于接收大气辐射的微波波段信号，对大气进行星下点连续扫描，采集大气亮温数据并转发至第二定标模块；/n第二定标模块，用于根据反演的微波掩星大气温湿压廓线对第二微波辐射计的大气亮温数据进行定标。/n...

【技术特征摘要】
1.一种星载主被动结合的微波大气探测系统，其特征在于，所述系统包括在预先设计的轨道上飞行的若干对发射卫星和接收卫星；在发射卫星上设置第一微波掩星主动探测模块、第一微波辐射计和第一定标模块；在接收卫星上设置第二微波掩星主动探测模块、第二微波辐射计和第二定标模块；
第一微波掩星主动探测模块，用于发射X/K波段的微波掩星信号；用于接收GNSS导航信号，对卫星进行精密定轨，将定轨数据通过卫星链路发送至接收卫星；还用于通过卫星链路接收所述接收卫星发送的微波掩星大气温湿压廓线的反演结果，并转发至第一定标模块；
第一微波辐射计，用于接收大气辐射的微波波段信号，对大气进行星下点连续扫描，采集大气亮温数据并转发至第一定标模块；
第一定标模块，用于根据接收到的微波掩星大气温湿压廓线的反演结果对第一微波辐射计的大气亮温数据进行定标；
第二微波掩星主动探测模块，用于接收所述发射卫星发射的X/K波段的微波掩星信号；用于接收GNSS导航信号，对卫星进行精密定轨，根据自身的定轨数据、接收到的发射卫星的定轨数据和微波掩星观测数据实现大气温湿压廓线的反演，将微波掩星大气温湿压廓线的反演结果发送至第二定标模块，还用于将微波掩星大气温湿压廓线的反演结果发送至发射卫星；
第二微波辐射计，用于接收大气辐射的微波波段信号，对大气进行星下点连续扫描，采集大气亮温数据并转发至第二定标模块；
第二定标模块，用于根据反演的微波掩星大气温湿压廓线对第二微波辐射计的大气亮温数据进行定标。


2.根据权利要求1所述的星载主被动结合的微波大气探测系统，其特征在于，所述每对发射卫星和接收卫星分别飞行在相向运行且具有安全轨道高度差的极轨轨道上，其中，接收卫星的轨道高度使主动微波掩星探测事件和其上的微波辐射计具有分钟级的时间匹配度；以及主动微波掩星探测事件与其上的微波辐射计扫描刈幅中线距离具有小于10％刈幅宽度的空间匹配度；发射卫星的轨道高度使主动微波掩星探测事件和其上的微波辐射计具有分钟级的时间匹配度；以及主动微波掩星探测事件与其上的微波辐射计扫描刈幅中线距离具有小于10％刈幅宽度的空间匹配度。


3.根据权利要求2所述的星载主被动结合的微波大气探测系统，其特征在于，所述接收卫星的轨道高度H1的确定方法为：

【专利技术属性】
技术研发人员：柳聪亮，何杰颖，孙越强，杜起飞，白伟华，王先毅，张升伟，蔡跃荣，孟祥广，夏俊明，王冬伟，李伟，吴春俊，刘成，赵丹阳，尹聪，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11