最新发射的SWOT国际水务卫星打出了强大的工程学组合拳

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12月16日成功发射的地表水和海洋地形学（SWOT）卫星有望为地球表面的大部分地区提供非同寻常的水统计。它对淡水和海洋的测量将帮助研究人员解决我们这个时代的一些最紧迫的气候问题，并帮助社区为一个变暖的世界做好准备。使之成为可能的是一个名为Ka波段雷达干涉仪（KaRIn）的科学仪器。

最新发射的SWOT国际水务卫星打出了强大的工程学组合拳

经过多年的开发，该仪器被设计用来捕捉地球淡水体和海洋中水的高度的非常精确的测量。KaRIn将测量海洋中的水的高度，”看到”直径小于13英里（20公里）的水流和涡流等特征，这比其他海平面卫星探测到的要精确10倍。它还将收集面积超过15英亩（62500平方米）的湖泊和水库以及宽度超过330英尺（100米）的河流的数据。

最新发射的SWOT国际水务卫星打出了强大的工程学组合拳

国际SWOT任务的成员在南加州美国宇航局喷气推进实验室的无尘室中测试Ka波段雷达干涉仪（KaRIn）的一根天线。资料来源：NASA/JPL-Caltech

位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室的KaRIn仪器经理Daniel Esteban-Fernandez说：”对于淡水来说，这将是我们知识上的一个飞跃”。例如，研究人员目前只拥有全世界几千个湖泊的良好数据；SWOT将把这个数字增加到至少一百万。

尖端的KaRIn仪器是这项国际任务的核心，这是美国国家航空航天局和法国国家空间研究中心（CNES）之间长期合作的最新成果，加拿大航天局（CSA）和英国航天局也做出了贡献。

到目前为止，研究人员希望研究水体时依靠的是在特定地点测量的仪器–如河流或海洋中的测量仪–或者是基于空间的仪器，沿着他们从轨道上可以看到的地球的狭窄”轨道”收集数据。然后，如果研究人员想要更广泛地了解一个水体中正在发生的事情，就必须进行推断。

KaRIn则不同，该雷达仪器使用电磁波频谱中的Ka波段频率来穿透云层和黑夜。因此，它可以不受天气或时间的影响进行测量。该仪器的配置包括在一个33英尺（10米）长的吊杆两端各有一个天线。通过将雷达脉冲弹出水面，用两根天线接收返回信号，KaRIn将沿着卫星两侧30英里（50公里）宽的范围收集数据。

“有了KaRIn的数据，我们将能够真正看到正在发生的事情，而不是依靠这些推断，”位于北卡罗来纳大学教堂山分校的NASA淡水科学领导Tamlin Pavelsky说。

两个KaRIn天线将从553英里（890公里）高空看到地球上的同一地点。由于天线从两个方向看地球上的一个特定点，反射回卫星的信号到达每个天线时，彼此的步调或相位都略有不同。利用这个相位差、两根天线之间的距离和雷达波长，研究人员可以计算出KaRIn正在观察的水的高度。

最新发射的SWOT国际水务卫星打出了强大的工程学组合拳

SWOT的Ka波段雷达干涉仪（KaRIn）仪器的两根天线在轨道上展开。资料来源：NASA/JPL-Caltech

这样一个杰出的仪器对开发它的团队提出了很多要求。首先，需要有稳定性。”Daniel Esteban-Fernandez说：”有两根天线看着地面上的同一个地方，但是如果它们的脚印不重叠，你就不会看到任何东西。这是任务在创建KaRIn时面临的许多技术挑战之一。”

工程师们还需要准确了解SWOT在太空中的位置，以确保KaRIn数据的准确性。例如，如果研究人员不知道航天器是倾斜的，他们就无法在计算中考虑到这一点。”想象一下，由于航天器的移动，吊杆会滚动，所以一个天线比另一个天线略高，这将歪曲结果，让看起来所有的水都在一个斜坡上。”因此，工程师们在卫星上安装了一个高性能的陀螺仪，以考虑到SWOT的位置变化。

设计KaRIn的工程师们还必须考虑传输的雷达功率的大小。”Esteban-Fernandez说：”为了测量精确到厘米的东西，需要发射1.5千瓦的雷达脉冲，这对这样的卫星来说是巨大的功率。为了产生这种功率，就必须有几万伏的电压在卫星上运行。”工程师们需要使用特定的设计和材料来实现这一点。

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