◎蔣興偉院士

2019年11月15日，在長沙舉辦的第十九期錢學森論壇上，中國工程院院士蔣興偉作了題為《發(fā)展海洋衛(wèi)星組網觀測 助力海洋強國建設》的主題報告，介紹了我國海洋衛(wèi)星的規(guī)劃和發(fā)展現狀，以及衛(wèi)星在海洋遙感監(jiān)測中的實踐應用，指出海洋衛(wèi)星與地面應用系統(tǒng)急需協(xié)同發(fā)展，海洋遙感必將在新時代海洋強國建設中發(fā)揮重要作用。本文由《網信軍民融合》雜志根據現場演講整理。

黨的十九大報告指出“堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設海洋強國”。加快海洋強國建設要有抓手，有技術支撐。海洋衛(wèi)星能快速覆蓋全球海洋，而且能夠進行大量多要素的探測，以其高、快、寬、全的優(yōu)勢，成為不可替代的有效掌握海洋環(huán)境信息的高技術手段，在海洋強國建設中發(fā)揮著重要作用。我國海洋衛(wèi)星從90年代開始立項，到2002年第一顆海洋衛(wèi)星首發(fā)后進入了發(fā)展快車道。海洋衛(wèi)星已成為服務海洋強國建設、拓展藍色經濟空間、維護國家海洋權益、推進海洋高新技術發(fā)展中有力的技術支撐，是當前和今后海洋前沿技術的主要領域。

一、海洋衛(wèi)星規(guī)劃

蔣興偉院士

2012年3月，國務院正式批復了《陸海觀測衛(wèi)星業(yè)務發(fā)展規(guī)劃（2011年-2020年）》，該規(guī)劃確定在“十二五”和“十三五”期間，將發(fā)射8顆海洋業(yè)務衛(wèi)星。2015年10月，國務院同意印發(fā)的《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》中包括15+2顆海洋系列觀測衛(wèi)星，其中15顆是海洋系列衛(wèi)星，還有2顆雷達衛(wèi)星是陸海公用的。

按照規(guī)劃中的2015-2025年我國海洋衛(wèi)星發(fā)展路線圖，在空間基礎設施里規(guī)劃了三個系列的海洋衛(wèi)星，海洋一號系列是利用光學（包括可見光和紅外技術）探測海洋水色水溫的衛(wèi)星。海洋二號系列是運用微波遙感技術探測海洋動力環(huán)境的衛(wèi)星，海洋三號系列是實現海上目標監(jiān)視的海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星。三個系列的衛(wèi)星都已經開始在軌運行。

從2002年開始，我國發(fā)射了第一顆海洋衛(wèi)星（海洋一號A衛(wèi)星），解決了有無海洋衛(wèi)星的問題，開啟了我國逐步發(fā)展成為海洋衛(wèi)星大國的歷程。去年，從9月到10月，在不到兩個月的時間里，我國密集發(fā)射了三顆海洋衛(wèi)星，這在我國是前所未有的，在國際上也是不多見的。其中，前兩顆是準備進行組網的海洋系列衛(wèi)星，9月份發(fā)射了第一顆海洋業(yè)務衛(wèi)星海洋一號C衛(wèi)星，10月發(fā)射的海洋2號B衛(wèi)星則是動力環(huán)境衛(wèi)星系列的首顆業(yè)務衛(wèi)星。第三顆是中法海洋衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星帶著兩個目前國際上最先進的載荷，一個是海洋波譜儀，一個是用于探測海洋風場的最新體制海洋散射計，代表了世界前沿載荷技術。這是一個成功的國際合作范例，對此，馬克龍總統(tǒng)和習近平主席互致賀電，這顆衛(wèi)星在軌測試以后現在也投入了我國和全球海洋業(yè)務的衛(wèi)星運行。這就是我國海洋衛(wèi)星發(fā)展的基本脈絡。

二、衛(wèi)星在海洋監(jiān)測中的應用

在海洋生態(tài)調查、海洋漁業(yè)資源服務、海洋防災減災、海洋環(huán)境保護，以及海島海岸帶調查、海域使用動態(tài)調查、海洋執(zhí)法與權益保護，特別是在海洋軍事應用和全球變化探測等領域，海洋衛(wèi)星都發(fā)揮了非常重要的作用。海洋衛(wèi)星在這些領域的應用，為我國家應對氣候變化和全球海洋變化提供了業(yè)務化產品。下面介紹一些應用案例。

（一）臺風監(jiān)測

發(fā)射海洋二號衛(wèi)星以后，將海洋二號衛(wèi)星和風云衛(wèi)星的云圖疊加，可以顯示臺風中心的位置。風云衛(wèi)星的云圖只能構造海洋云的狀態(tài)，想要了解臺風的結構，需要精細化測量海洋的風場和矢量場。帶有散射計的海洋二號衛(wèi)星上天以后，就能測得風速的大小和方向，精細地描繪臺風風場的結構。特別是在臺風初期，還沒有形成臺風眼的時候，進行氣象預報時從云圖很難判斷臺風的中心位置，但是有了散射計以后，能夠精確描述臺風的風場并確定臺風中心。這些產品現在已經成為臺風出現以后氣象海洋環(huán)境會商不可或缺的東西。以2018年的臺風“玉兔”為例，因為衛(wèi)星的散射計具有1350公里的幅寬，是目前國際上在軌運行海洋衛(wèi)星中風場覆蓋最寬的，可以覆蓋整個臺風場的范圍，精細描述臺風風場結構和狀況。2019年的超強臺風“利奇馬”，海洋二號衛(wèi)星從8月6號到8號用散射計進行了連續(xù)跟蹤觀測。這種精細化的臺風矢量場數據，可以為海洋氣象提供很好的數據場，為氣象預報的精度和實效作出很好的貢獻。再如，2018年第19號臺風“蘇力”，使用多顆不同的在軌衛(wèi)星聯(lián)合進行臺風監(jiān)測，包括海洋二號、我國的風云系列衛(wèi)星、高分衛(wèi)星和國際上的METOP。由于海洋二號衛(wèi)星散射計具有1350公里的幅寬，而目前國際上另一個衛(wèi)星的散射計幅寬只有650公里，因此，我國提供的風場幅寬大、精度高。國際上對我國衛(wèi)星的散射計給予了非常高的評價，這對進入到國際海洋大氣系統(tǒng)以后提供全球服務奠定了基礎。

（二）風場監(jiān)測

除臺風監(jiān)測之外，海洋衛(wèi)星與雷達衛(wèi)星數據結合可以監(jiān)測風場精細結構。海洋衛(wèi)星散射計的優(yōu)勢是可以進行寬幅掃描，但它的劣勢是近岸的時候會受到后角散射，使得鏡像的精度不是很高。但高分三號衛(wèi)星上SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達）的數據可以反演近岸精細的海面風場結構，如果和海洋衛(wèi)星散射計的掃描的風場匹配起來，就能夠形成從近海到遠海海面散射風場的全覆蓋。這種反演方式得到的數據同歐洲ECMWF數值模式長期觀測的風場數據產品相比較，精度有很好的一致性，也就是說，我國在軌衛(wèi)星監(jiān)測風場的精度非常高。

（三）海冰監(jiān)測

我國是世界上不多的在渤海這個緯度上有海冰的國家，而且有很多海上石油平臺。在冬季，海冰對海上的石油平臺和石油管道是有威脅的，所以我們將海洋衛(wèi)星監(jiān)測跟數字預報結合起來，在電視上發(fā)布海冰的預警報，為海冰監(jiān)測提供支撐。對衛(wèi)星數據進行反演，可以得到海冰的分布范圍、外延線、密集度和厚度，通過現場海冰調查的檢驗和核準，為今后的業(yè)務化提供支撐。

（四）海洋環(huán)境監(jiān)測預報

海洋二號衛(wèi)星通過全天候、全天時對全球海域進行的連續(xù)觀測，獲取海表溫度、海面風場、海面高度和有效波高等數據，向各級海洋預報部門進行了實時分發(fā)，海洋預報部門利用衛(wèi)星資料進行數值預報改善初始場。據初步統(tǒng)計，通過海洋二號衛(wèi)星數據的應用，可有效提高預報精度5%-10%，能夠發(fā)布24小時甚至48小時的海冰預報。這是一個很大的跨越和進步。而且海洋衛(wèi)星具有全球覆蓋的優(yōu)勢，每天繞地球14圈，可以覆蓋全球的各個大洋并提供監(jiān)測預報服務。利用海洋衛(wèi)星的監(jiān)測數據，可以獲得不同季節(jié)、不同月份、不同周的溫度場變化，結合數據預報系統(tǒng)可以發(fā)布整個監(jiān)測海域海溫的預報。

第十九期錢學森論壇現場

（五）海上溢油監(jiān)測

2018年春季，在東海發(fā)生了“桑吉”輪溢油事件。到7月份，我們利用300多景的SAR數據和其他在軌衛(wèi)星的數據，全程跟進“桑吉”輪爆炸的過程，共發(fā)布117期報告，為海上溢油監(jiān)測提供很好的備份場數據，也為預報溢油的漂移、風向和控制面積提供了很好的支撐，用衛(wèi)星遙感的數據為海上溢油控制和溢油清理做出了很好的業(yè)務化支撐。

（六）綠潮/赤潮監(jiān)測

在青島奧帆賽的時候爆發(fā)了滸苔，我們從那時候開始做滸苔的實時預報。當時調用了17顆在軌衛(wèi)星，監(jiān)測海上滸苔的爆發(fā)、分布情況、面積和移動方向，以應對滸苔爆發(fā)，支撐奧帆賽活動的順利進行。從那開始到現在，每年進入5月份以后，我們都會進行滸苔的跟蹤監(jiān)測，發(fā)布快速遙感的預報監(jiān)測場景，為應對滸苔災害提供業(yè)務化支撐。

（七）海洋漁業(yè)資源

使用海洋光學衛(wèi)星探測葉綠素和滸苔，結合海洋2號衛(wèi)星微波遙感的海面高度和海面風場數據，從而發(fā)布大洋漁場的快速預報。我國現在具備了三大洋17個大洋漁場的預報能力，預報大大提高了漁獲量。此前我國都是買國外的漁場預報產品，像法國、日本的一些漁場遙感衛(wèi)星數據。我國的海洋衛(wèi)星上天以后，利用自主海洋衛(wèi)星，結合北斗衛(wèi)星的導航定位和短報文能力、廣播通信衛(wèi)星的廣播通信能力，已經實現了導航定位、廣播通信以及衛(wèi)星遙感數據產品的在線服務，為大洋漁場提供了很好的數據服務。海洋衛(wèi)星團隊跟上海海洋大學、農業(yè)部聯(lián)合制作了快速報產品，每周向行駛在全球大洋的捕撈船隊提供服務。發(fā)改委也連續(xù)資助了海洋衛(wèi)星產業(yè)化的項目，支持發(fā)展海洋衛(wèi)星的數據產品，包括衛(wèi)星監(jiān)測數據，并把它通過廣播和短報文的形式傳送到大洋上進行遠洋作業(yè)的船只，服務于大洋漁業(yè)資源捕撈。

（八）海洋風能資源評估

以衛(wèi)星遙感為主，開展中國海風資源分布狀況及風能資源儲量調查，為未來建設海上風電站建設提供評估和決策依據。

（九）極地環(huán)境監(jiān)測

全球氣候變化帶來了海冰融化的問題，極地海冰融化是目前全球氣候變化中非常值得關注的熱門話題。特別是在北極，現在北極的海冰融化已經使得原來不能通航的一些水道和海峽可以通航了。如果北極能夠實現通航的話，可以分擔我國很多原來通過馬六甲海峽南端的航線，是一項戰(zhàn)略前沿的工作。我國的極地考察船“雪龍?zhí)枴痹谀蠘O的時候也遇到過被凍到冰里的情況，現在利用衛(wèi)星做極地環(huán)境監(jiān)測，也是為了便利南極科考。北極商業(yè)航線和南極考察都需要業(yè)務化海洋環(huán)境保障，海洋動力環(huán)境衛(wèi)星可提供極地航線上西風帶的大風速和浪高信息，為極地航行提供保障。根據監(jiān)測到的2013-2017年北極區(qū)域海冰范圍變化，北極海冰范圍均遠低于1981-2010年30年的平均值，其中在2017年北極海冰面積達到歷史最小。南極的海冰也存在融化現象，目前也在進行連續(xù)監(jiān)測，但沒有北極地區(qū)縮得那么可怕。但是南極冰蓋大家都非常關注，如果上千米的南極冰蓋都融化的話，對世界是滅頂之災，所以現在也利用衛(wèi)星遙感對南極海冰進行全年監(jiān)測。

（十）自主衛(wèi)星全球海洋動力環(huán)境監(jiān)測

利用海洋動力衛(wèi)星每天能夠覆蓋全球90%以上大洋的能力，來進行海面的高度、風場和波高的監(jiān)測，為行駛在大洋上的所有艦船活動提供服務。海洋2號衛(wèi)星上天以后，通過精確校準，現在精密定軌精度達到2-3厘米，海面高度測量精度從海洋一號衛(wèi)星的優(yōu)于10厘米提升到去年發(fā)射海洋二號衛(wèi)星后的優(yōu)于5厘米。通過發(fā)射海洋2號衛(wèi)星，我國海面高度監(jiān)測、全球精確定軌的精度已經達到了厘米級。

（十一）自主衛(wèi)星全球水色環(huán)境監(jiān)測

每天衛(wèi)星繞地球14圈多，5分鐘一景，全球一天288景，連續(xù)開機觀測全球海洋水質。通過探測全球主要海域中的葉綠素分布，反演海洋初級生產力，密切關注全球的生物資源和漁業(yè)資源。

三、海洋衛(wèi)星組網發(fā)展

上述的海洋衛(wèi)星能力還不足以完全支撐海洋衛(wèi)星的業(yè)務化，最關鍵的因素是要完成三個系列海洋衛(wèi)星的組網工作。第一個組網系列是海洋水色衛(wèi)星，由海洋一號C衛(wèi)星和D衛(wèi)星進行雙星組網運行。今年原本準備發(fā)射海洋一號D衛(wèi)星，但是由于一些其他原因現在推遲發(fā)射。一旦發(fā)射成功以后，兩顆衛(wèi)星組成上下午星，海洋一號C衛(wèi)星是上午10點半的窗口，海洋一號D衛(wèi)星是下午1點半的窗口。第二個系列是海洋動力衛(wèi)星。將在明年由兩顆極軌衛(wèi)星、一顆傾斜軌道衛(wèi)星，共三顆海洋動力衛(wèi)星以“2+1”的形式進行組網。第三個系列是海洋監(jiān)視衛(wèi)星，由現在在軌運行的高分三號，以及預計在2020年底或者2021年發(fā)射的海洋三號A衛(wèi)星和B衛(wèi)星兩顆雷達衛(wèi)星進行組網，形成三顆衛(wèi)星的海洋星座。

海洋一號C衛(wèi)星去年已經發(fā)射成功，它的載荷除了海洋水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀以外，還包括覆蓋兩個波段的紫外成像與星上定標傳感器、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）。其中，紫外成像與星上定標傳感器是第一次搭載在我國的海洋遙感衛(wèi)星上。這顆衛(wèi)星發(fā)射成功后，水色水溫掃描儀生成了全球海域的海洋水色信息產品，水色信息層次非常豐富，這是因為海洋遙感衛(wèi)星數據的高定量化、高信噪比、高靈敏度。與陸地氣象不同，探測海洋的電磁波信號能量只有探測陸地大氣的10%，在10%的能量里定量化提取信息要求衛(wèi)星載荷的信噪比非常高。此外，水色水溫掃描儀還監(jiān)測了渤黃海區(qū)域、非洲西部、日本海、澳大利亞西北部等海域的葉綠素濃度，通過葉綠素可看出水體的渦旋結構信息。海岸帶成像儀則可以監(jiān)測火山的活動，例如，日本火山的燃燒情況，也可以探測沿海的一些人工建筑物，包括監(jiān)控海上開發(fā)圍填海的狀況。在出現堰塞湖的時候，也可以利用海洋衛(wèi)星探測整個堰塞湖的態(tài)勢，為應急部提供支撐服務。船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）能夠監(jiān)測全球海洋船只活動情況，識別船只類型，為今后的“一帶一路”提供支撐。

海洋二號系列衛(wèi)星是微波遙感的海洋動力環(huán)境系列衛(wèi)星，通過高度計、散射計和輻射計，監(jiān)測全球海洋動力環(huán)境參數，包括海面風場、海面高度、有效波高、海面溫度等。目前，海洋二號系列已經發(fā)射了A衛(wèi)星和B衛(wèi)星，未來發(fā)射C衛(wèi)星后將組網運行。海洋二號衛(wèi)星的主要載荷也包括船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）和數據收集系統(tǒng)（DCS），這兩個系統(tǒng)并不是遙感載荷，而是用于數據收集，為今后監(jiān)測全球海上船舶和浮標提供支撐。海洋二號衛(wèi)星上還有微波散射計、掃描微波輻射計、雷達高度計、校正微波輻射計等載荷。其中，微波散射計用于監(jiān)測全球風場和臺風，高度計用于觀測全球海面高度和波高，海面高度的精度已經優(yōu)于5厘米，海面有效波高精度達到0.5米以上。掃描微波輻射計用于觀測全天候全球海溫，與光學輻射計相比有利于進行持續(xù)觀測。

中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）是中法兩國合作研制的首顆衛(wèi)星，將主要用于海洋動力環(huán)境監(jiān)測。中方負責提供衛(wèi)星平臺、海風觀測載荷以及發(fā)射測控，法方負責提供海浪觀測載荷，衛(wèi)星探測數據雙方共享，將為海上船只航行安全、海洋防災減災、海洋資源調查提供服務保障。海風觀測載荷是微波散射計，對全球風場進行扇形掃描，風場結構精度提高，能得到最精細的海面風場數據。海浪觀測載荷是星載波譜儀，得到波浪譜，得到波高、波長和波浪方向信息。衛(wèi)星通過風浪的聯(lián)合探測，可以提供最好的海況業(yè)務化支撐。

四、總結

雖然我們具有了海洋衛(wèi)星組網的能力，但是機遇和挑戰(zhàn)也是并存的。機遇是空間基礎設施建設形成了覆蓋全球的海洋衛(wèi)星星座，挑戰(zhàn)是如何讓產品實現高精度和高穩(wěn)定度，這是今后的主攻方向之一。目前，衛(wèi)星與地面應用系統(tǒng)迫切需要協(xié)同發(fā)展，定量化觀測、精細化應用仍存在技術瓶頸。因此，高定量化、高精細化的測量和反演技術也是今后發(fā)展的重點方向。現在要從近海走向大洋，近海監(jiān)測走向全球海洋監(jiān)測。另外，實現國際海洋遙感數據的共享與合作，也是今后的發(fā)展目標之一。

海洋遙感必將在新時代海洋強國建設中發(fā)揮重要作用。按照我國民用空間基礎設施的規(guī)劃，在2025年之前，要部署成功三個海洋衛(wèi)星星座。第一個是海洋一號衛(wèi)星組成的光學衛(wèi)星星座，第二個是運用微波遙感技術探測海洋動力環(huán)境的衛(wèi)星星座，第三個是結合具備高分辨率與雷達監(jiān)測能力的雷達衛(wèi)星、高軌地球同步衛(wèi)星的監(jiān)視星座。三個星座將形成對全球不間斷的每天11次連續(xù)探測，支撐我國海洋強國的建設，提供海洋遙感大數據服務，也為全球的海洋治理和應對氣候變化提供服務。