林明森，張有廣，袁欣哲

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081）

海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展歷程與趨勢(shì)展望

林明森1，張有廣1，袁欣哲1

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081）

海洋是對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的重要領(lǐng)域，在對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中就具有專(zhuān)門(mén)用于海洋觀測(cè)的海洋遙感衛(wèi)星。海洋遙感衛(wèi)星是一種利用所搭載的遙感器對(duì)海面進(jìn)行光學(xué)或微波探測(cè)來(lái)獲取有關(guān)海洋水色和海洋動(dòng)力環(huán)境信息的衛(wèi)星。海洋衛(wèi)星有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)海洋觀測(cè)手段的不足，基于多種遙感器連續(xù)對(duì)海洋的觀測(cè)，使人類(lèi)極大的加深了對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)，在海洋災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)、資源開(kāi)發(fā)、海洋維權(quán)、海洋生態(tài)和環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文在詳細(xì)梳理西方主要航天大國(guó)海洋遙感衛(wèi)星（包括了對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中具有海洋觀測(cè)功能的衛(wèi)星）的發(fā)展歷程，在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)海洋遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了論述，可為我國(guó)海洋遙感衛(wèi)星的發(fā)展提供技術(shù)發(fā)展參考。

海洋遙感衛(wèi)星；對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星；歷程；趨勢(shì)

林明森，張有廣，袁欣哲.海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展歷程與趨勢(shì)展望［J］.海洋學(xué)報(bào)，2015，37（1）：1—10，doi.10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.001

Lin Mingsen，Zhang Youguang，Yuan Xinzhe.The development course and trend of ocean remote sensing satell ite［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（1）：1—10，doi.10.3969/j.issn.0235-4193.2015.01.001

1　引言

海洋占地球表面積的70%以上，是生命的源泉和資源的寶庫(kù)。海洋對(duì)維持當(dāng)前的氣候，調(diào)節(jié)地球的熱量平衡，控制地球上的水循環(huán)和碳循環(huán)起著重要作用。海洋本身也是人類(lèi)活動(dòng)的場(chǎng)所，它是人類(lèi)社會(huì)生存和可持續(xù)發(fā)展的有機(jī)組成部分，并對(duì)沿海國(guó)家的安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，深刻并全面地了解海洋、認(rèn)識(shí)海洋，是實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)、提高我國(guó)綜合國(guó)力、預(yù)防及減少海洋災(zāi)害、維護(hù)海洋權(quán)益和海洋資源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的迫切需要。

海洋衛(wèi)星能夠?qū)θ蚝Ｑ蟠蠓秶?、長(zhǎng)時(shí)期的觀測(cè)，為人類(lèi)深入了解和認(rèn)識(shí)海洋提供了其他觀測(cè)方式都無(wú)法替代的數(shù)據(jù)源。海洋遙感衛(wèi)星通過(guò)搭載各類(lèi)遙感器來(lái)探測(cè)海洋環(huán)境信息，按照功能可分為海洋水色衛(wèi)星、海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星和海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)衛(wèi)星。目前，全球共有海洋衛(wèi)星或具備海洋探測(cè)功能的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星50余顆。美國(guó)、歐洲、日本和印度等國(guó)家和地區(qū)均已建立了比較成熟和完善的海洋衛(wèi)星系統(tǒng)［1］。我國(guó)已經(jīng)發(fā)射了兩顆海洋水色衛(wèi)星（HY-1 A/B）和一顆海洋動(dòng)力環(huán)境（HY-2 A）衛(wèi)星，初步建立了我國(guó)的海洋衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系，為完善海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)體系的建立奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但是，我國(guó)的海洋衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系尚不完善，觀測(cè)要素相對(duì)較少，數(shù)據(jù)服務(wù)的連續(xù)性還有待加強(qiáng)［2］。

本文將通過(guò)詳細(xì)梳理國(guó)內(nèi)外海洋遙感衛(wèi)星的發(fā)展歷程與應(yīng)用狀況，進(jìn)而對(duì)未來(lái)海洋遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行論述，為我國(guó)海洋遙感衛(wèi)星的發(fā)展提供技術(shù)發(fā)展參考。

2　海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展歷程

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星先后經(jīng)歷了20世紀(jì)60年代的起步階段，70年代的初步應(yīng)用階段，80年代到90年代的大發(fā)展階段，直到近十余年來(lái)，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中專(zhuān)門(mén)用于海洋觀測(cè)的海洋衛(wèi)星及對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中具備部分海洋信息觀測(cè)功能的衛(wèi)星開(kāi)始向高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、高信噪比和高穩(wěn)定性等方向發(fā)展。國(guó)外主要航天大國(guó)，均有專(zhuān)門(mén)的海洋衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃，并形成了多種業(yè)務(wù)應(yīng)用，在海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)和軍民應(yīng)用中對(duì)海洋衛(wèi)星的依賴程度不斷加大。

下面按時(shí)間順序分別介紹國(guó)內(nèi)外海洋衛(wèi)星和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中具有海洋觀測(cè)功能的衛(wèi)星的發(fā)展歷程。

2.1美國(guó)

2.1.1海洋衛(wèi)星

美國(guó)是世界上首個(gè)發(fā)展海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)的國(guó)家，在1978年發(fā)射了世界上第一顆海洋衛(wèi)星SAESAT，近40年來(lái)美國(guó)發(fā)展了海洋環(huán)境衛(wèi)星、海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星和海洋水色衛(wèi)星等不同類(lèi)型的專(zhuān)用海洋衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了從空間獲取海洋水色和海洋動(dòng)力環(huán)境信息的能力。

“地球軌道測(cè)地衛(wèi)星”（GEOS）是美國(guó)“國(guó)家測(cè)地衛(wèi)星計(jì)劃”的一部分，由JPL負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造。GEOS衛(wèi)星共有3顆，前兩顆衛(wèi)星GEOS-1和GEOS-2用于重力測(cè)量；第三顆GEOS-3主要用于海洋動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。GEOS-3衛(wèi)星于1975年4月9日發(fā)射，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1［3］。

表1　GEOS-3衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The main technicalindicators of GEOS-3 satellite

該衛(wèi)星為確定海洋學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)研究提供了3年有效數(shù)據(jù)，獲取的大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)使人們的注意力從雷達(dá)高度計(jì)的試驗(yàn)階段轉(zhuǎn)向了應(yīng)用階段。

SAESAT衛(wèi)星是美國(guó)航空航天局（NASA）發(fā)展的首顆海洋衛(wèi)星，也是一顆“方案驗(yàn)證”衛(wèi)星，主要任務(wù)是驗(yàn)證利用海洋微波遙感載荷從空間探測(cè)海洋及有關(guān)海洋動(dòng)力現(xiàn)象的有效性。SEASAT于1978年6月27日在范登堡空軍基地發(fā)射，1978年10月9日，衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)生故障，11月21日衛(wèi)星正式宣告失敗。盡管該衛(wèi)星工作了僅3個(gè)月，但獲取的數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)雷達(dá)高度計(jì)遙感技術(shù)的發(fā)展意義重大。SAESAT衛(wèi)星的主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　SAESAT衛(wèi)星主要性能參數(shù)Tab.2 The main performance parameters of SEASATsatellite

Geosat衛(wèi)星是美國(guó)海軍早期發(fā)展的雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星，目標(biāo)是為海軍提供高密度全球海洋重力場(chǎng)模型，以及進(jìn)行海浪、渦旋、風(fēng)速、海冰和物理海洋研究，獲得高精度的全球海洋大地水準(zhǔn)面精確制圖。Geosat衛(wèi)星1985年3月13日發(fā)射，1990年退役。Geosat衛(wèi)星的主要性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　Geosat衛(wèi)星主要性能參數(shù)Tab.3 The main performance parameters of geosat satellite

TOPEX/Poseidon衛(wèi)星是美國(guó)和法國(guó)合作開(kāi)發(fā)的海面地形測(cè)量衛(wèi)星，用于全球高精度海面高度的測(cè)量，從而觀測(cè)和了解潮汐以及大洋環(huán)流。1992年8月10日TOPEX/Poseidon衛(wèi)星發(fā)射，2005年10月9日衛(wèi)星停止運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間13年。TOPEX/Poseidon衛(wèi)星在軌道設(shè)計(jì)、載荷配置和數(shù)據(jù)處理等方面的技術(shù)，使該衛(wèi)星成為迄今海面高度觀測(cè)精度最高的衛(wèi)星，它與其后續(xù)衛(wèi)星也是用于潮汐研究最為合適的測(cè)高系統(tǒng)［4］。TOPEX/Poseidon衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4　TOPEX/Poseidon衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.4 The main technicalindicators of TOPEX/Poseidon satllite

海星（SeaStar）衛(wèi)星又稱軌道觀測(cè)-2衛(wèi)星（Orbview-2）是美國(guó)軌道科學(xué)公司的軌道觀測(cè)系列衛(wèi)星之一，于1997年8月1日發(fā)射，主要用于海洋水色觀測(cè)、海洋生物和生態(tài)學(xué)研究，為美國(guó)地球探測(cè)計(jì)劃提供全球環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)。SeaStar衛(wèi)星繼承了Nimbus-7衛(wèi)星上搭載的“海岸帶水色掃描儀”的特性，所獲取的海洋遙感數(shù)據(jù)廣泛用于海洋研究各個(gè)領(lǐng)域［5］。衛(wèi)星的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5　SeaStar衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)Tab.5 The main technicalindicators of SeaStar satellite

QUIKSCAT衛(wèi)星是NASA研制用于海洋風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)的衛(wèi)星。該衛(wèi)星的目標(biāo)是重啟NASA“海洋風(fēng)測(cè)量”計(jì)劃，以滿足改善天氣預(yù)報(bào)和氣候研究的需要。衛(wèi)星上載有一臺(tái)“海洋風(fēng)場(chǎng)”微波散射計(jì)Sea Winds，主要用來(lái)全天候、連續(xù)測(cè)量和記錄全球的海洋風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。QUIKSCAT衛(wèi)星1999年6月20日從美國(guó)的范登堡空軍基地發(fā)射，成功運(yùn)行了10年，在2009年11月23日不再提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。QUIKSCAT衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6　QUIKSCAT衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.6 The main technicalindicators of QUIKSCATsatellite

2.1.2對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中具備海洋觀測(cè)功能的衛(wèi)星

“國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃”衛(wèi)星（DMSP）是美國(guó)國(guó)防部發(fā)展的軍用極軌氣象衛(wèi)星，主要用于獲取全球氣象、海洋和空間環(huán)境信息，為軍事作戰(zhàn)提供信息保障。DMSP系列衛(wèi)星首發(fā)時(shí)間是1962年5月23日，截至2012年6月30日，DMSP衛(wèi)星共發(fā)展12個(gè)型號(hào)，發(fā)射衛(wèi)星51顆，成功46顆［1］。在DMSP-5D3衛(wèi)星中的“微波成像儀/探測(cè)器”可用于海冰和海面溫度的觀測(cè)。

“雨云”衛(wèi)星（Nimbus）是美國(guó)早期的實(shí)驗(yàn)型氣象衛(wèi)星，主要用來(lái)實(shí)驗(yàn)地球環(huán)境衛(wèi)星上使用的新遙感器，同時(shí)也提供部分氣象探測(cè)資料。Nimbus系列衛(wèi)星從1964年8月到1978年10月共發(fā)射了8顆衛(wèi)星。其中，Nimbus-7衛(wèi)星上搭載的“海岸帶水色掃描儀”用于測(cè)量海洋和海岸帶水色，測(cè)量葉綠素濃度、沉積物分布等，具有5個(gè)通道，波長(zhǎng)分別為0.44μm、0.56 μm、0.67μm、0.75μm、11.5μm。幅寬1 556 k m，空間分辨率825 m；“多通道微波輻射儀”可實(shí)現(xiàn)海冰和海面溫度的觀測(cè)，工作中心頻率分別為：6.6 GHz、10.7 GHz、18.0 GHz、21.0 GHz、37.0 GHz。

NOAA衛(wèi)星是美國(guó)發(fā)展的民用極軌氣象衛(wèi)星，也可用于全球海洋、陸地和空間等環(huán)境監(jiān)測(cè)。NOAA衛(wèi)星是由NASA和NOAA合作研制，其他國(guó)際合作伙伴有法國(guó)、加拿大、英國(guó)和歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）。NASA負(fù)責(zé)衛(wèi)星設(shè)計(jì)、研制、總裝和發(fā)射，NOAA負(fù)責(zé)衛(wèi)星的運(yùn)行、數(shù)據(jù)的接收、存檔和分發(fā)。NOAA衛(wèi)星自1970年12月發(fā)射第一顆以來(lái)，共經(jīng)歷了5代。目前使用較多的是第五代NOAA衛(wèi)星，1998-2009年發(fā)射的NOAA-15～19衛(wèi)星搭載的“第三代先進(jìn)甚高分辨率輻射計(jì)”可用于海面溫度的觀測(cè)；“先進(jìn)微波探測(cè)儀”可用于海冰的監(jiān)測(cè)。

“土”衛(wèi)星（Terra）美國(guó)、日本和加拿大聯(lián)合發(fā)展的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，屬于美國(guó)“地球觀測(cè)系統(tǒng)”（EOS）計(jì)劃，主要用來(lái)觀測(cè)地球氣候變化。Terra衛(wèi)星搭載的有效載荷“中分辨率成像光譜儀”可以獲取海面溫度和海洋水色信息。Terra衛(wèi)星1999年12月18日發(fā)射，現(xiàn)仍在軌運(yùn)行。

“水”衛(wèi)星（Aqua）是美國(guó)NASA發(fā)展的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，屬于“地球觀測(cè)系統(tǒng)”（EOS）計(jì)劃，原名為“上午星”（EOS/PM-1），后NASA改名為“水”衛(wèi)星。它的主要任務(wù)是對(duì)地球上的水循環(huán)進(jìn)行全方位的觀測(cè)，可以獲取海洋溫度和海洋水色信息。Aqua衛(wèi)星2002年5月4日發(fā)射，現(xiàn)仍在軌運(yùn)行。

“冰”衛(wèi)星（ICESAT）是美國(guó)NASA、工業(yè)界和大學(xué)聯(lián)合研制的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，屬于“地球觀測(cè)系統(tǒng)”（EOS）計(jì)劃，主要任務(wù)包括監(jiān)測(cè)極地冰蓋的質(zhì)量平衡及其對(duì)全球海平面變化的影響。ICESAT衛(wèi)星2003年1月13日發(fā)射，2010年8月退役。

2.2中國(guó)

我國(guó)在海洋衛(wèi)星方面經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)，取得了顯著進(jìn)展。自2002年5月-2011年8月分別發(fā)射了HY-1 A/B和HY-2 A三顆衛(wèi)星，已經(jīng)初步建立海洋水色和海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2.1海洋衛(wèi)星

我國(guó)第一顆海洋水色衛(wèi)星HY-1 A，于2002年5月15日成功發(fā)射。它實(shí)現(xiàn)了我國(guó)海洋衛(wèi)星零的突破，完成了海洋水色功能及試驗(yàn)驗(yàn)證，使海洋水色信息提取與定量化應(yīng)用水平得到了提高，促進(jìn)了海洋遙感技術(shù)的發(fā)展，為我國(guó)的海洋衛(wèi)星系列發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。到2004年4月HY-1 A衛(wèi)星停止工作，在軌運(yùn)行685 d期間，獲取了中國(guó)近海及全球重點(diǎn)海域的葉綠素濃度、海表溫度、懸浮泥沙含量、海冰覆蓋范圍、植被指數(shù)等動(dòng)態(tài)要素信息以及珊瑚、島礁、淺灘、海岸地貌特征，研發(fā)制作了42種遙感產(chǎn)品。我國(guó)第二顆海洋水色衛(wèi)星HY-1B，于2007年4月11日成功發(fā)射，該衛(wèi)星在HY-1 A衛(wèi)星基礎(chǔ)上研制，其觀測(cè)能力和探測(cè)精度進(jìn)一步增強(qiáng)和提高。目前在軌運(yùn)行7年多，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星由試驗(yàn)型向業(yè)務(wù)服務(wù)型的過(guò)渡［6］。HY-1 A/B主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表7。

表7　HY-1A/B衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)Tab.7 The main technical parameters of HY-1A/Bsatellite

我國(guó)第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星HY-2A，于2011年8月16日發(fā)射，現(xiàn)仍在軌運(yùn)行。該衛(wèi)星集主、被動(dòng)微波遙感器于一體，具有高精度測(cè)軌、定軌能力與全天候、全天時(shí)、全球探測(cè)能力。衛(wèi)星主要載荷有：雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)、掃描輻射計(jì)、校正輻射計(jì)。主要使命是監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋環(huán)境，獲得包括海面風(fēng)場(chǎng)、浪高、海流、海面溫度等多種海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)，直接為災(zāi)害性海況預(yù)警預(yù)報(bào)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)、海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋科學(xué)研究以及國(guó)防建設(shè)等提供支撐服務(wù)［7］。HY-2 A衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表8。

表8　HY-2A衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)Tab.8 The main technical parameters of HY-2 satellite

2.2.2對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中具備海洋觀測(cè)功能的衛(wèi)星

1988年9月我國(guó)發(fā)射了第一顆極軌氣象衛(wèi)星“風(fēng)云一號(hào)”（FY-1A）衛(wèi)星，搭載的主要傳感器是多通道可見(jiàn)光和紅外掃描輻射計(jì)（MVISR），1990年9月發(fā)射了FY-1B衛(wèi)星，配置了兩個(gè)海洋水色通道的高分辨率掃描輻射計(jì)（VHRSR），雖然兩顆衛(wèi)星的壽命不長(zhǎng)，但首次利用我國(guó)自己衛(wèi)星獲得了我國(guó)海區(qū)較高質(zhì)量的葉綠素濃度和懸浮泥沙濃度的分布圖。2008年5月27日，我國(guó)新一代極軌氣象衛(wèi)星FY-3 A發(fā)射，衛(wèi)星裝載11臺(tái)儀器，光譜通道達(dá)百個(gè)。FY-3 A衛(wèi)星上的微波成像儀（MWRI），頻段范圍10～89 GHz，地面分辨率15～85 GHz，能夠獲取的海洋信息包括海面溫度、海面風(fēng)速以及海冰信息。

2.3俄羅斯

2.3.1海洋衛(wèi)星

蘇聯(lián)/俄羅斯-烏克蘭研制的海洋衛(wèi)星系列，分為兩類(lèi)：第一類(lèi)遙感器以可見(jiàn)光、紅外探測(cè)器為主；第二類(lèi)遙感器只要為側(cè)視雷達(dá)。1979年2月12日第一顆海洋衛(wèi)星（宇宙-1076）發(fā)射，用于衛(wèi)星試驗(yàn)和海洋氣象、大氣物理參數(shù)的測(cè)量。1983年9月28日發(fā)射了載有測(cè)試?yán)走_(dá)的試驗(yàn)衛(wèi)星宇宙-1500，觀測(cè)結(jié)果表明側(cè)視雷達(dá)作為海洋遙感的手段具有很大潛力。1988年7月5日，第一顆實(shí)用型海洋衛(wèi)星（Okean-O1）發(fā)射成功。海洋系列衛(wèi)星共發(fā)展了4代，第一代為Okean-E系列，共發(fā)射2顆；第二代Okean-OE系列衛(wèi)星，共發(fā)射2顆；第三代為Okean-O1系列衛(wèi)星，共發(fā)射9顆；最后一代為Okean-O系列衛(wèi)星，發(fā)射1顆。Okean系列衛(wèi)星的用途是對(duì)海表溫度、風(fēng)速、海洋水色、冰覆蓋等進(jìn)行觀測(cè)。其中，Okean-O1系列衛(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表9。

2.3.2對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中具備海洋觀測(cè)功能的衛(wèi)星

“流星”衛(wèi)星（Meteor）是俄羅斯/蘇聯(lián)發(fā)展的極軌氣象衛(wèi)星，目前已經(jīng)發(fā)展了4代，即Meteor-1/2/ 3/3 M/M。其中，Meteor-M是俄羅斯發(fā)展的第四代極軌氣象衛(wèi)星，也是俄羅斯現(xiàn)役氣象衛(wèi)星。Meteor-M衛(wèi)星搭載的低分辨率多光譜儀能夠觀測(cè)海面溫度；X波段合成孔徑雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)冰的監(jiān)測(cè)。

2.4日本

2.4.1海洋衛(wèi)星

海洋觀測(cè)衛(wèi)星（MOS）是日本的第一個(gè)地球觀測(cè)衛(wèi)星系列，又稱桃花衛(wèi)星（Momo）。共發(fā)射了兩顆。MOS-1于1987年2月18日發(fā)射，是一顆試驗(yàn)型海洋觀測(cè)衛(wèi)星，用于測(cè)量海洋水色、海面溫度和大氣水汽含量。MOS-1B于1990年2月7日發(fā)射，是一顆應(yīng)用型海洋衛(wèi)星，用于觀測(cè)海洋洋流、海面溫度、海洋水色等。MOS系列衛(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表10。

表9　Okean-O1系列衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)Tab.9 The main technical parameters of Okean-O1 series satellite

表10　MOS系列衛(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)Tab.10 The main technicalindicators of MOSseries satellite

2.4.2對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中具備海洋觀測(cè)功能的衛(wèi)星

“日本地球資源衛(wèi)星”（JERS）是日本發(fā)展的首顆對(duì)陸地表明進(jìn)行觀測(cè)的衛(wèi)星，星上裝載的合成孔徑雷達(dá)可以用于海岸以及溢油的監(jiān)測(cè)；高分辨率相機(jī)能夠獲取海洋資源信息。JERS-1于1992年2月11日發(fā)射，1998年10月停止運(yùn)行。

“先進(jìn)地球觀測(cè)衛(wèi)星”（ADEOS）是日本的地球環(huán)境觀測(cè)衛(wèi)星主要用于監(jiān)測(cè)全球環(huán)境變化，能夠獲取海洋水色和海面溫度信息。其中，搭載的先進(jìn)微波掃描輻射計(jì)，可用于海面溫度、海面風(fēng)速和海冰分布觀測(cè)；全景成像儀有36個(gè)譜段，幅寬1 600 k m，用于監(jiān)測(cè)海洋碳循環(huán)；微波散射計(jì)用于觀測(cè)全球海面風(fēng)場(chǎng)；水色和海溫掃描儀能夠?qū)Ｑ筮M(jìn)行高精度觀測(cè)，測(cè)量海洋水色和海面溫度。ADEOS-1衛(wèi)星于1996年8月17日發(fā)射，1997年6月30日因太陽(yáng)翼破裂導(dǎo)致無(wú)法供電，導(dǎo)致整星失敗。ADEOS-2衛(wèi)星2002年12月14日發(fā)射，整星于2003年10月失效。

“全球變化觀測(cè)任務(wù)”（GCOM）是日本開(kāi)發(fā)的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，由3顆GCOM-W衛(wèi)星和3顆GCOM-C衛(wèi)星組成，旨在構(gòu)建一個(gè)可以全面、有效進(jìn)行全球環(huán)境變化監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。衛(wèi)星上搭載的載荷主要有：高性能微波輻射計(jì)-2和新型圓錐掃描式微波輻射計(jì)，可用于海面風(fēng)速、海面溫度和海冰信息的獲取。

2.5法國(guó)

Jason系列衛(wèi)星是法國(guó)CNES和美國(guó)NASA聯(lián)合研制的海洋地形觀測(cè)衛(wèi)星，是TOPEX/Poseidon衛(wèi)星的后繼星，屬于美國(guó)“地球觀測(cè)系統(tǒng)”（EOS）的高度計(jì)任務(wù)。用于海洋表面地形和海平面變化的測(cè)量。CNES負(fù)責(zé)平臺(tái)、載荷和DORIS接收機(jī)的研制，NASA負(fù)責(zé)衛(wèi)星的發(fā)射。2001年12月7日，Jason-1衛(wèi)星發(fā)射，2008年6月20日，Jason-2發(fā)射。目前Jason-2在軌正常運(yùn)行。Jason-1/2衛(wèi)星的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表11。

表11　Jason-1衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)Tab.11 The main technical parameters of Jason-1 satellite

2.6 歐洲航天局

歐洲遙感衛(wèi)星（ERS）是歐洲航天局（ESA）研制的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。1991年7月17日，ERS-1衛(wèi)星從法屬圭亞那航天中心發(fā)射，2000年3月10日由于計(jì)算機(jī)和陀螺儀故障，ERS-1服役結(jié)束。1995年4月21日，ERS-2衛(wèi)星由阿里安-4運(yùn)載火箭發(fā)射；2003年6月，ERS-2失去星上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，此后僅支持實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸。ERS-1/2主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表12。

表12　ERS-1/2主要技術(shù)參數(shù)Tab.12 The main technicalindicators of ERS-1/2 satellite

“環(huán)境衛(wèi)星”Envisat是ESA發(fā)展的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，用于綜合性環(huán)境觀測(cè)，是ERS的后繼衛(wèi)星，與“氣象業(yè)務(wù)”（MetOp）衛(wèi)星同屬于“極軌地球觀測(cè)任務(wù)”。Envisat-1也是美國(guó)EOS的組成之一。2002年3月1日，Envisat-1衛(wèi)星發(fā)射，2012年5月9日，ESA宣布Envisat任務(wù)終止，在軌服務(wù)10年。Envisat-1主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表13。

“氣象業(yè)務(wù)”衛(wèi)星（MetOp）是歐洲發(fā)展的首個(gè)極軌氣象衛(wèi)星，屬于“歐洲極軌業(yè)務(wù)型氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”。ESA負(fù)責(zé)研制，歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）負(fù)責(zé)衛(wèi)星的運(yùn)行和管理。MetOp系列衛(wèi)星共3顆，分別為MetOp-A、MetOp-B和MetOp-C衛(wèi)星。MetOp-A衛(wèi)星2006年10月19日發(fā)射，MetOp系列衛(wèi)星將至少運(yùn)行到2020年。MetOp-A衛(wèi)星上的“先進(jìn)甚高分辨率輻射計(jì)”可用于獲取海面溫度和海冰信息；“先進(jìn)散射計(jì)”可用于獲取全球的海面風(fēng)場(chǎng)和海冰信息。

表13　Envisat-1主要技術(shù)參數(shù)Tab.13 The Main Technical Indicators of Envisat-1 Satellite

“重力與穩(wěn)態(tài)洋流探測(cè)器”GOCE是ESA獨(dú)立發(fā)展的地球動(dòng)力學(xué)和大地測(cè)量衛(wèi)星，是全球首顆用于探測(cè)地核結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星。GOCE于2009年3月17日發(fā)射，GOCE能夠提供海洋重力場(chǎng)和海洋大地水準(zhǔn)面的信息。

“土壤濕度和海洋鹽度”（SMOS）是ESA首顆用于監(jiān)測(cè)全球土壤濕度和海洋鹽度的衛(wèi)星。衛(wèi)星于2009年11月2日發(fā)射，目前仍在軌運(yùn)行。SMOS搭載的“L頻段合成孔徑微波成像輻射計(jì)”，具有全天候、全天時(shí)的對(duì)地觀測(cè)能力，能夠提供海面鹽度信息，每10 d在200 k m×200 k m面積內(nèi)的平均測(cè)量精度為0.1。

“冷衛(wèi)星”（Cryosat）是“歐洲地球探測(cè)者計(jì)劃”的一顆衛(wèi)星，該衛(wèi)星采用雷達(dá)高度計(jì)測(cè)量陸地和海洋冰蓋厚度的變化，可對(duì)極地冰層海溫海洋浮冰進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。Cryosat-1衛(wèi)星2005年10月8日發(fā)射失敗，Cryosat-2于2010年4月8日發(fā)射，目前在軌運(yùn)行。

2.7印度

“海洋衛(wèi)星”（Oceansat）是印度發(fā)展的專(zhuān)用海洋衛(wèi)星，包括Oceansat-1和Oceansat-2，用于海洋環(huán)境探測(cè)，包括測(cè)量海面風(fēng)場(chǎng)、葉綠素濃度、浮游植物以及海洋中的懸浮和沉淀物。Oceansat-1是“印度遙感衛(wèi)星系統(tǒng)”（IRS）中首顆用于海洋觀測(cè)的衛(wèi)星，它于1999年5月26日發(fā)射，2010年8月8日退役。Oceansat-2衛(wèi)星于2009年9月23日發(fā)射，目前在軌運(yùn)行。Oceansat-1和Oceansat-2的主要載荷有“海洋水色監(jiān)測(cè)儀”、“多頻率掃描微波輻射計(jì)”和“掃描微波散射計(jì)”。

2.8韓國(guó)

“通信、海洋和氣象衛(wèi)星”（COMS）是韓國(guó)發(fā)展的地球靜止軌道衛(wèi)星，用于朝鮮半島及周邊區(qū)域的海洋和氣象監(jiān)測(cè)。COMS-1于2010年6月26日發(fā)射，目前正在運(yùn)行，COMS-2正在研制。COMS-1采用歐洲星-E-3000平臺(tái)，采用三軸穩(wěn)定方式，天線指向精度優(yōu)于0.11°。COMS-1于的主載荷是“地球靜止海洋水色成像儀”，空間分辨率500 m×500 m，譜段為0.4～0.9μm，用于提供海岸帶資源管理和漁業(yè)信息。

2.9其他國(guó)家

“科學(xué)應(yīng)用衛(wèi)星”（SAC）是阿根廷國(guó)家空間計(jì)劃的核心計(jì)劃，共包括4顆衛(wèi)星，其中SAC-A、SAC-C和SAC-D具備對(duì)地觀測(cè)能力。SAC-D衛(wèi)星中的主載荷“寶瓶座”微波輻射計(jì)和散射計(jì)，NASA負(fù)責(zé)研制，由L頻段推掃式微波輻射計(jì)和L頻段微波散射計(jì)組成，用于獲取全球海面鹽度信息，并用于研究海洋環(huán)流。另外，SAC-D衛(wèi)星搭載的“Ka頻段微波輻射計(jì)”可以用來(lái)測(cè)量海面風(fēng)速以及海冰特征。SAC-D衛(wèi)星2011年6月10日發(fā)射，目前在軌運(yùn)行。

“雷達(dá)衛(wèi)星”（RADARSAT）是加拿大航天局（CSA）的成像雷達(dá)衛(wèi)星，主要用于地球環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源調(diào)查。RADARSAT衛(wèi)星系列目前已經(jīng)發(fā)射了RADARSAT-1和RADARSAT-2兩顆。RADARSAT-1/2衛(wèi)星的主載荷為“合成孔徑雷達(dá)”SAR，可用于海洋溢油和海冰的監(jiān)測(cè)。RADARSAT-1于1995年11月4日發(fā)射，1996年4月1日投入運(yùn)行；RADARSAT-2衛(wèi)星2007年12月14日發(fā)射，2008年4月24日投入運(yùn)行。

“X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)”（TerraSAR-X）是德國(guó)民用和商用高分辨率雷達(dá)成像衛(wèi)星，可以用海冰和溢油監(jiān)測(cè)。TerraSAR-X衛(wèi)星2007年6月15日發(fā)射。

3　海洋衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)

3.1提高觀測(cè)精度與時(shí)空分辨率始終是海洋衛(wèi)星發(fā)展方向

衛(wèi)星的觀測(cè)精度與時(shí)空分辨率是衡量衛(wèi)星觀測(cè)與應(yīng)用能力的重要指標(biāo)。日益增長(zhǎng)的海洋研究水平和海洋應(yīng)用能力對(duì)海洋衛(wèi)星觀測(cè)精度與時(shí)空分辨率提出了更高的要求，而遙感技術(shù)的進(jìn)步則不斷提高著上述指標(biāo)以滿足應(yīng)用需要，這一直是海洋衛(wèi)星的發(fā)展方向。在海洋要素的反演精度方面，主要海洋要素信息的反演精度：如葉綠素達(dá)到35%；海面溫度由1 K提高至0.3～0.5 K；衛(wèi)星測(cè)高精度由米級(jí)提高至2～3 cm；海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)精度中風(fēng)速優(yōu)于2 m/s，風(fēng)向優(yōu)于20°等，伴隨著海洋遙感技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的提高，海洋環(huán)境要素的觀測(cè)精度還會(huì)不斷提高。隨著電腦運(yùn)算能力的提高，海洋環(huán)境預(yù)報(bào)模式的空間網(wǎng)格越來(lái)越細(xì)，未分辨的海洋環(huán)境過(guò)程具有更精細(xì)的尺度，這對(duì)海洋遙感的空間分辨率提出了更高的要求，需要提供亞中尺度或更精細(xì)尺度以及高時(shí)效的海洋過(guò)程的觀測(cè)信息。這主要體現(xiàn)在以下主要海洋環(huán)境參數(shù)時(shí)空分辨率的提高上，如海面高度的觀測(cè)需要由目前的100 k m左右提高到10 k m，重復(fù)周期10 d；海面風(fēng)場(chǎng)由25 k m提高到3～25 k m，重復(fù)周期6 h；海面溫度由40 k m提高到1～2 k m，重復(fù)周期小于1 d；海洋水色信息由現(xiàn)在的1 k m提高到0.1～1 k m，重復(fù)周期15 min等［8］。

3.2定量遙感是海洋衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)

定量化應(yīng)用是海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)。由海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)生產(chǎn)的葉綠素、懸浮泥沙、海溫、海面高度、海面風(fēng)場(chǎng)、海浪場(chǎng)等遙感產(chǎn)品，都屬于定量化反演應(yīng)用的范疇。可靠完善的定標(biāo)技術(shù)和檢驗(yàn)手段是確保高質(zhì)量海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的關(guān)鍵。為此，在國(guó)際上海洋衛(wèi)星都建有定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)場(chǎng)，專(zhuān)門(mén)用于海洋遙感載荷的定標(biāo)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)，如用于雷達(dá)高度計(jì)絕對(duì)定標(biāo)的定標(biāo)場(chǎng)就有美國(guó)的Harvest石油平臺(tái)、法國(guó)南部的科西嘉島和希臘的加夫多斯島3個(gè)專(zhuān)用定標(biāo)場(chǎng)。同時(shí)，遙感載荷的星上定標(biāo)單元日益完善、外定標(biāo)技術(shù)日趨成熟，定標(biāo)精度不斷提高。

早期的海洋水色遙感器、雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)都沒(méi)有經(jīng)過(guò)定標(biāo)，雷達(dá)高度計(jì)衛(wèi)星也沒(méi)有精密定軌載荷，這些嚴(yán)重影響了海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)的應(yīng)用。目前典型的星載海洋遙感器定標(biāo)精度不斷提高，如海洋水色遙感器總幅亮度絕對(duì)定標(biāo)精度已優(yōu)于5%，雷達(dá)衛(wèi)星絕對(duì)輻射精度提升至1.0 dB，這保證了海洋衛(wèi)星定量化應(yīng)用進(jìn)一步的需求。

3.3積極發(fā)展新型海洋遙感載荷是海洋衛(wèi)星發(fā)展的重要推動(dòng)力

積極發(fā)展海洋遙感新型載荷是海洋衛(wèi)星發(fā)展的重要推動(dòng)力。世界各國(guó)都在積極發(fā)展海洋遙感載荷技術(shù)，使得海洋衛(wèi)星可觀測(cè)要素不斷增加，測(cè)量精度不斷提高，推動(dòng)拓展了衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，有力推動(dòng)了衛(wèi)星應(yīng)用水平的不斷提高［9］。

目前國(guó)際上列入發(fā)射計(jì)劃的海洋衛(wèi)星中，出現(xiàn)了一批新型海洋遙感載荷，例如，SWOT（Surface Water And Ocean Topography Mission）高度計(jì)衛(wèi)星，該衛(wèi)星的主載荷在傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)基礎(chǔ)上增加了高頻的Ka頻段雷達(dá)干涉儀，測(cè)高精度將達(dá)到1.5～3 cm，空間分辨率達(dá)到0.5～1 k m，因而SWOT既滿足了海洋動(dòng)力現(xiàn)象的高精度觀測(cè)，還能夠觀測(cè)陸地水體的變化，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)在觀測(cè)中尺度或亞中尺度海洋動(dòng)力現(xiàn)象中的不足。

加拿大RCM（Radarsat Constellation Mission）是對(duì)Radarsat-1/2衛(wèi)星后續(xù)任務(wù)計(jì)劃，將繼續(xù)為全球用戶提供C頻段SAR數(shù)據(jù)。RCM包含3顆衛(wèi)星，同一軌道面內(nèi)最多可擴(kuò)充到運(yùn)行6顆衛(wèi)星，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠適應(yīng)未來(lái)的應(yīng)用需求，并將顯著提高觀測(cè)的時(shí)空分辨率。在成像模式上，首次針對(duì)海冰/海面溢油、海上船舶觀測(cè)設(shè)計(jì)了專(zhuān)用工作模式，即低噪聲模式和船舶觀測(cè)模式，這將極大提升海洋目標(biāo)的觀測(cè)能力。

以上這些新載荷代表了今后海洋衛(wèi)星遙感發(fā)展的新趨勢(shì)，從目前國(guó)際上列入研制計(jì)劃的新型海洋遙感載荷的技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，今后技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

（1）星載雷達(dá)遙感器體積小型化，重量輕，電子部件低功耗；

（2）高頻段（尤其Ka頻段）高效、高功率發(fā)射機(jī)；微波遙感載荷向高頻、多頻、多極化等方向發(fā)展以及微波與光學(xué)遙感器的協(xié)同使用；

（3）星上數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)下傳能力進(jìn)一步提高；

（4）對(duì)于圓錐掃描模式遙感器采用6～12 m可伸展天線，提高載荷微波輻射遙感和散射遙感的分辨；

（5）針對(duì)不同空間尺度的海洋環(huán)境要素或海洋目標(biāo)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的工作模式；

（6）多角度、多譜段、多通道成像光譜儀，進(jìn)一步提高穩(wěn)定性、信噪比和大氣訂正能力；

（7）地球同步衛(wèi)星搭載海洋水色成像儀，對(duì)海岸生態(tài)信息進(jìn)行高頻次的動(dòng)態(tài)信息采集。

在開(kāi)發(fā)新型遙感載荷和技術(shù)不斷創(chuàng)新的同時(shí)，可采用穩(wěn)定可靠的多星組網(wǎng)方式來(lái)進(jìn)一步提高海洋要素觀測(cè)的時(shí)空分辨率。地面數(shù)據(jù)處理的高時(shí)效和高精度也是更好滿足實(shí)際應(yīng)用需求的關(guān)鍵。

4　展望

通過(guò)分析世界海洋衛(wèi)星發(fā)展歷程與趨勢(shì)可以看出，衛(wèi)星平臺(tái)、載荷技術(shù)、地面設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)不斷進(jìn)步，海洋遙感衛(wèi)星觀測(cè)的精度與時(shí)空分辨力不斷提高，衛(wèi)星數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用不斷深入。不斷出現(xiàn)的新型海洋遙感載荷，將具備更快、更精確獲取更大范圍、更多種海洋觀測(cè)信息的能力。

隨著海洋對(duì)全球氣候和環(huán)境的影響越來(lái)越受到重視，對(duì)世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)、軍事的影響越來(lái)越密切，世界各國(guó)對(duì)海洋衛(wèi)星的投入不斷加大，可以預(yù)見(jiàn)海洋衛(wèi)星遙感未來(lái)將獲得更大的發(fā)展空間，取得更顯著的應(yīng)用成果。

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The development course and trend of ocean remote sensing satellite

Lin Mingsen1，Zhang Youguang1，Yuan Xinzhe1

（1.National Satellite Ocean Application Service，Beijing100081，China）

The ocean is an importantfield ofthe earth-observing satell ites and which have some special ocean remote sensing satell ite in the earth-observing satell ites.The ocean remote sensing satell ite can obtain ocean color and ocean dynamic environ mentalinformation by using optical and microwave sensors on satell ites.The ocean satell ite can make up for thelack for the traditional marine observation and which can help to deepen hu man to understanding of ocean on the basis of observation of some remote sensors.Ocean satell ites have playing an important rolein preventing and reducing marine hazards，resource develop ment，marine rights，and marine ecological and environmental protection and so on.This paper has a detai led su m mary on develop ment course of domestic and overseas ocean satell ite and which has a discussion on the develop ment trend ofthe future ocean satell ite.In this paper，some discussion and suggestion can provide reference for our country's develop ment of ocean satell ite.

ocean remote sensing satell ite；earth-observing satell ites；develop ment course；develop ment trend

TP79

A

0253-4193（2015）01-0001-10

2014-10-04；

2014-10-26。

科技部《創(chuàng)新方法工作專(zhuān)項(xiàng)》—海洋科學(xué)創(chuàng)新方法研究”項(xiàng)目資助（2011IM010700）；國(guó)家基金委聯(lián)合基金項(xiàng)目——海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)和數(shù)值模擬——海洋遙感觀測(cè)技術(shù)發(fā)展（U1406404）。

林明森（1963—），男，福建省莆田市人，主要從事海洋遙感技術(shù)研究。E-mai l：msl in@mai l.nsoas.gov.cn