欧洲太空天文中心ESAC(European Space Astronomy Center)已被提议作为SSC,将主导伽利略Galileo科学利用数据。
B.GEROS载荷
GEROS的关键载荷是波束成型天线GAB(GEROS Antenna Beamformer),有4π球面视场(FoV),能够接收任何方向传来的GNSS信号。然而,一半空间被哥伦布舱的结构遮挡,只有右舷方位角介于0◦(速度)和180◦(反速度)可行。天底点角度范围为0◦(最低点)到90◦(天线地平线),在低于17◦视场被大气-空间交互监视器ASIM(Atmosphere-Space Interactions Monitor)遮挡,CEPF位置上的载荷正好位于GEROS下方(见图3)。
图3GEROS部属于哥伦布舱外部暴露设施,视场角受限
忽略其他不重要的遮挡,如那些由主桁架和旋转太阳能翼产生的,图4显示了GAB可获得的视场。三个不同部件在GEROS视场内是有区别的,包括用于高度测量和散射测量的近天底点反射(视场-1,FoV-1)、用于高度测量的掠反射(视场-2,FoV-2)和大气/电离层探测的RO(视场-3,FoV-3)。视场-1包括从17◦到41◦天底角,对应于20◦到50◦之间天顶角的直接信号。视场-2天底角范围在54◦和69◦之间,对应于天顶角68◦和天底角80°之间的直接信号,GNSS卫星在天线视野产生天底角65°的镜面反射点。最后,视场-3包括第一个250公里的大气层,天底角介于69°(地球表面)和77°之间。
图 4. GEROS载荷视场(左)和天线指向(右)
视场1(FoV-1)对应接近天底点反射、视场2(FoV-2)对应掠反射、视场3(FoV-3)对应无线电掩星、影射FoV-1和FoV-2对应各自直接信号。
图4右侧表示天线方向,为方位角平均值,频段F1(1547.1-1594.5MHz,中心频率为1570.8MHz,图中为实线)和F5(1157.4-1221.3 MHz,中心频率为1189.3 MHz,图中为虚线)作为天顶角和天底角的函数。天顶(和天底点)的天线方向在F1频段为24.5 dB,在F5频段为22.5dB,在视场-1(FoV-1)边缘下降约3-4dB。视场-2(FoV-2)方向从3变化到19 dB,主要取决于镜面反射点的位置,视场-3(FoV-3)方向在14(指向对流层)和10 dB之间(大气层顶部)。
考虑2020-2024年进入轨道,并具有可操作性的GNSS卫星设置时,已进行的可视分析得出GEROS载荷天线束的最佳数量是4,因为这是近天底点、掠射和RO事件一起的数量,大部分时间几乎同时发生。 GEROS载荷可以并行跟踪三个符合右旋圆偏振RHCP(right-handedcircular polarization)的直接信号,以及F1频带对应的三个近天底点RHCP和LHCP(left-handed circular polarization)的反射信号。同样功能F5处也可用,但仅在近天底反射信号LHCP极化时适用。另外可以用第四个双频波束组来观测第四个近天底反射、掠反射或RO事件。 GEROS载荷还提供额外配置进行降水观测,其中,第四个双频波束用于接收双极化掩星。
在F1的GEROS载荷带宽为47 MHz,F5的带宽则为64 MHz。设置两个接收频带F1和F5是为使观测到的GNSS信号数量最大化。如图5所示,GEROS可以实施GNSS-R和RO,有来自不同GNSS系统的各种信号,包括GPS、Galileo、GLONASS、北斗、QZSS,及其扩充系统MSAS、WAAS、EGNOS和IRNSS。
图5 GEROS载荷可以处理的GNSS信号,F1和F5两个频段内GNSS反射测量和无线电掩星
图6安装在哥伦布舱CEPF(右)上面的GEROS-ISS载荷(左)
如图6所示,GEROS载荷整体尺寸是1.55米×1.17米×0.86米,最突出特点是天线(图8中绿色阵列),双面GAB每边有30个元素(天顶和天底)。一个额外元素在天顶阵列中心位置,仅适用于POD。类似地,一个激光回射器放置在中心天底位置,进行POD验证(图8中灰色元件)。天线两面间是校准器和低噪声放大器单元。这些单元执行路由关键功能,通过相同接收链的直接或反射信号,作为交换技术。在这方面,GEROS载荷进行延迟和振幅自校准(天线模式除外)。
图6所示的GEROS载荷附加单元是仪器控制单元ICU(Instrument Control Unit,浅绿色)、电源供电单元PSU(Power Supply Unit,红色)和POD GNSS接收器(POD,黄色)。GEROS载荷安装在CEPA托盘上,为哥伦布舱提供了所有必要接口。GEROS载荷总质量为376公斤(20%余量),395瓦(20%余量),2 GB大容量存储(80%存储容量)和1.2 Mbps输出速率。
C.仪器误差估算
GEROS载荷与PARIS IoD非常相似。在PARIS IoD的A阶段期间,进行行了仪器优化和误差预估,包括每个频段、热和斑点噪声的影响、相干和非相干平均、以及由于天线损耗带来的信噪比(SNR)衰减、波束形成器的振幅和相位误差、天线相位中心误差、接收器噪声系数、频率响应失配(带宽和群延迟)、量化效率、延迟和多普勒刷新率再跟踪更新,在一个特别端到端模拟器的帮助下,该模拟器从被动先进单元PAU(Passive Advanced Unit)端至端模拟器演化而来。随后通过计算CRB(Cramer-Rao bound)改善误差预算。
4GEROS模拟
GARCA研究的关键部分之一是实施端到端模拟,涵盖从详细的仪器方面到更高级的数据产品,可用于评估当前或近期将来地球观测系统中的GEROS海洋影响,包括GNSS-R可观测量(L1级产品)模拟,这是一套生成地球物理产品(L2级产品)的提取算法,及其时间和地理位置、噪声和系统效应。 GEROS-SIM由核心模块组成,通过详细的几何和仪器参数生成GNSS-R可观测值,另外还有一系列具有完善输入/输出接口的其他模块,以生成所有其他步骤。如果给出正确的输入数据格式,每个模块独立于其他模块运行。这种方法的优点是:如果以正确格式提供数据,使用L1到L2不同模块对真实实验数据进行算法反演。因此,GARCA项目中开发的模块已经提供了潜在GEROS处理器的初始版本,用于生成地球物理1级和2级数据产品,服务于主要任务目标高度测量(编码和相位)和散射测量。图7是处理器示意图。
图7GEROS-SIM示意图
A. GEROS观测覆盖范围模拟
根据GEROS任务目标定义GEROS-ISS观测模式。作为要求,载荷应能跟踪入射角达80°的波束,用于上下视天线阵列。GEROS模拟器进行镜面点定位,包括ESA地球观测客户装备项目CFI(Customer Furnished Items)软件,进行准确定时、坐标转换、天线指向和反射计算。本研究模拟使用10秒采样,周期30天。GEROS-SIM计算预定义的GNSS系统如下:1)北斗系统包括35颗卫星(5颗在地球同步轨道GEO,3颗在倾斜地球同步轨道IGSO,27颗在中轨MEO);2)Galileo系统包括30颗MEO卫星(其中24颗在运行,6颗备用);3)GLONASS包括24颗运行的MEO卫星;4)GPS系统有31颗MEO卫星(24颗为核心卫星,7颗额外卫星);5)QZSS系统有3颗卫星(1颗在IGSO,2颗在GEO)。ISS轨道高度为400公里,周期为90分钟,下图显示了GEROS测量结果分布和FoV-1平均回访时间。
图8 ISS观测覆盖与近天底观测的平均重访时间,FoV-1
由于载荷技术限制,观测值受到GAB跟踪波束数量的限制。对于近天底视场FoV-1,超过80%时间四个波束可视,其中50%测量值低于33°入射角。对于FoV-2(掠角),在GARCA科学评估期间,系统要求更新允许使用上视天线,可以同时观测的波束数量大大改善,目前在多于97.7%的时间内可看到4个波束。仅大约24%的波束对来自下视天线,而76%使用上视天线追踪直接信号和使用下视天线追踪反射信号的轨迹。
B. L1级处理
该模块包括生成GEROS-SIM仪器测量(L0)和相应L1数据的算法。输入观测几何、海面状态和仪器硬件规格,可计算观测DDM /Waveforms。为了高效实施,已建立GNSS-R模拟器,PAU / PARIS E2E模拟器(P2EPS)已通过改装适应特定的GEROS规范,被大量重复利用,这些规范包括天线阵列波束形成、接收机效应、跟踪和噪声特性等。GEROS与其他航天GNSS-R仪器(例如TDS-1和CYGNSS)的一个特殊区别是天线阵列波束形成能力。为了增加SNR,GEROS能够将天线波束指向镜面反射点。GEROS-SIM还具有分析指向误差影响的功能。C. L1级到L2级处理生成主要GEROS地球物理数据产品的三个处理模块:编码测高(Code Altimetry)、相位测高(Phase Altimetry)、散射测量(Scatterometry)等。SSHs的分析使用编码和相位测高法获得,两种方式分别进行,并由IEEC和GFZ开发。表面粗糙度和测风由NOC开发的散射测量处理模块生成。图9描述了对OSSE产生的高程反演对流层误差的一个例子。图10考虑了Agulhas海流区域的模拟反射事件,作为天基记录的一个例子。TDS-1(TechDemoSat-1, 2014年7月8日发射)配置的GEROS-SIM参数如表2所示。GEROS预期数据产品如表3所示。
图9高程误差实例
图10 1分钟间隔的E03事件(黑点)地面轨迹
表2 TDS-1配置的GEROS-SIM参数

相对高度
635km
相干积分时间
1 ms
非相干积分时间
1 s
DDM延迟数
延迟分辨率
0.2 C/A chip
DDM中多普勒通道数
多普勒通道分辨率
500 Hz
最大天线增益
13.3 dBi
镜面点入射角
0.01 (近天底点),10,20,30,40,50,60 deg
输入风速
低范围:0.01,0.05,0.1,0.25,0.5,1,2,3 m/s
中范围:3-20 m/s (3 m/s间隔)
高范围:20-60 m/s (5 m/s间隔)

表3 GEROS预期数据产品

海面高度
L1:反射信号的时间并置波形
L2:沿着反射轨迹海面高度,地理定位和时间标记
均方斜率
L1:反射信号的波形或DDM
L2:表面粗糙度、风速、地理位置和时间标记
精密定轨
L1:双频GNSS POD数据,GNSS-R天线相位中心
L2:POD和GNSS-R天线相位中心,星座偏差数据
GNSS无线电掩星
L1:双频剩余相位,弯曲角
陆地散射(如果仪器允许):
L1:反射信号的时间并置波形或DDM

D.GEROS精密定轨GEROS实验的成功取决于在地球固定参考系中精确定位GNSS-R天线相位中心的能力。为此,POD利用专用天顶天线采集的GNSS载波相位跟踪数据,这也是GEROS实验的关键任务。许多卫星任务具有严格的POD精度要求,通常要求(1-D)位置RMS误差为几厘米,例如重力任务(如GOCE)和测高任务(如Jason-2),尤其径向分量对于测高任务获得高质量数据至关重要。根据CHAllenging微小卫星载荷(CHAllenging Minisatellite Payload)数据初步验证,GEROS的POD测量也可以用于三维(3-D)上部电离层监测。基于双频GPS数据的Offline约化动力学POD已经演变成成熟确定的技术,只要通过额外测量精确了解惯性空间在轨GNSS接收机天线的姿态运动(例如,星型相机读数和/或使用附加GNSS天线),便可以提供厘米级精度。如果同时连续跟踪GPS卫星的数量足够,在动态模式下,能获得稍差精度。而较小卫星质心位置的约化动力学精密定轨原则上是简单的,而大型平台如国际空间站则有大挑战。POD天线相位中心质心位置的不准确,平台结构变形和振动了解不足(例如由于地球阴影效应,以及对于天顶POD天线,信号遮挡效应也会降低同时跟踪卫星的数量),会带来显著误差。即使使用双频GNSS数据,依赖动态POD实现国际空间站的亚分米轨道精度也将是一个挑战。由于这些困难,GEROS实验计划进行POD天线相位中心位置的动态测定。为此,POD天线嵌入作为GEROS天线本身的一部分,减少对国际空间站辅助姿态的需求。上下视天线之间的典型间隔为10-20厘米,国际空间站约3°~4°的姿态不确定性在最坏情况下只能转化为约0.3 mm的垂直影响。E.GNSS无线电掩星与GEROSGEROS提案中已确定的另一目标是基于GNSS的RO,精确探测中性大气和电离层。一些任务的GNSS-RO数据目前已经随时可用,例如FORMOSAT-3 / COSMIC、Metop-A / B、GRACE、TerraSAR-X和几个具有GNSS-RO的新任务(例如COSMIC-2、第二代EUMETSAT Polar System、EPS-SG)。因此,与基于GNSS的海洋遥感相比,GEROS获取RO数据的需求不太引人注目,被认为是低优先级任务目标。