构建中国海洋卫星体系提升海洋环境与灾害监测能力

杨保华

（中国空间技术研究院，北京100094）

1 引言

海洋占地球表面的71%，占全球水量的97%，是一个极为复杂的动力系统，在维持全球气候与生态平衡中发挥着极其重要的作用。随着人类活动地域的扩展，海洋灾害对人类社会造成的损失也逐年上升。中国海洋国土面积300万平方千米，陆地海岸线长达1.8万千米，约有70%以上的大中城市和50%以上的人口集中在沿海地区，海洋在中国经济社会发展中占有极为重要的战略地位［1］。

中国对海洋环境和灾害监测工作高度重视，先后发射了两颗海洋水色卫星和一颗海洋动力环境探测卫星。胡锦涛总书记在2008年两院院士大会上强调：“要加快遥感、地理信息系统、全球定位系统、网络通信系统的应用以及防灾减灾高技术成果转化和综合集成，建立国家综合减灾和风险管理信息共享平台。”在2010年两院院士大会上再次提出：“要大力发展空间和海洋科学技术，提高海洋探测及应用研究能力和海洋资源开发能力，使我国海洋技术水平进入世界前列。”《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中，也将海洋和空间技术作为国家科技发展的战略重点。这些都对中国海洋卫星观测体系的建立提出了迫切需求。

2 海洋卫星在海洋环境与灾害监测中的优势

要准确预测海洋灾害，就必须有长期、连续的海洋环境观测数据支持。在获取海洋环境数据的多种手段中，卫星以其独特的能力和优势，在海洋观测中越来越受到重视，发挥着日益重要的作用。在20世纪70年代，人类已开始利用卫星系统对海洋环境进行观测，积累了大量数据，对海洋环境的认识和海洋灾害监测能力有了质的飞跃。与常规的海洋观测手段相比，卫星遥感具有许多独特的优势：

1）限制条件少。卫星因所处位置高远，基本不受地理、天气和人为条件的限制，可以覆盖偏远、环境条件恶劣的海区，以及由于政治、军事原因不能直接进行调查的海区。

2）大面积同步。依靠传统的方式，很难进行大面积同步观测，而卫星遥感可以同步观测几千至几万平方千米，对海洋灾害监测、资源普查、大面积测绘制图极为有利。

3）时效性突出。卫星遥感可以在几天内对同一海区进行重复观测，持续跟踪海洋要素的动态变化。卫星能够周期性地监视大洋环流、海面温度场变化、鱼群迁移、污染物漂移等情况。这对研究海洋不同周期的环境要素变化及灾害监测非常重要。

4）综合优势强。卫星遥感能同时进行海面风场、高度场、温度场、浪场、重力场、大洋环流等相互作用和能量收支情况的综合观测，数据获取效率高，常规船舶观测需要几十年才能完成的任务，卫星遥感几个月就能够实现，社会效益与经济效益十分显著。

一般说来，遥感卫星都可以用来观测海洋要素，如很多陆地资源卫星、气象卫星也可以获取图像、温度等数据，但由于海洋环境及动力要素观测的特殊性，常规遥感卫星及其载荷在设计上对海洋观测的针对性不足，所获数据很难达到理想的应用效果，因此，需要专门的海洋卫星以满足海洋观测的特殊需求：

1）观测要素特殊。海洋水色遥感探测信号强度弱，一般只有陆地的1／6～1／4。此外，可观测谱段带宽较窄，可见光通道带宽约为10nm，近红外通道带宽约为20nm。针对海表温度、盐度、风速等海洋动力观测要素，微波辐射计要使用较低的微波频率，对分辨率要求较高；海面风场探测需要微波散射计支持；海表高度、有效波高需要微波高度计或激光高度计支持。

2）观测精度要求高。海洋水色遥感要求信噪比（SNR）大于500，在谱段窄的情况下实现如此高的信噪比难度很大。为避免云等亮目标影响，遥感器杂散光要严格控制在2%以内，偏振度抑制能力一般要小于2%。此外，为避免海面太阳耀斑对成像的影响，通常要求卫星或遥感器具有俯仰倾斜成像功能。针对海洋动力遥感，一般需要厘米级的定轨精度要求，远高于其他卫星米级的要求。

3）海面动态变化剧烈。海洋总是处于动态变化中，特别是灾害发生时，变化情况更为剧烈，数小时之内海面状况就可能发生翻天覆地的变化，因此海洋观测的时间观测分辨率至少要达到1天的目标。考虑云的影响，还应进行上、下午星组网观测。

4）载荷连续性观测。海洋占全球面积2／3以上，要实现海洋全覆盖观测，几乎是进行全球观测，因此需要连续遥感。

3 国内外海洋卫星发展现状与趋势

3.1 国外发展现状与趋势

美国、欧洲、日本、加拿大等世界主要航天国家和地区在海洋卫星发展方面都已达到很高的水平，并仍在加速发展；韩国、印度等也都发射了海洋卫星。国际上卫星海洋应用已经逐步向业务化发展，在海洋环境和灾害监测中发挥着重要作用。目前，在海洋环境观测中，国外已通过对两极冰川的长期监视，掌握了海平面上升与冰川变化趋势的关系，通过大洋环流与海气相互作用的动态变化观测，探索了海洋与全球气候变化的联系；在海洋灾害方面，海洋卫星提供的大量连续、实时观测数据对灾害预报、灾害评估和灾后重建起到了关键作用。表1列出了国外用于海洋观测的主要卫星概况。

表1 国外主要用于海洋观测的卫星Tab.1 Main foreign ocean observation satellites

国外海洋卫星发展趋势主要体现在以下几个方面：

1）注重体系建设和持续稳定运行。海洋观测是一项长期的任务，只有对长期观测的数据进行分析整理，才能准确地揭示各种海洋现象，服务海洋应用。国外在规划和建设时，重视体系的顶层设计，通过制定天地一体化的综合对地观测计划，发展建立全球性、立体、多维空间的海洋观测体系，注重保持观测数据的持续性，实现多种海洋观测卫星联合观测和持续稳定运行。

2）观测要素覆盖全面，技术指标不断提高。国外卫星能够观测到的海洋要素越来越全面，从最早的单一观测要素，发展到目前的水色、动力学环境以及海上目标等多种观测要素，欧洲航天局的 “环境卫星”就装载了多种光学和微波载荷，能够观测多种海洋特性。海洋观测要素的测量精度也越来越高，后续更高分辨率卫星也在研制之中。

3）专业海洋卫星与具备海洋观测能力综合型卫星并行发展。一方面，国外大力发展专业型的海洋卫星。另一方面，国外在其他遥感卫星上装载了具备海洋要素观测能力的有效载荷，进一步拓展了海洋观测业务能力。

3.2 国内发展现状与成就

2002年5月，中国成功发射了第一颗海洋水色卫星—— “海洋一号A”（HY-1A）卫星，结束了中国没有海洋卫星的历史，使中国海洋观测跨入卫星海洋时代，获取了大量海洋观测数据。利用“海洋一号A”卫星数据，对渤海、黄海、东海近24次赤潮实施了预警和监测；对中国渤海每年冬季3个月左右的结冰期进行了海冰预报，并获取了大量南北极冰盖数据，为科学考察提供了基础数据。2007年4月，“海洋一号B”（HY-1B）卫星成功发射，卫星观测视场得到扩大，将海洋重复观测时间从3天缩短到了1天，卫星综合性能得到提高，进一步提高了应用水平，目前仍在超期服役［2-3］。

2011年8月成功发射的 “海洋二号”（HY-2）卫星，是中国首颗海洋动力环境探测卫星。其主要使命是：观测全球海洋动力环境参数，包括海面风场、海面高度场、浪场、海流、海上风暴、潮汐、海洋动力场、大洋环流和海表温度场等重要的海洋参数。它是海洋防灾减灾的重要监测手段，可直接为灾害性海况预警、海洋科学研究、海洋环境预报和全球气候变化研究提供卫星遥感信息，还可提供全球海洋地形数据和海浪数据，其中全球高分辨率海洋大地水准面数据可直接为国防服务［4］。

即将立项研制的1m分辨率C频段多极化SAR卫星是海洋监视监测卫星，主要满足专属经济区（EEZ）的执法监视、海洋权益维护，以及中国海洋综合规划、利用、保护、防灾减灾等业务化需求。

通过 “海洋一号”和 “海洋二号”卫星的研制和发射，中国取得了以下技术进步和突破：

1）填补了中国在海洋水色和海洋动力环境空间遥感领域的空白。“海洋一号”卫星使中国跨入卫星海洋时代，“海洋二号”卫星缩短了中国与国外近30年的差距，使中国海洋卫星观测技术进入世界先进行列［5］。

2）突破了一大批关键技术。其中包括：海洋微波和光学遥感卫星系统设计技术；雷达高度计、微波散射计、微波辐射计以及海洋水色仪等海洋遥感载荷技术；精密定轨和精确轨道控制技术［6］。

3）初步建立了天地一体化的应用系统。即由卫星、地面接收、数据处理和分发、示范应用等组成的卫星海洋遥感应用系统。

4）形成了海洋卫星研制基础能力。其中包括高精度卫星平台的设计与验证、专用有效载荷设计与验证等相关基础配套设施，以及经验丰富的专业人才队伍。

3.3 中国现有海洋卫星的差距与不足

中国海洋卫星通过多年的发展，技术上已经具有相当水平，可部分满足海洋用户需求，但与国际海洋卫星的发展相比，还存在较大差距，未来还有较大的提升空间。

1）尚未形成稳定运行的卫星体系。目前，中国只发射了3颗海洋卫星，其中在轨运行2颗，具备了海洋水色和动力环境观测手段，但由于卫星数量较少，后续业务星规划不明确，尚未形成稳定运行的业务系统，不能满足用户对海洋卫星观测数据的连续、稳定、高精度、综合应用等需求。

2）性能指标尚有差距。中国在轨运行的海洋水色卫星水色扫描仪为10个谱段，分辨率为1 100m，国外最高已经达到36个谱段，几何分辨率为250m；中国海洋动力环境卫星测高精度为5～8cm，而国外已经实现3～5cm；卫星数据质量，如辐射特性和几何特性，还有差距，影响了地面定量化应用水平。

3）观测手段还需完善。目前，盐度计、成像雷达、重力场监测、波谱仪等载荷还处于初步研发阶段，短时间内难以形成工程化应用；在浅海和岛礁深度、海洋和海冰三维成像等领域，尚属空白。

4）天地一体化应用缓慢。卫星研制和应用发展不同步，尚未形成从用户需求、卫星研制到应用的一体化互动机制，天地一体化定标工作推进缓慢，有待通过广泛持续的应用来加深对卫星性能指标的认识，促进应用需求合理转化为卫星技术需求，同时提高卫星研制和应用水平。

4 发展中国海洋卫星体系的建议

中国在海洋环境与灾害监测方面已初步具备海洋水色、海洋动力等海洋观测技术能力，但与国际水平和国家需求相比还存在较大差距，亟需从当前紧迫需求和未来长远发展出发，统筹规划海洋卫星的后续发展。因此，建议中国海洋卫星体系总体发展以满足国家海洋环境、灾害以及资源监测重大需求为出发点，以建立长期、连续、稳定服务的业务卫星体系为着眼点，以 “自主创新、提升能力、业务为基、天地统筹、分步实施”为方针，逐步建成中国光学和微波遥感相结合，高、中、低分辨率相衔接，轨道分布合理的海洋卫星体系，大幅度提高中国海洋观测能力，为发展中国海洋经济、维护海洋权益和海防安全提供稳定支持［7］。

4.1 加快海洋卫星体系建设步伐，形成连续稳定的业务服务能力

中国在20世纪90年代就提出了海洋水色、海洋动力、海洋监视的整体发展框架，但到目前为止，仅仅发射了2颗海洋水色卫星和1颗海洋动力卫星。海洋水色卫星已超期服役1年，海洋动力环境观测刚刚起步，海洋监视方面还是空白，没有建立海洋观测业务卫星发展模式，中国海洋卫星业务服务能力的差距比较明显。根据中国实际需求和技术基础，迫切需要在 “十二五”期间建设一个基本具备业务化运行能力的海洋卫星体系，并以此为基本架构，开展地球静止轨道合成孔径雷达卫星的研究，实现对太平洋、大西洋及印度洋的长期、快速观测；开展倾斜轨道海洋卫星的研究，实现对南北纬60°之间的重点海域快速覆盖，最终形成高、中、低轨相互配合，太阳同步轨道、倾斜轨道、地球静止轨道相互补充，快速重访与精细观测相互补充的海洋卫星体系。

中国海洋卫星体系由海洋水色、海洋动力环境、海洋监视监测3个卫星系列构成，三者互相结合形成综合观测能力，可以满足大部分海洋环境及灾害监测要素的需求，为中国海洋资源利用、海洋执法监察、海域管理使用、海洋环境保护以及海洋防灾减灾等提供强有力的支撑。

（1）海洋水色卫星

中国海洋水色卫星系列继承 “海洋一号”卫星技术基础，对第一代水色仪和成像仪进行技术改进和性能完善，包括水色仪制冷机寿命提高到20 000h，水色仪和海岸带成像仪偏振灵敏度提高到2%，海岸带成像仪荧光谱段（B3、B4）信噪比提高3倍，以及海岸带成像仪和水色仪增加内定标功能等。在此基础上发射后续的业务卫星，保持2颗卫星连续在轨运行，形成连续稳定的海洋水色业务数据获取能力。“海洋一号”卫星具有宽覆盖的特点，能够实现1天全球无缝覆盖；两颗 “海洋一号”卫星构成星座，实现上下午星组网运行模式，可实现1天内2次对同一海域进行观测，满足海洋环境高动态观测要求。

（2）海洋动力环境卫星

海洋动力环境卫星系列继承 “海洋二号”卫星技术基础，在科研星在轨得到验证的条件下，增加延时多普勒雷达高度计或全极化微波辐射计载荷，尽快发射后续的业务卫星，保持2颗卫星连续在轨运行，形成连续、稳定的业务化数据获取能力。“海洋二号”卫星能够实现小于2天全球无缝覆盖，对于纬度稍高区域，能够实现1天全球覆盖。两颗 “海洋二号”卫星以共面相位均匀分布的形式组网，在中国大部分地区可实现对同一海域1天内2次以上的观测。

（3）海洋监视监测卫星

利用高分专项中1m分辨率C频段多极化SAR卫星的技术成果，广泛开展海洋观测应用，积累海洋微波成像监测经验。目前，设计的1m分辨率C频段多极化合成孔径雷达卫星，单侧视情况下平均重访周期小于3天；双侧视情况下，对中国94%的海洋区域重访周期小于1.5天（100km带宽）。

此外，由于大量的海洋卫星观测要素为间接测量，需通过反演手段从观测数据中提取有效信息，致使海洋卫星业务化运行能力受到定量化应用水平的制约。因此，卫星部门、载荷部门与应用部门应联合开展数据反演、高精度定标等技术的研究，规划并开展定标场建设，实现卫星和应用从能用、会用到好用、用好的转变，加快业务化运行建设步伐。通过 “十二五”建设，中国海洋观测能力将得到极大提升，不但可以实现从单星观测向星座组网观测、单一要素观测向综合观测、从近海观测向全球观测转变，而且将建立海洋观测业务化运行模式，使中国海洋观测整体能力进入世界前列。据初步估算，如果 “十二五”末期能保持上述5颗卫星在轨运行，中国将具备主要海洋环境及灾害要素的监测能力，对海洋防灾减灾、权益维护、环境保护、海域管理、海上执法监察、海洋灾害与突发事件应急监测等业务的覆盖能力可达到70%，对中国海洋战略目标的实现具有重要意义。

为促进海洋卫星业务化发展，必须加强科研卫星与业务卫星的有效衔接。一方面，在科研星得到在轨验证的基础上，及时启动业务星的研制程序；另一方面，根据业务星的设计寿命，按实际需要提前启动业务星的研制生产，以保障用户部门连续稳定的业务应用。这样不仅能够有效降低卫星研制成本，也有利于卫星质量性能稳步提高，同时还有利于用户提高应用效能。

4.2 强化技术创新，进一步提升海洋卫星观测能力

为进一步提升海洋卫星的业务服务能力，需要在 “十二五”海洋卫星体系建设的基础上，针对海洋卫星新的发展趋势和新的需求，强化创新。一方面，增强卫星平台能力，升级已有载荷的观测能力，进一步提高卫星整体性能；另一方面，需要不断丰富海洋要素观测手段，发展新型载荷，促进海洋卫星体系性能不断完善。

（1）不断提升现有系列卫星的整体性能

针对卫星长寿命、高可靠以及图像质量等与业务应用密切相关的问题，进一步增强卫星平台的承载能力，发展敏捷卫星平台技术，掌握卫星长寿命设计、研制、运行的规律，实现海洋卫星寿命长于5年；提高有效载荷的探测灵敏度和探测精度，提升现有卫星的定量化观测能力，促进海洋卫星整体观测能力达到新的高度。

1）海洋水色卫星。围绕用户任务需求，对有效载荷进行优化和改进设计。发展可编程推扫式海洋中分辨率成像光谱仪和第二代海洋水色水温扫描仪。可编程推扫式海洋中分辨率成像光谱仪空间分辨率达到100m，覆盖宽度560km，光谱分辨率最小1.5nm。第二代海洋水色水温扫描仪的空间分辨率达到500m，覆盖宽度3 000km，谱段数增加到12个（增加2个短波红外谱段），绝对定标精度达到5%。海洋水色卫星整体性能达到国际先进水平。

2）海洋动力环境卫星。进一步提高微波散射计、雷达高度计、扫描微波辐射计等载荷的性能，突破大功率发射和高灵敏接收等技术，海面有效波高的测量精度提高到0.2m，海面温度场的定标精度优于0.5K，风速测量精度达到1m／s，海浪波向精度达到15°。海洋动力卫星的技术水平进入世界前列。

3）海洋监视监测卫星。在1m分辨率C频段多极化合成孔径雷达卫星的基础上，突破双星编队飞行应用技术，形成干涉监测能力，在具备海洋目标监视能力的基础上，形成全球高程（DEM）数据获取、毫米级陆表形变与厘米级海面高度监测等服务能力。

（2）发展新型海洋观测载荷

目前，中国海洋观测手段还存在空白，已有的观测手段也存在局限性，如微波遥感器在海岸带数十千米范围内不能准确观测海面信息、主动式微波散射计存在风向模糊问题及高风速（大于25m／s）测量误差大等问题。为此，需要与海洋科学研究部门紧密配合，加强对各类海洋观测要素、观测机理的基础性研究，加大技术投入和攻关力度，研制新型海洋观测载荷。

发展三维成像雷达高度计和成像微波散射计，解决目前主、被动微波遥感存在的局限和问题，实现海洋三维成像能力。发展宽幅合成孔径雷达干涉高度计（SWOT），该高度计工作在Ka频段（约35GHz），其扫描宽度可达110km，测量海洋高度的数据单元为1km×1km，测高准确度可达到1cm，从而实现10km尺度海洋过程的观测。

大力发展盐度计、激光雷达、双频合成孔径雷达等新型遥感器系统。盐度计可在1.5GHz频段实现测量全球海洋盐度分布，盐度测量精度优于0.2psu；激光雷达可测量浅海岛礁分布，探测水深达40m，探测水深精度为30cm；双频合成孔径雷达可获取不同频段的信息，进一步提高辐射分辨特性，并在更多工作模式下实现全极化工作。

通过多种新型遥感器的研制，全方位地拓展卫星观测手段，提供多类型、多频段、多分辨率的观测数据源，实现各类数据互补应用，从而全面提高中国海洋观测水平。

4.3 加强天地一体化应用，实现卫星研制与业务应用良性互动

改变目前中国卫星研制与地面应用系统建设分立的发展现状，综合考虑卫星设计研制、地面应用系统建设、定量化产品制作等环节，推动建立面向应用的天地一体化业务发展模式。卫星研制与应用部门联合开展卫星数据产品标准研究，建立可与国际衔接、符合国情的数据产品标准体系，规范卫星的性能参数。从应用实践出发，加深对卫星图像质量的理解，研究制定可操作的卫星图像质量评价体系，形成中国卫星性能质量标准规范，促进卫星从可用向好用发展。加强典型海洋要素光（波）谱特性、微波散射辐射机理特性与算法模式、海洋要素反演和遥感应用模型仿真等应用基础研究与室内外实验场建设，发展天地一体化定标技术，从星地两方面提升遥感定量化应用能力。

4.4 积极开展对外交流与合作，提高国际影响力

中国应加大参与全球性海洋观测计划的力度。一方面，可以与国际海洋卫星互相配合，为全球提供海洋观测资源信息，彰显大国地位；另一方面，与国际卫星研制部门在海洋卫星领域开展合作，最大限度地利用国际科技资源和数据资源，通过搭载、引进消化、联合研制等手段，提高中国海洋卫星技术与应用水平，推进中国海洋卫星体系的建设和发展。

目前，国际上在海洋观测方面有多个大型计划，包括全球海洋实时观测网（ARGO）计划、全球海洋碳观测（GTOS）计划，以及欧洲海洋观测数据网络、全球海洋观测系统（GOOS）等。其中，中国参与了最具代表性的全球海洋观测系统，并在此框架下发起组织了东北亚海洋观测系统（NEARGOOS）。这些计划对于整合全球资源，形成长期、连续的海洋立体观测具有重要意义，将极大地提高人类对海洋的认识，增长人类抵御海洋灾害的能力。

5 结束语

近十年来，中国海洋卫星从无到有，初步建立了全球海域的探测试验型业务化能力。未来还需要进一步加快构建海洋卫星体系，深化海洋环境观测。一是加快海洋卫星体系建设，到 “十二五”末建成同时在轨5颗卫星、初步具备业务化运行能力的海洋卫星体系；二是强化技术创新，升级现有载荷观测能力，同时研制新型遥感载荷，以完善海洋要素观测手段，进一步提升海洋卫星观测能力；三是加强天地一体化应用研究，发展天地一体化定标技术，从星地两方面提升遥感定量化应用能力；四是开展对外交流与合作，积极拓展国际市场，参与全球海洋观测计划，为全球提供海洋观测服务，提高国际影响力。中国空间技术研究院在大力发展海洋卫星技术的同时，将积极配合业务主管部门和用户部门，推动中国海洋卫星体系顶层规划和建设，持续提升中国海洋环境和灾害监测能力，为我国海洋经济发展做出更大贡献！

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