國外海洋衛(wèi)星的現(xiàn)狀與未來

□ 東方星

衛(wèi)星海洋遙感對觀測與研究全球海洋環(huán)境和海洋資源具有重要作用，其特點是快速、連續(xù)、大范圍和能同時觀測多個參數(shù)。目前，全球已發(fā)射了40多顆探測海洋的衛(wèi)星，包括專用海洋衛(wèi)星和裝載多種遙感器具有大氣、海洋、陸地等環(huán)境監(jiān)測能力的綜合型遙感衛(wèi)星。海洋衛(wèi)星是專門用于觀測和研究海洋的人造地球衛(wèi)星。雖然利用氣象衛(wèi)星和資源衛(wèi)星也可以獲得一些海洋現(xiàn)象的信息，但由于海洋現(xiàn)象和變化的特殊性，對其觀測和研究需要專門的海洋衛(wèi)星。這類衛(wèi)星主要攜帶紅外和微波遙感器，以便接受海洋輻射和反射的電磁波信息，并將這些信息發(fā)送給地面，經(jīng)處理就能獲得反映海洋現(xiàn)象和變化的各種重要信息。

日本海洋觀測衛(wèi)星-1

分類的方法

與中國海洋衛(wèi)星一樣，國外海洋衛(wèi)星也分三類，但分類方法有所不同。其具體分類方法如下：

美國海洋衛(wèi)星-1海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，是世界上第一顆海洋衛(wèi)星

一類是海洋水色衛(wèi)星。這類衛(wèi)星與中國的海洋一號系列衛(wèi)星一樣的，主要用于探測海洋水色要素，如葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、有色可溶有機物等，此外也可獲得淺海水下地形、海冰、海水污染以及海流等有價值的信息。它的主遙感器是海洋水色儀，即可見光多光譜掃描輻射計，特點是采用定量遙感儀器，靈敏度和信噪比高，光譜分辨率高，含大氣校正波段。其典型代表是美國“海星”衛(wèi)星和印度遙感衛(wèi)星-P3等。此外，還有其他多顆這樣的衛(wèi)星。

印度海洋衛(wèi)星-2

第二類是海洋地形衛(wèi)星。它主要用于探測海表面拓撲，即探測海平面高度的空間分布、海冰、波高、海面風速和海流等。其在地球物理、海洋大中尺度動力過程等學科研究上的科學價值以及在海洋災害預報和海底油氣資源勘探開發(fā)方面的經(jīng)濟價值是顯而易見的。這類衛(wèi)星一般只配置2臺遙感器，即雷達高度計和微波輻射計，主遙感器是雷達高度計，微波輻射計僅作為水汽遙感器使用，為雷達高度計的水汽訂正服務。其典型代表是的美國和法國合作研制的“托佩克斯/海神”和“賈森”1、2等。

第三類是海洋動力環(huán)境衛(wèi)星。它主要用于探測海洋動力環(huán)境要素，如海面風場、浪場、流場、海冰等，此外，還可獲得海洋污染，淺水水下地形、海平面高度信息。其通常裝載有合成孔徑雷達、微波散射計、雷達高度計和微波輻射計等（微波輻射計僅作為水汽遙感器使用）。這些微波遙感器組合后可提供全天時、全天候的海況實時監(jiān)測資料，能獲得波向、波浪功率譜和流場及海溫等方面的信息，實時監(jiān)測的高覆蓋率，大面積測量和高分辨率海面資料對改進海況數(shù)值預報模式，提高預報效果，包括短期、中期乃至長期預報具有極其重要的意義。其典型代表是的歐洲遙感衛(wèi)星-1、2和環(huán)境衛(wèi)星-1。歐洲遙感衛(wèi)星-1、2裝有微波散射計、雷達高度計和微波輻射計等遙感器，主要目的是開展衛(wèi)星測量海洋動力基本要素，為用戶進行業(yè)務服務及為世界大洋合作研究項目提供業(yè)務服務參數(shù)（包括海面風場、大地水準面、海洋重力場、極地海冰的面積、邊界線、海況、風速、海面溫度和水氣等）。

歐洲遙感衛(wèi)星-1用于測量海洋動力基本要素

美法合作研制的“托佩克斯/海神”（左）和“賈森”2對海洋進行聯(lián)合探測

這三類衛(wèi)星是監(jiān)測全球海洋變化研究的重要手段。例如，已用歐洲遙感衛(wèi)星-1、2加強了對海洋動力過程的科學認識，尤其是北極海域的各類海洋現(xiàn)象；已用“托佩克斯/海神”衛(wèi)星研究了大洋環(huán)流及其在長期氣候演變中的效應等。

探海三步曲

至今，國外海洋衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)已經(jīng)歷了探索試驗（1970～1978）、試驗研究（1978～1985）和應用研究（1985～至今）三個階段。

在探索試驗階段，早在1962年美國進行了載人水星號試驗飛行，第1次從160米高空觀測海洋，拍攝了海洋照片，開創(chuàng)了從太空探測海洋的新紀元。此后，美國先后用氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星和空間站等航天器搭載海洋探測儀器，進行探索試驗。

剛剛退役的歐洲環(huán)境衛(wèi)星-1

在試驗研究階段，美國于1978年6月22日發(fā)射了海洋衛(wèi)星-1海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，它是世界第一顆海洋衛(wèi)星。雖然由于電源故障，該衛(wèi)星僅工作了106天，但它仍傳回了非常有價值的數(shù)據(jù)，特別是首次提供了民用合成孔徑雷達的數(shù)據(jù)，為以后發(fā)展民用合成孔徑雷達打下了基礎。星上雷達高度計及傳回的數(shù)據(jù)也為“托佩克斯/海神”衛(wèi)星打下了基礎。該衛(wèi)星還裝有探測風場的微波散射計、探測海面溫度和大氣水分的多譜段微波輻射計等。

在應用研究階段，美國、蘇聯(lián)／俄羅斯、日本、歐洲、加拿大、印度和韓國等國先后把形形色色的海洋衛(wèi)星送上太空。

在海洋水色衛(wèi)星方面，現(xiàn)在能研制和發(fā)射此類衛(wèi)星的國家有中國、美國、俄羅斯、印度、韓國等。

1997年8月1日，美國發(fā)射了世界上第一顆專用海洋水色衛(wèi)星——“海星”。該衛(wèi)星只裝有海洋寬視場遙感器，用于海洋水色探測和海洋生產(chǎn)力研究。該遙感器由一個光學掃描儀和一個電子設備模塊組成，掃描裝置驅動一個離軸的折疊望遠鏡和一個轉動的半角望遠鏡，兩者相位上同步，望遠鏡速率比反射鏡大一倍。其應用目標包括科學和技術兩方面內容。科學目標包括：確定海洋浮游生物大量繁殖的空間和時間分布，以及全球尺度上的海洋浮游生物生產(chǎn)力規(guī)模和變化情況；量化分析海洋在全球碳循環(huán)和其他生物化學循環(huán)中的作用；認識和量化分析海洋物理過程與大尺度生產(chǎn)力圖形之間的關系；了解河流滋養(yǎng)海洋的結果；促進海洋水色數(shù)據(jù)處理技術的提高和應用的推廣等。技術目標包括：研究和驗證用于生物光學特性和大氣修正的算法；演示和校正星上海洋寬視場遙感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的工作性能及測量精度，并評估其軌道特性等。

美法合作研制的“賈森”-2海洋衛(wèi)星

歐洲“土壤濕度與海洋鹽度”衛(wèi)星

1987年、1990年，日本先后發(fā)射了海洋觀測衛(wèi)星-1A、1B，它們帶有多種輻射計：多光譜輻射計、微波輻射計、熱紅外和可見光輻射計,還帶有CCD探測器，主要用于觀測海洋水色和海表溫度。

1999年，韓國發(fā)射了韓國多用途衛(wèi)星-1，裝有海洋水色成像儀，用于海洋水色探測。

在海洋地形衛(wèi)星方面，美國和法國合作研制的“托佩克斯/海神”和“賈森”-1、2等海洋地形衛(wèi)星，先后在1992年、2001年和2008年升空，目前在軌運行的“賈森”-2衛(wèi)星是目前最先進的海洋地形衛(wèi)星，用于提供高精度的海面高度數(shù)據(jù)。

2008年6月20日上天的“賈森”-2耗資4.33億美元，采用多用途衛(wèi)星平臺，質量只有約553千克，功率620瓦，運行在高約1336千米、傾角66°的軌道上，使用壽命為5年。該衛(wèi)星用于繪制海面地形圖、改進颶風等海洋天氣預報，探測精度達到2.5厘米～5厘米，幫助科學家更好地跟蹤洋流，了解地球環(huán)流和氣候變化的規(guī)律，改進颶風等海洋天氣預報，更好地認識諸如厄爾尼諾、拉尼娜等海洋氣候現(xiàn)象，每10天完成一次對全球洋面高度的測量，從而確定海洋環(huán)流、氣候變化及海平面上升情況。它攜帶了海神-3高度計、改進型微波輻射儀、多普勒追蹤系統(tǒng)接收儀、激光反射鏡陣列和全球定位系統(tǒng)等多種先進觀測儀器，其中的海神-3雷達高度計可測量洋流、海浪特征和風速，測量海平面的高度的誤差僅為3.3厘米左右，使得繪制海面地形圖成為可能。入軌后該衛(wèi)星一直向地面?zhèn)鬏斎蚝Ｆ矫娓叨?、洋流流速及方向、海洋內儲存的熱量等?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有助于提高颶風預測準確度，并更準確地為船舶提供海事氣象預報。其另一項重要任務是收集海洋變化的各種數(shù)據(jù)，從而對全球氣候變暖的規(guī)模及影響進行評估。“賈森”-2涉及的科研領域包括航海氣象、海況預報、氣候監(jiān)測、海洋與地球系統(tǒng)等。

在海洋動力環(huán)境衛(wèi)星方面，2002年3月1日發(fā)射的歐洲環(huán)境衛(wèi)星-1是歐洲遙感衛(wèi)星-1、2的后續(xù)衛(wèi)星，今年剛停止工作。它上仍裝載了歐洲遙感衛(wèi)星-1、2上的海洋遙感器，其技術性能有所改進，探測能力亦會增強，還具有探測海洋水色環(huán)境和海岸帶的能力，如葉綠素濃度、泥沙含量、有色可溶有機物及海洋污染和海岸形成過程等，而歐洲遙感衛(wèi)星-1、2則不具備這種能力。該衛(wèi)星配置了8臺遙感器，其中用于海洋觀測的包括：先進合成孔徑雷達、雷達高度計、微波輻射計、先進沿軌掃描輻射計、中分辨率成像光譜儀。

蘇聯(lián)/俄羅斯的海洋-01系列衛(wèi)星

現(xiàn)狀與未來

1996年，印度發(fā)射了第一顆試驗型海洋衛(wèi)星——印度遙感衛(wèi)星-P3。該衛(wèi)星上的海洋觀測遙感器是模塊式光電掃描儀，主要用于海岸帶探測，幅寬2800千米。

1999年，印度發(fā)射了一顆業(yè)務型海洋衛(wèi)星——印度遙感衛(wèi)星-P4（又叫海洋衛(wèi)星-1）。該衛(wèi)星裝載的遙感器包括海洋水色監(jiān)測儀和多頻掃描微波輻射儀，主要用于獲取海洋表面溫度、風速以及海洋上空大氣中的云液和水蒸汽含量等數(shù)據(jù)。2009年，印度發(fā)射了海洋衛(wèi)星-2，衛(wèi)星裝有海洋水色監(jiān)測儀和Ku頻段微波散射計，主要用于海風觀測。

蘇聯(lián)/俄羅斯從1979年起發(fā)射了一批用于海洋和極區(qū)冰況觀測的海洋水色衛(wèi)星，稱為海洋-01系列衛(wèi)星，到1995年8月底一共發(fā)射了12顆(包括1次失敗)，其中1988年5月至1994年10月所發(fā)射的4顆衛(wèi)星也稱為海洋-1～4。這些衛(wèi)星裝有X波段側視雷達、可見光/紅外掃描儀、微波輻射計，重1.95噸，設計壽命半年到一年。

俄羅斯從1997年起發(fā)射新一代大型海洋-0系列衛(wèi)星，設計壽命增加到3年，重量6.5噸。它裝載9臺遙感器，主要特點是光學遙感器分辨率提高了，可見光的分辨率25～200米，紅外的分辨率100～600米。另外，烏克蘭計劃利用海洋-0系列衛(wèi)星的平臺及部分遙感器，加入合成孔徑雷達進行海洋和資源探測。

2009年，歐洲發(fā)射了“土壤濕度與海洋鹽度”衛(wèi)星，用于提供規(guī)則的海表鹽度地圖，并可展示大量淡水在何處何時出現(xiàn)。

今年，法國和印度合作研制的“薩拉爾”海洋衛(wèi)星將升空，運行在高800千米的太陽同步軌道上。該衛(wèi)星質量約450千克，采用印度微型平臺-2，裝有法國的Ka頻段高度計、多普勒軌道學與無線電定位集成衛(wèi)星系統(tǒng)、激光反射鏡陣列等，壽命為3年～5年。其中首次采用的Ka頻段高度計可以避免電離層變化對測量的影響，提高觀測數(shù)據(jù)的水平分辨率，改善近海、冰水混合區(qū)觀測資料的精度，并增加海灣、內陸水域和陸地觀測數(shù)據(jù)的采樣，但Ka頻段高度計對雪面的穿透深度只有0.1米～0.3米（Ku高度計為2米～10米），且在對流層中水汽含量較高時會干擾觀測結果，不過，它仍能獲得很高比例的可用觀測數(shù)據(jù)?！八_拉爾”用于精確、連續(xù)測量全球的海洋表面高度、有效波高度和風速，提升海洋學研究水平及，以及對全球氣候變化分析和預報能力。

印度和法國聯(lián)合研制的“薩拉爾”海洋監(jiān)測衛(wèi)星

2010年上天的韓國通信-海洋-氣象衛(wèi)星-1是第一顆運行在地球同步軌道上運行海洋觀測衛(wèi)星

現(xiàn)在，歐美正在建造用于替換“賈森”-2的“賈森”-3海洋地形衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星的重量為553千克，設計壽命3年，預計將在2013年發(fā)射。屆時，它將運行在距地面1336千米的軌道上，超越目前在軌運行的“賈森”-2，實現(xiàn)高精度海洋地形測量的連續(xù)性，還將為實現(xiàn)連續(xù)多個海洋地形測量任務搭建橋梁?！百Z森”-3上的海神-3B雙頻測高儀是其關鍵設備，星上其他設備與“賈森”-2基本相同。

總的來講，現(xiàn)代海洋衛(wèi)星具有以下特點：衛(wèi)星普遍運行在太陽同步軌道，軌道定位精度高，采用多種遙感器配合測量，采用大型綜合性遙感平臺，光學遙感器向多波段、高光譜、高空間分辨率發(fā)展，雷達高度計性能進一步提高，合成孔徑雷達廣泛應用于海洋探測，國際合作進一步增強。

海洋衛(wèi)星現(xiàn)正朝大小兩個方向發(fā)展，其中小型海洋衛(wèi)星的設計思想是“輕質量、低成本、快交付、多用途”，大型海洋衛(wèi)星的設計思想是同時搭載多種遙感器進行綜合測量。

海洋水色衛(wèi)星的發(fā)展趨勢是：星載遙感器將有更高的光譜分辨率，在波段配置上實現(xiàn)窄波段高靈敏度；衛(wèi)星觀測覆蓋周期進一步縮短，覆蓋范圍由局部海域變?yōu)槿蚝Ｑ?；衛(wèi)星運營進入業(yè)務化、系列化。

海洋地形衛(wèi)星的發(fā)展趨勢是：提高測量精度，擴大應用范圍，軍用與民用兼顧，進入民用業(yè)務化階段。

海洋動力環(huán)境衛(wèi)星的發(fā)展趨勢是：進一步提高微波遙感器的性能，實現(xiàn)多種遙感器的集成，包括可見光、紅外到微波波段，發(fā)展綜合型環(huán)境觀測衛(wèi)星。