海洋卫星应用系统现状及发展

刘圆 韩进喜

（1 国家海洋卫星应用中心 2 军事科学院系统工程研究院）

2018年，我国先后发射了海洋一号C卫星、海洋二号B卫星与中法海洋卫星，大大推进了海洋卫星立体观测体系建设进程。海洋卫星立体观测是建设海洋强国的一个重要标志，也是实施“一带一路”倡议的有机组成部分。伴随着各类海洋卫星陆续发射升空，海洋遥感数据成指数倍增长，对海洋卫星应用系统和产品制作技术提出新要求。加快海洋卫星应用系统建设和遥感数据产品技术开发，是提升海洋卫星立体观测体系业务化能力、提高海洋卫星遥感数据产品在国民经济和国防建设中应用水平的有效举措。

1 海洋卫星立体观测体系构成

随着我国航天技术快速发展与应用能力不断增强，国家海洋卫星及其探测技术也得到了长足进步。目前，我国已形成以海洋一号（HY－1）卫星、海洋二号（HY－2）卫星及高分三号（GF－3）卫星为代表的海洋水色、海洋动力环境及海洋监视监测系列卫星，建立了具有优势互补的海洋卫星观测体系，并开始发挥显著的社会和经济效益。

海洋一号卫星

1997年6月，我国第一颗海洋卫星——海洋一号卫星正式立项，拉开了我国“海洋”系列卫星发展的帷幕。2002年5月15日，海洋一号A卫星发射升空，并开始进行业务化运行，结束了我国没有海洋卫星的历史。海洋一号A卫星在轨运行685天，期间获得了中国近海及全球重点海域的相关信息，用户范围覆盖国内的海洋管理与生产作业、科研院所、国防建设等部门的126家单位。2007年4月11日，海洋一号B卫星发射升空，提升了我国海洋观测的业务化能力。该卫星针对海洋一号A卫星设计中的不足和业务化要求，对技术指标进行了大幅优化，使其整体能力得到提升，实现了对我国主张的3×106km2管辖海域水色环境的大面积、实时和动态监测，并获得了包括南极、北极以及热点海域如亚丁湾等境外区域的近实时环境信息。

海洋一号C卫星于2018年9月7日发射，是海洋一号A卫星和海洋一号B卫星的后续星，将用于观测全球海洋的叶绿素浓度、悬浮泥沙、可溶性有机物等海洋水色信息，以及海表温度、海冰、海雾、赤潮等海岸带动态变化信息。它优化了载荷设计，减少了杂光影响，新增了紫外观测频段和星上定标系统，大气校正精度和水色定量化观测水平也大幅提升。作为一颗业务卫星，它将与后续的海洋一号D卫星组网运行，形成上、下午双星组网，开展大幅宽、高精度、高时效观测，具备全球1天2次的水色水温探测覆盖能力。

海洋一号C卫星示意图

海洋二号卫星

2007年1月，我国海洋二号卫星正式立项，并于2011年8月16日发射了海洋二号A卫星，大大提升了我国海洋物理遥感探测水平。据统计，2012－2014年，海洋二号A卫星完成了全部台风的监测任务，在每次台风的生命周期可至少对其完成一次观测，3年间共计捕获台风79次，为台风预报、研究、分析提供了新的数据源。

海洋二号B卫星于2018年10月25日发射，是海洋二号A卫星的后续星，是一颗业务卫星，也是海洋动力环境卫星星座的首颗卫星。海洋二号B卫星将用于观测全球海洋海面高度、海面风场、有效波高、海洋重力场、海底地形等海洋动力环境要素。该卫星的主要遥感载荷有微波散射计、微波扫描辐射计和雷达高度计等，该卫星是目前在轨利用单一卫星平台获取海洋动力环境信息最多的卫星。测高精度提高到5cm，具备完全自主的高精度精密测定轨能力，达到国际同类卫星的观测精度和同等精密定轨水平。该卫星将与后续的海洋二号C卫星和海洋二号D卫星组网形成全天候、全天时、高频次的全球大中尺度海洋动力环境卫星监测体系。

中法海洋卫星

中法海洋卫星于2018年10月29日发射，是落实中法两国航天合作协议、面向海洋风浪探测和全球气候变化需求研制的一颗具有海风海浪联合探测能力的卫星，率先实现了全球海浪谱信息的空间连续获取能力。

中法海洋卫星示意图

该卫星是世界首颗具备全球全天候、全天时连续同步获取海洋风浪信息的卫星，在海洋防灾减灾和海上航行安全保障等方面较其他卫星优势明显，主要用于获取全球大面积海洋波浪谱、有效波高、海面风场和极地海冰信息等。

高分三号卫星

高分三号卫星是我国首颗C频段多极化合成孔径雷达（SAR）卫星，于2016年8月10日发射升空。高分三号卫星是我国“高分辨率对地观测系统”专项工程的一颗遥感卫星，地面分辨率达到1m，显著提升了我国对地遥感观测能力，进一步夯实了时空协调、全天候、全天时对地观测目标的重要基础。

高分三号卫星工作示意图

高分三号卫星在系统设计上进行了全面优化，具有高分辨率、大成像幅宽、多成像模式、长寿命运行等特点，主要技术指标达到或超过国际同类卫星水平。特别是其12种成像模式，涵盖传统的条带成像和扫描成像模式，以及面向海洋应用的波成像模式和全球观测成像模式，是世界上成像模式最多的SAR卫星。卫星成像幅度大，与高空间分辨率优势相结合，既能实现大范围普查，也能详查特定区域，可满足不同用户对不同目标成像的需求。其在海洋监视监测方面可获取我国3×106km2管辖海域的监视数据，提供油气资源勘探开发、船舶作业、岛礁变化、海面溢油、风暴潮、巨浪、海冰等信息，提升海洋权益维护能力，为海上侵权突发事件快速响应提供保障。同时，该卫星还可获取全球大洋和近海预报及海况预报精度，更新海岛和海岸带环境综合督查数据，为海洋综合管理提供服务。

2 海洋卫星立体观测体系有效载荷特点

海洋监测技术作为海洋卫星立体观测体系建设的重要组成部分，在海洋环境探测与应用服务中起着非常重要的作用，是准确判断海洋实时状况的科学依据。采用快速、准确的实时海洋观测技术，获得大范围、长时间序列的海洋环境观测数据始终是海洋观测与监视技术的发展目标。观测监视技术的进步取决于海洋监测卫星上携带的各种有效载荷。

海洋一号C卫星载荷主要特点

海洋一号C卫星装载了海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪、紫外成像仪、星上定标光谱仪和船舶自动识别系统等5个有效载荷。与海洋一号A卫星和海洋一号B卫星相比，该星观测精度、观测范围、使用寿命均有大幅提升。其中，海洋水色水温扫描仪和紫外成像仪在提升海洋遥感探测能力方面，将发挥十分显著的作用。

水色水温扫描仪是海洋一号C卫星的主载荷，设有8个可见光红外频段和2个热红外频段，将用于获取海洋水色、水温的定量化遥感数据。海洋一号C卫星水色仪对5年寿命、偏振、杂光、冷空间嵌位以及信噪比等关键技术问题进行了改进，其中制冷机采用了我国自主研制的长寿命脉管制冷机，提高了关键元器件国产化水平。

紫外成像仪作为海洋一号C卫星的新增载荷之一，采用紫外大视场透射式光学系统和第三代宽禁带半导体焦平面探测器方式，结合多模块精密拼接技术进行对地观测，具备500m级星下点地面分辨率、2900km超大幅宽、高信噪比、宽动态、稳定性监测和精密热控技术等特点，具备对全球一天一次的覆盖能力，将进一步拓展我国水色卫星遥感探测能力，并拓展水色卫星遥感探测的波谱覆盖范围，提高大气校正能力，提升对海洋可溶性有机物及碳循环的遥感监测能力，为大面积海上溢油等灾害提供探索性验证手段。

海洋二号B卫星载荷主要特点

海洋二号B卫星上的载荷主要有雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计、校正辐射计、数据收集系统和船舶自动识别系统等6个有效载荷。其中，雷达高度计主要用于测量海面高度、有效波高、海流和重力场参数；微波辐射计能够实时获取观测区域内海面温度、海面风速、海冰、海洋上空降雨量、水蒸气含量、液态水含量等海洋动力环境参数；微波散射计能够通过精确探测海洋表面微弱的散射信号，利用几何模型函数推导出海面的风向和风量；校正辐射计则是为雷达高度计提供大气湿对流层路径延迟校正服务。

此外，海洋二号B卫星新增的船舶识别和数据收集分系统，实现了6个有效载荷的有机融合，不仅能对海面高度、风场、温度等海洋动力环境要素精准观测，还具备对全球船舶自动识别以及接收、存储和转发我国近海及其他海域的浮标测量数据的能力。

中法海洋卫星载荷主要特点

中法海洋卫星首次实现了海风和海浪同步观测。该星搭载了我国研制的微波散射计，以及法国研制的海洋波谱仪，将在距地520km的轨道上24h不间断工作，实现对全球海洋表面风浪的大面积、高精度同步观测，并通过相关科学实验和应用，进一步科学认知海洋动力环境的变化规律，提高对巨浪、海洋热带风暴等灾害性海况预报的精度与时效。

在中法海洋卫星的有效载荷中，微波散射计是全球首台扇形圆锥扫描散射计。它具有大尺度、全天时、全球观测的特点，一天可以覆盖全球的海域面积，能在海面台风等海洋环境监测中发挥独特作用。例如，在台风仍为热带低压状态时，卫星的微波散射计就可以捕捉到它的形态特征，并将观测数据实时发给用户，为相关部门分析及预报提供决策依据。同时，该微波散射计还能准确捕捉到台风中心位置，跟踪其位置变化，并提供直观清晰的图像观测资料，对台风强度及其破坏性判断非常有效。

此外，中法海洋卫星的数传分系统由中方和法方联合研制，负责接收微波辐射计和波谱仪传来的遥感数据，并进行编码、存储或直接将数据传回地面接收站。特别是该星上的固态存储器采用分区设计，将固态存储器分成了两个区域，由中方和法方分别使用，实现了互不干扰。

当卫星运行至我国境外上空时，数据处理器会将遥感数据送到固态存储器存储；当卫星到达我国境内上空时，数据处理器会向固态存储器发出请求信号，将编码后的遥感器数据和存储在固态存储器的数据进行融合，再通过数传天线发送到地面图像接收站，供用户分析使用。

3 海洋卫星应用系统建设思考

海洋物理遥感数据是深度认识海洋与经络海洋的基础。海洋卫星立体观测体系在获取海洋物理遥感数据的同时，也对海洋卫星应用系统建设和海洋遥感数据产品制作技术提出挑战。准确把握海洋物理遥感数据应用方向，不断创新海洋遥感数据产品制作技术，对推进海洋卫星应用系统建设有重要的促进作用。

海洋卫星遥感数据应用方向

随着海洋卫星立体观测体系的建设，海洋卫星遥感数据量正在指数增长，将在海洋资源开发、海洋环境保护、海洋灾害预报、海洋安全维护等方面得到广泛应用，为经济社会发展和国家安全利益拓展带来强有力保障。其主要应用方面体现在以下六个方面：

一是为海洋综合管理和权益维护提供支撑。海洋卫星遥感数据可为专属经济区（EEZ）划界外交谈判提供海洋环境和资源信息，尤其是对调查船及飞机难以进入的敏感海域，海洋卫星遥感可发挥独特作用。

二是为提高海洋环境监测预报提供保障。我国地处西北太平洋西岸，该海域是全世界38%热带风暴的发源地，每年造成的直接经济损失近百亿元。提高海洋环境监测预报能力，急需大量多元海洋遥感数据做技术支撑。

三是为海洋资源调查与开发提供支持。海洋资源主要是海洋油气、海洋渔业和海岸带资源。近年来，我国的近海渔场普遍出现衰竭现象，迫切需要发展远洋渔业。海洋资源开发利用是实现海洋强国战略的重要组成部分，也是构建海洋遥感卫星立体观测体系的一个主要目标。

四是为海洋国防活动提供保障。

五是有利于实施海洋污染监测、监视与海洋自然环境资源保护。海洋污染主要是石油污染和污水污染。海上石油污染来自陆源排放、海上油井泄漏及船舶排放等，其中陆源排放量最多。我国沿海约有250多处油污染源，每年排放量在10万吨以上。

六是有利于加强全球气候演变研究，提高对灾害性气候预测能力。海水温度是影响中长期天气过程的重要因子，对全球气候演变研究和预报有重要影响。灾害性气候研究与海洋变化规律性特征研究，都需要大量海洋遥感数据积累支撑。

加快海洋卫星应用系统建设

应用系统是海洋卫星立体观测体系的重要组成部分，对提高海洋卫星遥感数据应用水平有着不可或缺的促进作用。在海洋卫星发展初期，由于受在轨卫星数量及遥感数据应用规模的影响，应用系统建设相对滞后。目前，我国海洋卫星立体观测体系已进入快速发展阶段，经济社会发展与国防建设对海洋遥感数据需求大幅度增加，同样迫切需要大力推进应用系统成体系化建设。

一是立足于海洋卫星立体观测体系进行统筹谋划。针对海洋卫星立体观测体系构成特点，围绕海洋一号、海洋二号与高分三号卫星星座及遥感数据要求，从顶层做好应用系统建设整体规划。

二是立足于应用技术超前与创新发展。面对海量卫星遥感数据，在应用系统技术领域引入大数据与人工智能技术，瞄准卫星遥感数据应用技术发展前沿，推进我国海洋卫星遥感数据应用技术创新。其关键是及早布局卫星遥感数据应用技术创新与探索研究，大力构建一流创新研发团队，不断提升卫星遥感数据应用技术水平。

三是立足于军民融合国家战略发展需要。构建海洋卫星立体观测体系是国家海洋强国战略的一项举措，其应用系统建设符合军民融合国家战略利益。加快应用系统建设步伐，既要发挥专业应用机构技术优势，又要调动国防等领域各职能机构积极性，做到多方参与，优势互补，共建共享。

创新海洋遥感数据产品制作技术

随着海洋卫星立体观测体系建设，卫星遥感数据应用领域将大幅拓展，带来海洋遥感数据产品形式与制作技术的快速发展。创新遥感数据应用产品形式与制作技术，是发挥整个卫星体系建设效益、提升卫星遥感数据应用水平的关键。

一是星上数据处理与地面产品制作有机结合。针对不同用户需求及特点，既可交付星上处理数据，也可交付在地面由专业机构制作的数据产品。同时，加强用户数据应用能力培养，引导用户对多种形式海洋卫星遥感数据产品的应用。

二是创新各类海洋卫星遥感数据融合技术。针对特定海域获取的各类海洋卫星遥感数据，反演该区域海洋物理特征，进行数据融合，实现对海洋物理特征的近实时监视监测。

三是加快卫星遥感数据产品制作技术研发。随着海洋卫星遥感数据应用领域的拓展，产品形式与制作技术面临新的挑战。在特定时间向特定用户提供相应的海洋卫星遥感数据产品，已成为发挥海洋卫星遥感数据应用价值的焦点。遥感数据产品制作技术的大幅提升，将有效改进各类数据产品的制作水平，为全面提高海洋卫星立体观测体系应用效益发挥积极作用。