● 文 |航天東方紅衛(wèi)星有限公司 張可立 白照廣 王麗麗

一、引言

海洋占全球面積70%以上，蘊(yùn)含著豐富的資源，對(duì)人類生存與發(fā)展具有巨大的影響，伴隨著人類科學(xué)水平的不斷進(jìn)步，針對(duì)全球海洋環(huán)境、海洋資源的觀測(cè)與探索也在不斷開(kāi)展當(dāng)中。從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，借助于衛(wèi)星大幅寬、高時(shí)效特點(diǎn)的空間海洋遙感觀測(cè)成為人類探索海洋信息的重要手段，美國(guó)、歐洲、俄羅斯等世界主要航天國(guó)家或地區(qū)，在海洋衛(wèi)星領(lǐng)域不斷發(fā)展，目前已具備相當(dāng)高的水平。

全球海洋觀測(cè)根據(jù)不同觀測(cè)要素可分為水色觀測(cè)、動(dòng)力學(xué)觀測(cè)和海洋監(jiān)測(cè)三大領(lǐng)域。其中海洋水色觀測(cè)領(lǐng)域主要通過(guò)獲取全球海洋的水體光譜、溫度等特性，反演獲取海洋水體葉綠素、懸浮顆粒物、有機(jī)物濃度等信息，應(yīng)用于海洋資源調(diào)查、污染監(jiān)控、海溫預(yù)報(bào)、赤潮、綠潮調(diào)查、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、海冰監(jiān)測(cè)、海岸帶植被監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。我國(guó)于2002年、2007年陸續(xù)發(fā)射了海洋一號(hào)衛(wèi)星A星（HY-1A）和海洋一號(hào)衛(wèi)星B星（HY-1B）2顆海洋水色遙感衛(wèi)星，取得了豐富的科研成果和重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)于海洋權(quán)益保護(hù)、海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)和海洋環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的作用日益重視，十七大報(bào)告中明確提出“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略，十八大報(bào)告中更是提出了“加快海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)”的奮斗目標(biāo)。為與國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)、“一帶一路”建設(shè)目標(biāo)相匹配，在“十三五”期間我國(guó)海洋遙感衛(wèi)星領(lǐng)域快速發(fā)展。不久的將來(lái)，我國(guó)后續(xù)新型海洋遙感衛(wèi)星將陸續(xù)入軌服役，將進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)海洋水色遙感業(yè)務(wù)化、連續(xù)化能力，提升我國(guó)海洋遙感水平發(fā)展。

二、海洋水色遙感的特點(diǎn)

自然界中，水體表面反射率水平較低，以最大反射率波段綠光波段為例，一類水體反射率大都小于5%。水體反射太陽(yáng)輻射后攜帶水體次表層信息，受到大氣的吸收、散射和路徑輻射等影響，進(jìn)入衛(wèi)星載荷視場(chǎng)并成為最終遙感器獲取的輻射信息，此時(shí)的水體信息夾雜大氣路徑輻射，水體信息較弱，因此海洋水色遙感必須確保良好的成像質(zhì)量，才能夠滿足定量化應(yīng)用的需求。海洋水色遙感具有如下的技術(shù)特點(diǎn)：

1）高信噪比。由于水體較低的反射率特性，水色載荷必須具備高輻射靈敏度特性，高信噪比特性，才能更為準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出水體輻射能量的變化特性。

2）窄譜段、精準(zhǔn)的光譜響應(yīng)標(biāo)定。水體光譜曲線特性決定了其特征峰對(duì)應(yīng)波段寬度較窄，為識(shí)別出這些特征，要求水色載荷的波段設(shè)置譜段較窄。因此，在進(jìn)行水色載荷設(shè)置時(shí)必須嚴(yán)格把控光譜分辨率指標(biāo)以及波段穩(wěn)定特性。

3）準(zhǔn)確的輻射定標(biāo)精度。進(jìn)入海洋水色遙感載荷入瞳處的輻射能量中水體信息只占到10%左右，很大一部分來(lái)自大氣路徑輻射以及水體輻射經(jīng)大氣作用后的能量。因此，為避免水體信息淹沒(méi)于輻射定標(biāo)信息誤差中，對(duì)輻射定標(biāo)精度有著嚴(yán)格的要求。

4）低偏振靈敏度。 太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)水體表面鏡面反射、大氣輻射傳輸路徑中的多次散射，到達(dá)水色載荷入瞳處的輻射具備明顯的偏振特性。因此，要求水色載荷偏振靈敏度盡可能低，以避免儀器本身產(chǎn)生的輻射能量誤差。

5）低雜散光影響。水色載荷在進(jìn)行水體觀測(cè)時(shí)，在其光路設(shè)計(jì)中可能會(huì)有雜散光進(jìn)入視場(chǎng)內(nèi)，這些雜散光會(huì)使得載荷觀測(cè)輻亮度與實(shí)際目標(biāo)真實(shí)輻亮度之間存在差異。因此，相比陸地觀測(cè)載荷來(lái)說(shuō)，水色載荷必須做到更低的雜散光值，在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行嚴(yán)格的雜光抑制設(shè)計(jì)。

6）高動(dòng)態(tài)范圍，具備飽和恢復(fù)能力。為觀測(cè)低反射率變化的水體特性，水色載荷通常具備高靈敏度特性，然而受云、陸地亮目標(biāo)的影響，高靈敏度的水色載荷在這些地區(qū)容易飽和，因此載荷應(yīng)具較高的動(dòng)態(tài)范圍和快速飽和恢復(fù)能力，減少云層對(duì)相鄰水體觀測(cè)要素的影響。

7）快速重訪的能力。海洋水體是四維動(dòng)態(tài)變化的被觀測(cè)對(duì)象，為及時(shí)獲取海洋水色、水溫等觀測(cè)要素信息，要求水色遙感載荷應(yīng)通過(guò)大幅寬設(shè)計(jì)滿足快速覆蓋能力，或通過(guò)靈活的機(jī)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)對(duì)某些特定區(qū)域的快速重訪能力，同時(shí)還應(yīng)通過(guò)組網(wǎng)等方式，實(shí)現(xiàn)不同光照條件下的海洋水色數(shù)據(jù)的獲取能力。

三、國(guó)內(nèi)海洋水色遙感衛(wèi)星發(fā)展回顧

我國(guó)海洋水色遙感衛(wèi)星的發(fā)展起步于上世紀(jì)90年代。1997年6月，我國(guó)第一顆海洋衛(wèi)星——海洋一號(hào)正式立項(xiàng)。該衛(wèi)星作為試驗(yàn)型業(yè)務(wù)衛(wèi)星，采用了當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)的CAST968小衛(wèi)星平臺(tái)，有效載荷包括1臺(tái)10譜段海洋水色掃描儀和1臺(tái)4譜段海岸帶成像儀，其中水色掃描儀采用45°掃描鏡+K鏡消旋+4元探測(cè)器并掃+機(jī)械制冷技術(shù)，海岸帶成像儀采用4譜段分鏡頭方案，衛(wèi)星運(yùn)行在798km的太陽(yáng)準(zhǔn)同步軌道上，可實(shí)現(xiàn)全球海洋水色數(shù)據(jù)3天獲取的能力，其總體技術(shù)指標(biāo)與當(dāng)時(shí)國(guó)際同類水色遙感衛(wèi)星相當(dāng)。2002年5月15日，HY-1A衛(wèi)星順利發(fā)射升空，至此結(jié)束了中國(guó)沒(méi)有海洋衛(wèi)星的歷史。衛(wèi)星在軌運(yùn)行685天，成像約1900軌。期間獲取的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)在海洋資源開(kāi)發(fā)與管理、海洋環(huán)境保護(hù)與災(zāi)害預(yù)警、海洋科學(xué)研究及國(guó)際與地區(qū)間海洋合作等多個(gè)領(lǐng)域取得了可喜的成果。

2005年7月，作為HY-1A的業(yè)務(wù)星，HY-1B衛(wèi)星正式立項(xiàng)。2007年4月11日，HY-1B衛(wèi)星成功發(fā)射。HY-1B衛(wèi)星相對(duì)A星將水色儀觀測(cè)幅寬增加到3000km，使得衛(wèi)星重復(fù)觀測(cè)周期由3天提升到1天，海岸帶成像儀光譜分辨率也由80nm提升至20nm，水色光譜信息更加精細(xì)，使得衛(wèi)星遙感圖像中水色層次更加豐富，成像質(zhì)量明顯好于A星。HY-1B衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行了8年10個(gè)月，超期服役5年10個(gè)月。在軌期間衛(wèi)星共成像19233軌，水色掃描儀紅外波段通道累計(jì)工作約6800h，可見(jiàn)光波段通道累計(jì)成像約3400h，海岸帶成像儀累計(jì)成像約2370h。地面應(yīng)用系統(tǒng)共獲取衛(wèi)星采集的原始數(shù)據(jù)8.84TB，生產(chǎn)各級(jí)各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品達(dá)65.5TB。向海洋管理部門(mén)、科研院所、大專院校、業(yè)務(wù)部門(mén)以及美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）等國(guó)外研究機(jī)構(gòu)共50家單位進(jìn)行分發(fā)，累計(jì)分發(fā)數(shù)據(jù)量達(dá)86.57TB。HY-1B衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)行期間所獲取的海洋遙感數(shù)據(jù)在海洋資源開(kāi)發(fā)與管理、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、海洋科學(xué)研究和國(guó)際與地區(qū)合作等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，發(fā)揮了積極作用。

HY-1B衛(wèi)星發(fā)射后，我國(guó)近10年來(lái)沒(méi)有再發(fā)射海洋水色遙感領(lǐng)域?qū)Ｓ眯l(wèi)星。隨著HY-1B衛(wèi)星2016年的退役，我國(guó)國(guó)產(chǎn)海洋水色遙感業(yè)務(wù)已經(jīng)斷檔，且國(guó)產(chǎn)化海洋水色遙感數(shù)據(jù)與目前國(guó)際先進(jìn)海洋遙感產(chǎn)品的水平存在一定差距，新型國(guó)產(chǎn)海洋水色衛(wèi)星的研制勢(shì)在必行。為此在“十三五”期間，我國(guó)規(guī)劃發(fā)展了兩型專用海洋水色遙感衛(wèi)星，一型是為了盡快解決國(guó)產(chǎn)海洋遙感業(yè)務(wù)無(wú)星可用處境而研制的后續(xù)業(yè)務(wù)星，另一型是為實(shí)現(xiàn)我國(guó)國(guó)產(chǎn)水色衛(wèi)星技術(shù)性能和應(yīng)用能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平而研制的新一代海洋水色觀測(cè)衛(wèi)星。

四、我國(guó)海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

HY-1B衛(wèi)星的后續(xù)業(yè)務(wù)星（見(jiàn)圖1），其研制目的有兩個(gè)，一是要接替已退役的HY-1B衛(wèi)星，盡快滿足國(guó)產(chǎn)化海洋水色遙感業(yè)務(wù)連續(xù)性觀測(cè)需求；二是針對(duì)業(yè)務(wù)化和定量化應(yīng)用進(jìn)行能力提升。

業(yè)務(wù)衛(wèi)星采用了CAST2000小衛(wèi)星平臺(tái)，兩顆星上下午組網(wǎng)運(yùn)行，單顆衛(wèi)星配置了水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀、紫外成像儀和定標(biāo)光譜儀等4臺(tái)光學(xué)載荷和1臺(tái)AIS接收機(jī)載荷。相對(duì)HY-1B衛(wèi)星，業(yè)務(wù)衛(wèi)星的研制具有如下特點(diǎn)：

1）優(yōu)化了軌道設(shè)計(jì)，海岸帶成像儀重訪周期從7天提高到3天，采用水色水溫掃描儀全球全天時(shí)開(kāi)機(jī)和雙星組網(wǎng)等方式，提升全球覆蓋能力和數(shù)據(jù)獲取能力；

2）水色水溫掃描儀基本指標(biāo)不變，但海岸帶成像儀在幅寬增加的同時(shí)，分辨率從250m提升至50m；

3）增加星上定標(biāo)與紫外成像能力，具備從紫外、可見(jiàn)光到紅外譜段的多光譜成像能力，采用同平臺(tái)在軌交叉定標(biāo)的方式提升載荷定標(biāo)精度；

4）配置AIS系統(tǒng)，可提供多方位的海洋監(jiān)測(cè)與管理手段；

5）具備±20°俯仰成像能力，有效減小太陽(yáng)耀斑的影響；

6）壽命提升到5年，多種安全模式的設(shè)計(jì)，保證衛(wèi)星在軌長(zhǎng)期、穩(wěn)定工作。

HY-1B衛(wèi)星的后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星于2016年6月正式立項(xiàng)，目前正在緊張的研制過(guò)程當(dāng)中，計(jì)劃2018年發(fā)射。衛(wèi)星的發(fā)射在盡快填補(bǔ)我國(guó)國(guó)產(chǎn)化海洋水色業(yè)務(wù)斷檔的同時(shí)，衛(wèi)星成像質(zhì)量、成像能力相比HY-1B衛(wèi)星也將有進(jìn)一步的提升。

五、我國(guó)海洋水色遙感衛(wèi)星后續(xù)發(fā)展

為使我國(guó)海洋水色綜合探測(cè)能力和水色產(chǎn)品應(yīng)用等方面實(shí)現(xiàn)跨越式提升并躋身國(guó)際領(lǐng)先水平，2016年我國(guó)正式啟動(dòng)了新一代海洋水色觀測(cè)衛(wèi)星（見(jiàn)圖2）的論證和預(yù)研工作。衛(wèi)星總體和用戶瞄準(zhǔn)國(guó)際海洋觀測(cè)領(lǐng)域前沿，以IOCCG推薦觀測(cè)指標(biāo)為藍(lán)本，確定了整星工程目標(biāo)和載荷配置、主要技術(shù)指標(biāo)。衛(wèi)星配置了新一代望遠(yuǎn)系統(tǒng)整體旋轉(zhuǎn)式水色水溫掃描儀、具備在軌譜段可編程能力的中分可編程成像光譜儀以及分辨率更高的新型海岸帶成像儀，是一顆指標(biāo)全新定義、設(shè)計(jì)升級(jí)換代、功能全面提升的海洋水色專用遙感衛(wèi)星，其先進(jìn)性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）水色遙感產(chǎn)品種類更加全面、豐富。衛(wèi)星可輸出40余個(gè)不同水色遙感波段，全面覆蓋了從紫外到中/長(zhǎng)波紅外所有水色遙感相關(guān)波段，并增加了熒光峰、分裂窗及多種大氣校正波段；具備在軌譜段編程能力，可獲取全球海洋水體連續(xù)光譜信息，同時(shí)還可獲得大氣、植被、污染物等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，探測(cè)領(lǐng)域可覆蓋全球各類水體目標(biāo)，服務(wù)用戶從單一海洋用戶拓展到海洋、國(guó)土、環(huán)保、大氣、交通等多用戶，產(chǎn)品應(yīng)用廣度和深度跨越式提升。

2）水色遙感產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)據(jù)獲取能力成倍提升。新一代海洋水色觀測(cè)衛(wèi)星載荷采用了望遠(yuǎn)系統(tǒng)整體旋轉(zhuǎn)技術(shù)、在軌波段可編程技術(shù)、低雜光低偏振光學(xué)系統(tǒng)、高靈敏度國(guó)產(chǎn)化探測(cè)器等多項(xiàng)全新的載荷設(shè)計(jì)技術(shù)，衛(wèi)星的信噪比、偏振靈敏度、雜光抑制、動(dòng)態(tài)范圍等海洋探測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)大幅提升，同時(shí)首次具備了在軌全光路太陽(yáng)定標(biāo)功能，使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。同時(shí)探測(cè)能力大幅提升，載荷數(shù)據(jù)下傳量是HY-1B衛(wèi)星的100倍，海洋一號(hào)業(yè)務(wù)星的3倍，使我國(guó)水色遙感信息獲取能力跨越式提升。

3）綜合技術(shù)指標(biāo)同步國(guó)際水平。衛(wèi)星在譜段配置、載荷信噪比、光譜范圍與光譜分辨率、在軌定標(biāo)精度等方面與美國(guó)國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)（NPOESS）、哨兵-3A（SENTINEL-3A）等衛(wèi)星指標(biāo)相當(dāng)，衛(wèi)星綜合應(yīng)用能力優(yōu)于國(guó)際同類衛(wèi)星。

六、結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)海洋水色遙感衛(wèi)星從無(wú)到有，至今已走過(guò)近20年歷程，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)衛(wèi)星海洋遙感的跨越式發(fā)展，走出了具有中國(guó)特色的道路。展望未來(lái)，隨著后續(xù)包括海洋水色在內(nèi)的多個(gè)系列海洋衛(wèi)星的研制和投入應(yīng)用，我國(guó)海洋衛(wèi)星技術(shù)和海洋衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)將得到飛速發(fā)展，并有望達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，將對(duì)實(shí)現(xiàn)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)目標(biāo)發(fā)揮重大作用。

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