「專家視點」蔣興偉院士:海洋遙感衛星及發展歷程與趨勢展望

「专家视点」蒋兴伟院士:海洋遥感卫星及发展历程与趋势展望

海洋衛星能夠對全球海洋大範圍、長時期的觀測,為人類深入瞭解和認識海洋提供了其他觀測方式都無法替代的數據源。海洋遙感衛星通過搭載各類遙感器來探測海洋環境信息,按照功能可分為海洋水色衛星、海洋動力環境衛星和海洋監視監測衛星。目前,全球共有海洋衛星或具備海洋探測功能的對地觀測衛星近百顆。美國、歐洲、日本和印度等國家和地區均已建立了比較成熟和完善的海洋衛星系統。

一、海洋遙感衛星發展歷程

對地觀測衛星先後經歷了20世紀60年代的起步階段,70年代的初步應用階段,80年代到90年代的大發展階段,直到近十餘年來,對地觀測衛星中專門用於海洋觀測的海洋衛星及具備部分海洋信息觀測功能的衛星開始向高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高信噪比和高穩定性等方向發展。國外主要航天大國均有專門的海洋衛星觀測計劃,並形成了多種業務應用,在海洋環境的監測和軍民應用中對海洋衛星的依賴程度不斷加大。下面對主要航天大國海洋遙感衛星的發展進行簡要介紹。

(1)美國

美國是世界上首個發展海洋衛星遙感技術的國家,在1978年發射了世界上第一顆海洋衛星SEASAT,近40年來美國發展了海洋環境衛星、海洋動力環境衛星和海洋水色衛星等不同類型的專用海洋衛星,實現了從空間獲取海洋水色和海洋動力環境信息的能力。

(2)中國

經過多年的建設,我國在海洋衛星方面取得了顯著進展。自2002年5月到2011年8月陸續發射了HY-1A/B和HY-2A三顆衛星,已經初步建立海洋水色和海洋動力環境衛星監測系統。

我國第一顆海洋水色衛星HY-1A,於2002年5月15日成功發射。它實現了我國海洋衛星零的突破,完成了海洋水色功能及試驗驗證,使海洋水色信息提取與定量化應用水平得到了提高,促進了海洋遙感技術的發展,為我國的海洋衛星發展奠定了技術基礎。2004年4月HY-1A衛星停止工作,在軌運行685天期間,獲取了中國近海及全球重點海域的葉綠素濃度、海表溫度、懸浮泥沙含量、海冰覆蓋範圍、植被指數等動態要素信息以及珊瑚、島礁、淺灘、海岸地貌特徵,研發製作了42種遙感產品。

我國第二顆海洋水色衛星HY-1B,於2007年4月11日成功發射,該衛星在HY-1A衛星基礎上研製,其觀測能力和探測精度進一步增強和提高。在軌運行7年多,實現了衛星由試驗型向業務服務型的過渡。

(3)俄羅斯

蘇聯/ 俄羅斯-烏克蘭研製的海洋衛星系列分為兩類:第一類遙感器以可見光、紅外探測器為主;第二類遙感器主要為側視雷達。1979 年2 月12 日第一顆海洋衛星(宇宙- 1076)發射,用於衛星試驗和海洋氣象、大氣物理參數的測量。1983 年9 月28 日發射了載有測試雷達的試驗衛星宇宙- 1500,觀測結果表明側視雷達作為海洋遙感的手段具有很大潛力。

(4)歐洲航天局

歐洲遙感衛星(ERS)是歐洲航天局(ESA)研製的對地觀測衛星,用於環境監測。1991 年7 月17 日,ERS - 1 衛星從法屬圭亞那航天中心發射,2000 年3 月10 日,由於計算機和陀螺儀故障,ERS - 1 服役結束。1995年4月21日,ERS-2衛星發射,2003 年6 月,ERS - 2 失去星上數據存儲能力,此後僅支持實時觀測數據傳輸。

(5)法國

賈森(Jason)系列衛星是法國國家空間研究中心(CNES)和美國NASA 聯合研製的海洋地形觀測衛星,是TOPEX/Poseidon衛星的後繼星,屬於美國EOS 的高度計任務。用於海洋表面地形和海平面變化的測量。CNES 負責平臺、載荷和DORIS 接收機的研製,NASA 負責衛星的發射。2001 年12 月7 日, Jason - 1 衛星發射。2008年6 月20 日,Jason - 2發射。目前Jason - 2 衛星在軌正常運行。

(6)日本

海洋觀測衛星(MOS)是日本的第一個地球觀測衛星系列,又稱桃花(Momo)衛星。共發射了2 顆。MOS - 1 衛星於1987 年2 月18 日發射,是一顆試驗型海洋觀測衛星,用於測量海洋水色、海面溫度和大氣水汽含量。MOS - 1B 衛星於1990年2 月7 日發射,是一顆應用型海洋衛星,用於觀測海洋洋流、海面溫度、海洋水色等。

(7)印度

海洋衛星(Oceansat)是印度發展的專用海洋衛星,包括Oceansat - 1 和Oceansat - 2,用於海洋環境探測,包括測量海面風場、葉綠素濃度、浮游植物以及海洋中的懸浮和沉澱物。Oceansat - 1 是印度遙感衛星系統(IRS)中首顆用於海洋觀測的衛星,於1999 年5 月26 日發射,2010 年8月8 日退役。Oceansat - 2 衛星2009年9 月23 日發射,目前在軌運行。

(8)韓國

通信、海洋和氣象衛星(COMS)是韓國發展的地球靜止軌道衛星,用於朝鮮半島及周邊區域的海洋和氣象監測。COMS- 1 衛星2010 年6 月26 日發射, 目前正在運行。COMS- 2 衛星正在研製。COMS - 1衛星採用歐洲星- E - 3000 平臺,採用三軸穩定方式,天線指向精度優於0.11°。COMS - 1 衛星的主載荷是地球靜止海洋水色成像儀,空間分辨率500m×500m,譜段為0.4~0.9μm,用於提供海岸帶資源管理和漁業信息。

(9)其他國家

科學應用衛星(SAC)是阿根廷國家空間計劃的核心項目,共包括4顆衛星,其中SAC - A、SAC - C 和SAC - D 具備對地觀測能力。SAC - D衛星中的主載荷是 “寶瓶座”微波輻射計和散射計,NASA 負責研製,由L 頻段推掃式微波輻射計和L 頻段微波散射計組成,用於獲取全球海面鹽度信息,並用於研究海洋環流。另外,SAC - D 衛星搭載的Ka頻段微波輻射計可以用來測量海面風速以及海冰特徵。SAC - D 衛星2011 年6 月10 日發射,目前在軌運行。

二、海洋衛星發展趨勢

1. 提高觀測精度與時空分辨率

2. 提升定量遙感水平

3. 發展新型海洋遙感載荷

三、國外海洋衛星遙感應用進展

1. 海洋動力環境遙感技術及業務化產品

2. 海洋生態環境遙感產品

3. 海洋地球物理遙感產品

4. 漁業遙感應用及商業化服務

5. 海洋遙感定標與檢驗基礎設施及技術

四、我國海洋衛星遙感應用進展

1. 海洋動力環境遙感監測與應用

2. 海洋生態環境遙感監測與應用

3. 海洋地球物理遙感調查與應用

4. 衛星遙感海洋漁業應用服務技術

5. 海洋遙感定標與檢驗技術及基礎設施

五、國內外的主要差距

近些年來,我國在全球海洋遙感觀測領域取得了長足發展,但與國外先進國家相比仍存在較大差距,主要表現在:

1)我國海洋衛星遙感定標和真實性檢驗與國外相比存在明顯差距。

2)我國在全球海洋遙感數據產品製作、分發和服務等方面尚處於起步階段。國外已形成了完整的全球海洋遙感產品體系和完備的產品分發服務能力,並提供後續的數據應用技術支持。

3)我國海洋遙感應用方向雖然較多,但業務化應用程度較低。尚未形成可業務化的全球海洋遙感產品和再分析產品體系,現有海洋遙感數據的共享、分發服務與美歐差距也較大,同時遙感數據產品支撐業務化應用能力還亟待發展和提升。

六、展 望

通過分析國內外海洋衛星應用發展歷程與趨勢可以看出,隨著衛星平臺、載荷技術、地面數據處理和應用技術的不斷進步,海洋遙感衛星觀測的精度與時空分辨率不斷提高,衛星數據定量化應用不斷深入。不斷出現的新型海洋遙感載荷,將具備更快、更精確獲取更大範圍、更多種海洋觀測信息的能力。隨著海洋對全球氣候和環境的影響越來越受到重視,與世界各國經濟、軍事的影響越來越密切,世界各國對海洋衛星的投入不斷加大,可以預見海洋衛星遙感未來將獲得更大的發展空間,取得更顯著的應用成果。隨著我國後續海洋衛星的發展,完整的海洋遙感立體觀測體系將逐步形成,健全的衛星應用體系將逐步建立,將顯著提高面向海洋綜合管理、公共服務、安全保障等領域的能力。海洋遙感衛星必將在建設海洋強國的進程中發揮出重要作用。


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