于志同 黃 彥 胡洛佳 馬 蓉 肖 鵬 程 曉*

（1.中國空間技術(shù)研究院 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 北京 100094；2.中山大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 珠海 519082；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海）珠海 519000）

0 引言

南北兩極是全球資源、能源開發(fā)潛在的戰(zhàn)略儲(chǔ)備地，對(duì)我國未來發(fā)展和國家利益具有重要意義[1-2]。在全球變暖背景下，極地氣候與環(huán)境變化顯著，為極地開發(fā)與治理帶來新的發(fā)展機(jī)遇，特別是北極航道開通、北極油氣資源管道和環(huán)北極公路鐵路建設(shè)已提上日程[3]。從全球競(jìng)爭(zhēng)角度來看，極地正面臨或即將面臨新一輪地緣利益爭(zhēng)奪，國際社會(huì)對(duì)極地保護(hù)和開發(fā)給予了高度關(guān)注[4]。我國極地開發(fā)戰(zhàn)略部署也已拉開序幕，科學(xué)認(rèn)識(shí)極地、開發(fā)極地和保護(hù)極地，符合我國共筑“人類命運(yùn)共同體”的長遠(yuǎn)目標(biāo)。

北極航道為中國戰(zhàn)略通道的開辟提供了新的路徑，可成為“冰上絲綢之路”，使我國到達(dá)歐美國家和地區(qū)的航線大幅縮短，節(jié)省時(shí)間、距離和經(jīng)濟(jì)成本[5]。然而，我國是北極域外國家，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)極為困難，獲得近實(shí)時(shí)、高分辨率海冰數(shù)據(jù)是保障航道安全的關(guān)鍵途徑。極地海冰的快速變化在改變極地海洋環(huán)境的同時(shí)，也給全球地緣政治格局帶來了復(fù)雜和深遠(yuǎn)的影響，極地航線開發(fā)及爭(zhēng)奪愈發(fā)白熱化。

開展極地海洋空間規(guī)劃，需要充分了解相關(guān)海域的水文地質(zhì)、氣候變化、資源分布、生態(tài)環(huán)境和生物多樣性等相關(guān)信息。兩極地區(qū)極端氣候條件對(duì)規(guī)劃所需數(shù)據(jù)的可獲得性、精確性和完整性等提出了更高的技術(shù)要求[6-7]。因此，我國迫切需要加大對(duì)極地海洋環(huán)境衛(wèi)星技術(shù)的研發(fā)投入，提高極區(qū)數(shù)據(jù)獲取和采集能力，借助星上智能處理、星船/地一體化設(shè)計(jì)，提高破冰船、科考船、商船等船舶以及艦艇的實(shí)地航運(yùn)能力，保障相關(guān)設(shè)備在極寒、可視性差、岸基站點(diǎn)不足、通信及導(dǎo)航能力有限等環(huán)境下的精確運(yùn)行。當(dāng)前，國內(nèi)外沒有專門針對(duì)極地觀測(cè)和通信需求的極地衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)，尤其缺乏針對(duì)極地連續(xù)觀測(cè)的高軌衛(wèi)星和計(jì)劃[7]。因此，我國亟需發(fā)展極地天基探測(cè)體系，滿足高頻次立體探測(cè)需求，切實(shí)保障極地航行安全、形成自主的極地海洋環(huán)境探測(cè)能力，推進(jìn)我國進(jìn)入、開發(fā)和利用極地，參與全球環(huán)境治理。

1 面向極地航運(yùn)發(fā)展的衛(wèi)星觀測(cè)需求

隨著極地活動(dòng)逐年增加，海工裝備設(shè)計(jì)、船舶破冰與航道開發(fā)等對(duì)遙感衛(wèi)星技術(shù)的需求越來越高。通過文獻(xiàn)整理、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、專家研討等，當(dāng)前極地環(huán)境探測(cè)的衛(wèi)星技術(shù)需求呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）需求迫切，涉及政治、經(jīng)濟(jì)、文化和安全等領(lǐng)域；

（2）觀測(cè)要素多樣，動(dòng)態(tài)、靜態(tài)皆有，并涉及多學(xué)科；

（3）時(shí)效性、分辨率和觀測(cè)精度要求高，覆蓋范圍寬，對(duì)星地/船系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了明確要求；

（4）高頻次探測(cè)與長時(shí)間序列積累要統(tǒng)一，要求衛(wèi)星系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)破冰科考、極地救援、航線開發(fā)等極地航運(yùn)需求，要發(fā)展海冰觀測(cè)衛(wèi)星，主要觀測(cè)海冰覆蓋、密集度、厚度與運(yùn)動(dòng)等，所需載荷包括高時(shí)空分辨的光學(xué)、合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar,SAR）、激光和雷達(dá)高度計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)極地海冰實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，研發(fā)具有一定冰層穿透和測(cè)量能力的新型載荷（例如低頻段的干涉成像雷達(dá)），具備大幅寬、全極化、多波段及高頻次能力的合成孔徑雷達(dá)（SAR），解決海冰類型、冰間水道和海面風(fēng)場(chǎng)等探測(cè)不足或缺失，重點(diǎn)突破低頻雷達(dá)電離層傳播特性和對(duì)信號(hào)的影響、電磁波在不同傳播介質(zhì)中的傳輸機(jī)理和衰減特性、冰面或表面雜波散射特性和干擾抑制技術(shù)，以及適應(yīng)干涉雷達(dá)測(cè)量的極地衛(wèi)星軌道控制和測(cè)量技術(shù)。此外，研發(fā)高分辨、多波段、多極化方式的星載微波散射計(jì)，用于海冰類型、覆蓋及海冰風(fēng)場(chǎng)等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，與主動(dòng)SAR 載荷數(shù)據(jù)在時(shí)空分辨率上互為補(bǔ)充；高分辨率、多波段星載微波輻射計(jì)，用于積雪深度、海冰密集度與海冰類型等的測(cè)量；高時(shí)間分辨率極區(qū)衛(wèi)星高度計(jì)，用于海冰厚度和海面風(fēng)場(chǎng)等參數(shù)的觀測(cè)。

今后的極地海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)將直接提供給終端用戶（比如商船、科考船與救援裝備等），以更好地保障極地航運(yùn)安全。遙感圖像空間分辨率要求優(yōu)于百米、十米級(jí)甚至米級(jí)，時(shí)間分辨率需達(dá)到半日、甚至小時(shí)級(jí)。極地衛(wèi)星需具備高時(shí)空分辨率和精細(xì)化探測(cè)能力，比如光學(xué)衛(wèi)星載荷空間分辨率優(yōu)于50 m（1 000 以上信噪比）可滿足區(qū)域定量化遙感探測(cè)和應(yīng)用需求，具備米級(jí)或亞米級(jí)分辨率的載荷可實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域海上目標(biāo)（艦船、冰面設(shè)施）的精細(xì)化識(shí)別及動(dòng)態(tài)跟蹤。

面向極地航運(yùn)未來發(fā)展，我國亟需大力發(fā)展對(duì)極地冰凍圈的天基探測(cè)技術(shù)，特別是提升用于海冰快速變化與冰下觀測(cè)的載荷能力，解決在高緯度冰區(qū)組網(wǎng)觀測(cè)的短板；擴(kuò)展南北極實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，提升我國在兩極地區(qū)的觀測(cè)與通導(dǎo)能力，實(shí)現(xiàn)自主可控、實(shí)時(shí)傳輸、高穩(wěn)定性的極地衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)建。

2 國內(nèi)外極地衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

應(yīng)用于極地環(huán)境要素探測(cè)的衛(wèi)星載荷主要分為6 種類型（如圖1 所示），包括SAR、雷達(dá)散射計(jì)、高度計(jì)、重力儀、微波輻射計(jì)和光學(xué)傳感器（包括可見光、近紅外和熱紅外）。

圖1 在軌和計(jì)劃發(fā)射的極地環(huán)境要素探測(cè)衛(wèi)星（http://globalcryospherewatch.org）

大尺度的連續(xù)極地觀測(cè)主要依賴星載微波傳感器，包括微波輻射計(jì)和散射計(jì)，基于此類數(shù)據(jù)已業(yè)務(wù)化生產(chǎn)逐日海冰密集度、類型和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品[7]；目前計(jì)劃發(fā)射的搭載微波輻射計(jì)的衛(wèi)星包括美國的Weather System Follow-on-Microwave（WSF-M）、歐洲的Copernicus Imaging Microwave Radiometer（CIMR）和日本 的Global Observing SATellite for Greenhouse Gases and Water Cycle（GOSAT-GW）等。星載光學(xué)載荷被廣泛應(yīng)用于海冰與冰蓋變化監(jiān)測(cè)，已積累近50 年連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)[7]，目前計(jì)劃發(fā)射的主要是Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）、Landsat 等衛(wèi)星系列的后續(xù)星，如The Joint Polar Satellite System-2/3（JPSS-2/3）Visible/Infrared Imager/Radiometer Suite（VIIRS）、Landsat-9 等。SAR 衛(wèi)星是當(dāng)前天基極地環(huán)境要素觀監(jiān)測(cè)的主要發(fā)展方向，被廣泛應(yīng)用于高分辨率海冰分類、漂移、冰架崩解、融化和高程監(jiān)測(cè)[7]，目前計(jì)劃發(fā)射的星載SAR 計(jì)劃包括日本的L 波段Advanced Land Observing Satellite-4（ALOS-4）、歐 洲 的Copernicus L-band Synthetic Aperture Radar（ROSE-L）、美國的L 和S 波段NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar（NISAR）、意大利的X 波段COSMO-SkyMed 二代（CSG-2），以及我國的HY-3 系列等。高度計(jì)則為精確測(cè)定極地冰蓋高程和海冰厚度提供了新的監(jiān)測(cè)手段[7]，目前在軌的衛(wèi)星高度計(jì)包括美國的ICESAT-2 和歐洲的CryoSat-2，后續(xù)歐洲將發(fā)射CRISTAL衛(wèi)星。

當(dāng)前大部分主被動(dòng)探測(cè)衛(wèi)星可用于冰川、海冰和積雪等極地環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)，但其中光學(xué)衛(wèi)星受制軌道傾角和幅寬等因素限制，對(duì)于極點(diǎn)周圍等區(qū)域尚不能完全覆蓋。由于天氣、光照和任務(wù)規(guī)劃等因素的影響，光學(xué)遙感衛(wèi)星也并未形成極地上空全天時(shí)、全天候工作和業(yè)務(wù)化運(yùn)行能力；同時(shí)，現(xiàn)有的高空間分辨率或高光譜分辨率影像的幅寬較窄。此外，光學(xué)數(shù)據(jù)無法用于被積雪覆蓋的海冰分類。

使用主動(dòng)觀測(cè)的SAR 衛(wèi)星雖然具備穿云破霧的高分辨率極地觀測(cè)能力，且對(duì)積雪覆蓋的海冰分辨更具優(yōu)勢(shì)，但受制于能量分配和任務(wù)規(guī)劃等因素影響，現(xiàn)階段在極地上空獲取的數(shù)量較少，而且單軌15 min 左右的超長開機(jī)時(shí)間，對(duì)衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃依然是不小的挑戰(zhàn)。此外，現(xiàn)有的SAR 衛(wèi)星主要工作在L 波段以上，對(duì)冰層的穿透能力有限，并不具備較厚冰層的透視觀測(cè)能力，現(xiàn)階段對(duì)冰厚和水下物質(zhì)的估算僅依靠算法反演實(shí)現(xiàn)[8]。

微波傳感主要的問題是空間分辨率不足。搭載高度計(jì)載荷的衛(wèi)星具備全天時(shí)、全天候獲取高分辨率海冰立體觀測(cè)能力，但是受制于幅寬、能源分配和任務(wù)設(shè)計(jì)等因素影響，尚未獲得極地區(qū)域的高精度、長時(shí)間、時(shí)空連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)?？偟膩碚f，SAR是當(dāng)前國內(nèi)外天基極地環(huán)境要素觀測(cè)的主要載荷發(fā)展方向。

近年來發(fā)展的星載SAR 利用電磁波極化、頻率和相位等特性進(jìn)行多維度觀測(cè)，可極大拓展SAR極地應(yīng)用的廣度和寬度。國內(nèi)外星載SAR 囊括了Ku、X、C、S、L、P 等頻段（如下頁圖2 所示），極化方式也由單極化向多極化和全極化發(fā)展，國外近年來的大部分星載SAR 計(jì)劃和我國GF-3 衛(wèi)星均實(shí)現(xiàn)了全極化。

圖2 國內(nèi)外已發(fā)射和規(guī)劃中的主要SAR 衛(wèi)星

發(fā)展干涉SAR 技術(shù)獲取相位信息，采用雙/多 基SAR 或者雙天線SAR 系統(tǒng)（例如TerraSAR-X/ TanDEM-X 雙基SAR），以及單顆衛(wèi)星重軌或同一軌道面上多星組網(wǎng)重復(fù)觀測(cè)（如ERS-1/2 和Sentinel-1 星座）；另外，極化干涉衛(wèi)星也是發(fā)展方向，如ALOS 系列、RadarSat-2 等[9]。如下頁圖3 所示，近20 多年來通過發(fā)射大帶寬信號(hào)和波束掃描（聚束和滑動(dòng)聚束模式）模式，星載SAR衛(wèi)星在距離向和方位向的分辨率從初期的百米提升至亞米級(jí)；通過二維波束掃描模式（如Sentinel-1 的TOPS 模式等）幅寬從數(shù)公里提高到數(shù)百公里；同時(shí)采用了一系列關(guān)鍵技術(shù)以突破傳統(tǒng)模式下分辨率與成像幅寬無法同時(shí)提高的瓶頸[10]。此外，發(fā)展低成本、易部署的輕小型SAR 衛(wèi)星星座也是近年來的重要發(fā)展方向，目前已在軌運(yùn)行的包括美國的Capella 系列、芬蘭的ICEYE 系列、英國的NovaSAR-S 系列等，我國也發(fā)射了海絲一號(hào)（HISEA-1）等輕小型衛(wèi)星。

圖3 SAR 發(fā)展趨勢(shì)示意

總之，SAR 衛(wèi)星信息從單一到豐富，空間分辨率從低到高，測(cè)繪幅寬從窄到寬，重訪周期從長到短，發(fā)射成本從高到低，這一系列發(fā)展趨勢(shì)使得其對(duì)極地環(huán)境要素觀監(jiān)測(cè)的能力大幅提高，實(shí)現(xiàn)極地觀測(cè)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行SAR 衛(wèi)星是國際極地天基監(jiān)測(cè)的主要發(fā)展方向。

2.2 短板分析

極地地區(qū)緯度高，存在極晝、極夜現(xiàn)象，還被氣溫低、氣候條件惡劣、常年被冰雪所覆蓋甚至冰凍等自然條件限制，并且極少有參照物。遙感衛(wèi)星是極地研究中的重要天基手段，盡管載荷類型多樣，但仍未形成極地上空全天時(shí)、全天候工作和業(yè)務(wù)化運(yùn)行能力，且數(shù)據(jù)連續(xù)性和實(shí)時(shí)性無法滿足。對(duì)于我國而言，國產(chǎn)“高分”、“資源”衛(wèi)星系列以及“風(fēng)云”、“海洋”系列，可以分別在小尺度和大尺度上提供極地遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，但除風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星、京師一號(hào)衛(wèi)星外，大部分國產(chǎn)衛(wèi)星在極區(qū)不具備常態(tài)化、業(yè)務(wù)化工作能力[7]。

光學(xué)遙感衛(wèi)星在極區(qū)難以獲得持續(xù)、全覆蓋的觀測(cè)數(shù)據(jù)。就我國而言，包括商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)在內(nèi)，現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)均為服務(wù)于中低緯度區(qū)域的衛(wèi)星系統(tǒng)，沒有專門用于極區(qū)的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)；對(duì)北極區(qū)域上空，系統(tǒng)一般不開機(jī)，以節(jié)省能源消耗。此外，北極的極夜難以滿足陸地觀測(cè)系列中的光學(xué)觀測(cè)衛(wèi)星（特別是高分辨率觀測(cè)衛(wèi)星）正常工作的光照需求。在北極的惡劣氣候條件下，一般的光學(xué)載荷基本不能正常工作，并且對(duì)云頂和覆蓋陸地的冰雪不易區(qū)分。

隨著輻射計(jì)、散射計(jì)和SAR 傳感器的發(fā)展，支持了一系列針對(duì)極地的衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃，但仍存在技術(shù)上的短板。微波輻射計(jì)和散射計(jì)由于較大的掃描寬度，通常能做到每日重復(fù)或重訪，但其空間分辨率通常在10 km 以上。目前各國提供的海水密集度、海水類型、海水漂移產(chǎn)品主要采用該類傳感器，但考慮到較低的分辨率，故無法滿足北極航道精細(xì)監(jiān)測(cè)與航道決策需求。

SAR 傳感器分辨率通常能在20 m 以內(nèi)，但重訪周期較長。為了提高重復(fù)率及縮短重訪周期，通常采用掃描模式或/及增加衛(wèi)星數(shù)量的方式。如歐空局Sentinel-1A/B 雙星星座能提供6 日重復(fù)及全球雙極化5×20 m 覆蓋能力；加拿大RADARSAT Constellation Mission（RCM）三星星座可對(duì)加拿大海域提供50 m 分辨率每日覆蓋能力，并且提供更為先進(jìn)的全極化和緊縮極化觀測(cè)模式（circular transmitting linear receiving,CTLR），目前處于世界領(lǐng)先水平；而我國的高分三號(hào)SAR 衛(wèi)星運(yùn)行于29日重復(fù)軌道，不能滿足北極航道監(jiān)測(cè)需求。

發(fā)展輕小型SAR 衛(wèi)星星座是近年來的重要發(fā)展方向。此類衛(wèi)星以目標(biāo)識(shí)別、干涉測(cè)量等為主要需求，通常僅提供單極化觀測(cè)模式，對(duì)于散射特征較為復(fù)雜且變化快速的地物等存在識(shí)別困難等問題。此外，小型SAR 多以條帶模式與聚束模式為主，部分衛(wèi)星也提供掃描模式，但掃描寬度均不超過100 km，難以滿足某些特定任務(wù)大面積快速全覆蓋的觀測(cè)需求。再者，目前的小型 SAR 衛(wèi)星受限于星載平臺(tái)能源方面影響，每軌工作時(shí)間較短，通常不超過 3 min，而大型 SAR 衛(wèi)星的發(fā)展則更多面向長工作時(shí)間與多模式方向。大型衛(wèi)星在掃描與極化方面具備多樣觀測(cè)模式，具備較長的每軌工作時(shí)間，對(duì)不同任務(wù)均可作出響應(yīng)，如RCM 具備全極化9 種觀測(cè)模式，每軌工作時(shí)長可達(dá)15 min。大型衛(wèi)星的多種模式在極化、分辨率以及掃描寬度方面作出取舍以滿足各類觀測(cè)任務(wù)的需求。我國SAR 衛(wèi)星在北極區(qū)域上空可以正常工作，且其觀測(cè)的信息直接服務(wù)于我國在北極區(qū)域的日?；顒?dòng)，但受到衛(wèi)星平臺(tái)能力的制約，我國SAR 衛(wèi)星在北極區(qū)域上空需要關(guān)機(jī)，以節(jié)省衛(wèi)星平臺(tái)的能源消耗。

3 極地衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與建議

3.1 極地衛(wèi)星技術(shù)及裝備攻關(guān)重點(diǎn)

（1）衛(wèi)星體系設(shè)計(jì)方面

地球觀測(cè)衛(wèi)星由于軌道限制無法獲取極地中心區(qū)信息，從而造成常年的海冰中心區(qū)觀測(cè)空白，加大了全球變化監(jiān)測(cè)的不準(zhǔn)確和不確定性。若我國發(fā)展的極區(qū)環(huán)境觀測(cè)衛(wèi)星采用過極地中心的軌道，將在世界上首次填補(bǔ)這一空白，大大增強(qiáng)我國在全球變化觀測(cè)上的話語權(quán)。建議我國極區(qū)觀測(cè)衛(wèi)星體系充分調(diào)研國外對(duì)于極區(qū)探測(cè)的計(jì)劃，對(duì)標(biāo)國外在軌衛(wèi)星以及預(yù)研衛(wèi)星極區(qū)觀測(cè)技術(shù)，分析國際發(fā)展極區(qū)觀測(cè)的衛(wèi)星體系建設(shè)思路，結(jié)合我國已有海洋水色、海洋動(dòng)力和海洋監(jiān)測(cè)三大海洋衛(wèi)星系列建設(shè)現(xiàn)狀，開展極區(qū)觀測(cè)衛(wèi)星體系建設(shè)。

（2）載荷專項(xiàng)技術(shù)方面

世界各國一直在發(fā)展極地微波遙感載荷技術(shù)，主要有2 個(gè)方面：一方面通過高精度的微波輻射計(jì)載荷測(cè)量冰雪當(dāng)量，用于全球變化研究；另一方面，國際積極發(fā)展新體制SAR 載荷技術(shù)，針對(duì)極地航道監(jiān)測(cè)與冰雪等探測(cè)要素，國外優(yōu)先發(fā)展多頻段多極化的SAR 載荷，并利用分布式小衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)，對(duì)極地進(jìn)行微波測(cè)繪。目前我國在軌和在研的微波遙感載荷尚未有以極地航道和冰雪為主要觀測(cè)要素的載荷，同時(shí)受制于軌道因素，不能對(duì)極地地區(qū)進(jìn)行全覆蓋，因此不能滿足極地觀測(cè)的需求。考慮到目前國家對(duì)極地觀測(cè)的迫切需求與國際微波遙感載荷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，急需開展極地微波遙感載荷的發(fā)展規(guī)劃研究，掌握極地微波遙感領(lǐng)域的核心技術(shù)，為后續(xù)引領(lǐng)極地微波遙感領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。利用極地高分辨率大面陣凝視相機(jī)技術(shù)對(duì)極區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，可以極大滿足我國極區(qū)氣象和環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源觀測(cè)、國家安全及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求。

3.2 極地衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)前沿

極地海域艦船安全航行受到多年冰、冰山、冰蓋崩解等冰情的影響，其中極地海冰年際分布變化大，并且海冰運(yùn)動(dòng)無規(guī)律可循，是造成極地航道艦船通行的主要安全隱患。因此，亟需快速獲取兩極地區(qū)冰情并準(zhǔn)確規(guī)劃航線，從而保障艦船在高緯度冰區(qū)的安全航行。這對(duì)極地觀測(cè)衛(wèi)星提出了大幅寬、高重訪的要求，至少需要在1～ 2 日內(nèi)覆蓋極區(qū)主要航道，為艦船航行制定航線規(guī)劃。同時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)具備區(qū)分多年冰和新冰的能力，且能夠有效捕獲海冰漂移狀態(tài)，并對(duì)靜態(tài)海冰出水高度進(jìn)行估算，保障水面艦船航行安全。此外，需星艦協(xié)同工作，數(shù)據(jù)經(jīng)星上快速處理后直接下傳艦船，為測(cè)量船提供基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)冰情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在提高時(shí)效性的同時(shí)保障艦船航行安全。

3.2.1 冰凍圈高分辨率主被動(dòng)微波觀測(cè)技術(shù)研究

以冰川快速變化監(jiān)控與預(yù)測(cè)、冰基底物質(zhì)分類與分辨、積雪覆蓋與凍土變化、海冰快速檢測(cè)與分類等科學(xué)問題為牽引，揭示電磁波與冰凍圈關(guān)鍵要素相互作用機(jī)理，提出天基分布式綜合孔徑穿冰雷達(dá)系統(tǒng)及多波段綜合孔徑探測(cè)儀系統(tǒng)方案，突破低頻電磁波電離層誤差補(bǔ)償、分布式主被動(dòng)高分辨率信號(hào)處理、極區(qū)冰凍圈環(huán)境要素主被動(dòng)微波綜合處理等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)綜合處理解譯軟件，研制相關(guān)主被動(dòng)微波探測(cè)原理樣機(jī)，開展機(jī)載/地面探測(cè)試驗(yàn)及應(yīng)用研究，最終形成天基冰凍圈主被動(dòng)微波立體觀測(cè)技術(shù)體系，為國家極地戰(zhàn)略及應(yīng)對(duì)全球變化提供支撐。

技術(shù)研究方向如下：

（1）分布式綜合孔徑主被動(dòng)微波探測(cè)載荷總體設(shè)計(jì)技術(shù)；

（2）面向分布式體制下的低頻信號(hào)處理技術(shù)；

（3）基于主被動(dòng)探測(cè)數(shù)據(jù)的綜合處理應(yīng)用技術(shù)。

3.2.2 天地一體化極地探測(cè)研究

將天基、?；⒖栈?、地基等多種極地探測(cè)手段和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，在地面開展綜合極地環(huán)境應(yīng)用和通導(dǎo)遙天基任務(wù)分析，提升極地環(huán)境探測(cè)、航道保障、科學(xué)考察等綜合應(yīng)用能力。

技術(shù)研究方向如下：

（1）融合天基系統(tǒng)的海上應(yīng)用新模式研究；

（2）通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星極地聯(lián)合體系構(gòu)架設(shè)計(jì)以及星間、星地、星船多元信息傳輸技術(shù)；

（3）天地一體化多手段數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

3.2.3 智能任務(wù)規(guī)劃分析研究

未來在極地海量（千顆）航天器和有限的測(cè)控資源場(chǎng)景下，當(dāng)應(yīng)急任務(wù)產(chǎn)生時(shí)，綜合考慮任務(wù)緊急程度、衛(wèi)星能力、測(cè)控資源等多維信息和約束條件，采用智能優(yōu)化方法對(duì)航天器的任務(wù)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，并對(duì)多個(gè)相關(guān)方實(shí)施調(diào)度，為合理規(guī)劃子系統(tǒng)和調(diào)度執(zhí)行子系統(tǒng)提供技術(shù)保障與支撐。在多任務(wù)約束條件限制下，既要在給定時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)潛在競(jìng)爭(zhēng)的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行平衡或取舍，又需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)全空域測(cè)控系統(tǒng)，為選定的觀測(cè)任務(wù)合理分配資源和時(shí)間，最大化可執(zhí)行任務(wù)序列的收益并且最小化擾動(dòng)測(cè)度。

3.2.4 基于深度學(xué)習(xí)的多源信息融合技術(shù)研究

未來極地空間綜合服務(wù)衛(wèi)星是具備多載荷、多功能的衛(wèi)星，其應(yīng)用需要開展多源信息技術(shù)融合。因此，多源異構(gòu)信息融合技術(shù)主要是進(jìn)行多源信息的優(yōu)化提取、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)、關(guān)聯(lián)和融合，而為了實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信息的綜合與一體化應(yīng)用，應(yīng)提供統(tǒng)一、高效、便捷的數(shù)據(jù)信息支撐，滿足指揮調(diào)度與服務(wù)系統(tǒng)需求。

3.3 措施建議

（1）急需建設(shè)我國自主極地天基觀測(cè)系統(tǒng)

面向極地新領(lǐng)域，應(yīng)盡快提出并實(shí)施具有中國特色的“極地天基觀測(cè)系統(tǒng)”，打造我國自主的極地遙感-通信-導(dǎo)航一體化、空-天-地-海協(xié)同的立體觀測(cè)體系，提供自主產(chǎn)權(quán)的全球變化觀測(cè)數(shù)據(jù)，為極地信息獲取、資源開發(fā)和安全保障提供支撐，積極應(yīng)對(duì)氣候變化和服務(wù)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。

（2）加快發(fā)展極地立體探測(cè)技術(shù)，服務(wù)冰上絲綢之路

針對(duì)當(dāng)前極地海冰快速變化、冰下立體觀測(cè)等方面存在的衛(wèi)星技術(shù)短板，應(yīng)大力發(fā)展原創(chuàng)性衛(wèi)星載荷，推動(dòng)構(gòu)建我國冰衛(wèi)星系統(tǒng)，為極地地區(qū)發(fā)展提供獨(dú)特的觀測(cè)手段，有效補(bǔ)充匱乏的冰川/冰蓋三維立體探測(cè)、海冰快速變化和凍土凍融狀態(tài)監(jiān)測(cè)等觀測(cè)數(shù)據(jù)，形成水循環(huán)全鏈路觀測(cè)、冰凍圈全覆蓋觀測(cè)及長時(shí)間連續(xù)觀測(cè)能力，支撐我國冰上絲綢之路建設(shè)和極地強(qiáng)國戰(zhàn)略。

（3）面向極地前沿，積極謀劃國際合作

關(guān)注國際天基觀測(cè)計(jì)劃的銜接“空窗期”，與國際社會(huì)共同努力保持長期與連續(xù)的極地觀測(cè)，發(fā)展地面接收站及外場(chǎng)定標(biāo)，制定更高觀測(cè)能力的極地天基觀測(cè)發(fā)展規(guī)劃，特別是針對(duì)極地航運(yùn)、科考救援及資源開發(fā)等，推進(jìn)天-空-地-海融合，泛在互聯(lián)、云端同化的立體多維和高分辨率的極地監(jiān)測(cè)平臺(tái)，為我國承擔(dān)大國責(zé)任、參與全球海洋和氣候環(huán)境治理提供核心技術(shù)支撐。