发展海洋卫星组网观测 助力海洋强国建设

◎蒋兴伟院士

2019年11月15日，在长沙举办的第十九期钱学森论坛上，中国工程院院士蒋兴伟作了题为《发展海洋卫星组网观测 助力海洋强国建设》的主题报告，介绍了我国海洋卫星的规划和发展现状，以及卫星在海洋遥感监测中的实践应用，指出海洋卫星与地面应用系统急需协同发展，海洋遥感必将在新时代海洋强国建设中发挥重要作用。本文由《网信军民融合》杂志根据现场演讲整理。

党的十九大报告指出“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”。加快海洋强国建设要有抓手，有技术支撑。海洋卫星能快速覆盖全球海洋，而且能够进行大量多要素的探测，以其高、快、宽、全的优势，成为不可替代的有效掌握海洋环境信息的高技术手段，在海洋强国建设中发挥着重要作用。我国海洋卫星从90年代开始立项，到2002年第一颗海洋卫星首发后进入了发展快车道。海洋卫星已成为服务海洋强国建设、拓展蓝色经济空间、维护国家海洋权益、推进海洋高新技术发展中有力的技术支撑，是当前和今后海洋前沿技术的主要领域。

一、海洋卫星规划

蒋兴伟院士

2012年3月，国务院正式批复了《陆海观测卫星业务发展规划（2011年-2020年）》，该规划确定在“十二五”和“十三五”期间，将发射8颗海洋业务卫星。2015年10月，国务院同意印发的《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》中包括15+2颗海洋系列观测卫星，其中15颗是海洋系列卫星，还有2颗雷达卫星是陆海公用的。

按照规划中的2015-2025年我国海洋卫星发展路线图，在空间基础设施里规划了三个系列的海洋卫星，海洋一号系列是利用光学（包括可见光和红外技术）探测海洋水色水温的卫星。海洋二号系列是运用微波遥感技术探测海洋动力环境的卫星，海洋三号系列是实现海上目标监视的海洋监视监测卫星。三个系列的卫星都已经开始在轨运行。

从2002年开始，我国发射了第一颗海洋卫星（海洋一号A卫星），解决了有无海洋卫星的问题，开启了我国逐步发展成为海洋卫星大国的历程。去年，从9月到10月，在不到两个月的时间里，我国密集发射了三颗海洋卫星，这在我国是前所未有的，在国际上也是不多见的。其中，前两颗是准备进行组网的海洋系列卫星，9月份发射了第一颗海洋业务卫星海洋一号C卫星，10月发射的海洋2号B卫星则是动力环境卫星系列的首颗业务卫星。第三颗是中法海洋卫星，这颗卫星带着两个目前国际上最先进的载荷，一个是海洋波谱仪，一个是用于探测海洋风场的最新体制海洋散射计，代表了世界前沿载荷技术。这是一个成功的国际合作范例，对此，马克龙总统和习近平主席互致贺电，这颗卫星在轨测试以后现在也投入了我国和全球海洋业务的卫星运行。这就是我国海洋卫星发展的基本脉络。

二、卫星在海洋监测中的应用

在海洋生态调查、海洋渔业资源服务、海洋防灾减灾、海洋环境保护，以及海岛海岸带调查、海域使用动态调查、海洋执法与权益保护，特别是在海洋军事应用和全球变化探测等领域，海洋卫星都发挥了非常重要的作用。海洋卫星在这些领域的应用，为我国家应对气候变化和全球海洋变化提供了业务化产品。下面介绍一些应用案例。

（一）台风监测

发射海洋二号卫星以后，将海洋二号卫星和风云卫星的云图叠加，可以显示台风中心的位置。风云卫星的云图只能构造海洋云的状态，想要了解台风的结构，需要精细化测量海洋的风场和矢量场。带有散射计的海洋二号卫星上天以后，就能测得风速的大小和方向，精细地描绘台风风场的结构。特别是在台风初期，还没有形成台风眼的时候，进行气象预报时从云图很难判断台风的中心位置，但是有了散射计以后，能够精确描述台风的风场并确定台风中心。这些产品现在已经成为台风出现以后气象海洋环境会商不可或缺的东西。以2018年的台风“玉兔”为例，因为卫星的散射计具有1350公里的幅宽，是目前国际上在轨运行海洋卫星中风场覆盖最宽的，可以覆盖整个台风场的范围，精细描述台风风场结构和状况。2019年的超强台风“利奇马”，海洋二号卫星从8月6号到8号用散射计进行了连续跟踪观测。这种精细化的台风矢量场数据，可以为海洋气象提供很好的数据场，为气象预报的精度和实效作出很好的贡献。再如，2018年第19号台风“苏力”，使用多颗不同的在轨卫星联合进行台风监测，包括海洋二号、我国的风云系列卫星、高分卫星和国际上的METOP。由于海洋二号卫星散射计具有1350公里的幅宽，而目前国际上另一个卫星的散射计幅宽只有650公里，因此，我国提供的风场幅宽大、精度高。国际上对我国卫星的散射计给予了非常高的评价，这对进入到国际海洋大气系统以后提供全球服务奠定了基础。

（二）风场监测

除台风监测之外，海洋卫星与雷达卫星数据结合可以监测风场精细结构。海洋卫星散射计的优势是可以进行宽幅扫描，但它的劣势是近岸的时候会受到后角散射，使得镜像的精度不是很高。但高分三号卫星上SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）的数据可以反演近岸精细的海面风场结构，如果和海洋卫星散射计的扫描的风场匹配起来，就能够形成从近海到远海海面散射风场的全覆盖。这种反演方式得到的数据同欧洲ECMWF数值模式长期观测的风场数据产品相比较，精度有很好的一致性，也就是说，我国在轨卫星监测风场的精度非常高。

（三）海冰监测

我国是世界上不多的在渤海这个纬度上有海冰的国家，而且有很多海上石油平台。在冬季，海冰对海上的石油平台和石油管道是有威胁的，所以我们将海洋卫星监测跟数字预报结合起来，在电视上发布海冰的预警报，为海冰监测提供支撑。对卫星数据进行反演，可以得到海冰的分布范围、外延线、密集度和厚度，通过现场海冰调查的检验和核准，为今后的业务化提供支撑。

（四）海洋环境监测预报

海洋二号卫星通过全天候、全天时对全球海域进行的连续观测，获取海表温度、海面风场、海面高度和有效波高等数据，向各级海洋预报部门进行了实时分发，海洋预报部门利用卫星资料进行数值预报改善初始场。据初步统计，通过海洋二号卫星数据的应用，可有效提高预报精度5%-10%，能够发布24小时甚至48小时的海冰预报。这是一个很大的跨越和进步。而且海洋卫星具有全球覆盖的优势，每天绕地球14圈，可以覆盖全球的各个大洋并提供监测预报服务。利用海洋卫星的监测数据，可以获得不同季节、不同月份、不同周的温度场变化，结合数据预报系统可以发布整个监测海域海温的预报。

第十九期钱学森论坛现场

（五）海上溢油监测

2018年春季，在东海发生了“桑吉”轮溢油事件。到7月份，我们利用300多景的SAR数据和其他在轨卫星的数据，全程跟进“桑吉”轮爆炸的过程，共发布117期报告，为海上溢油监测提供很好的备份场数据，也为预报溢油的漂移、风向和控制面积提供了很好的支撑，用卫星遥感的数据为海上溢油控制和溢油清理做出了很好的业务化支撑。

（六）绿潮/赤潮监测

在青岛奥帆赛的时候爆发了浒苔，我们从那时候开始做浒苔的实时预报。当时调用了17颗在轨卫星，监测海上浒苔的爆发、分布情况、面积和移动方向，以应对浒苔爆发，支撑奥帆赛活动的顺利进行。从那开始到现在，每年进入5月份以后，我们都会进行浒苔的跟踪监测，发布快速遥感的预报监测场景，为应对浒苔灾害提供业务化支撑。

（七）海洋渔业资源

使用海洋光学卫星探测叶绿素和浒苔，结合海洋2号卫星微波遥感的海面高度和海面风场数据，从而发布大洋渔场的快速预报。我国现在具备了三大洋17个大洋渔场的预报能力，预报大大提高了渔获量。此前我国都是买国外的渔场预报产品，像法国、日本的一些渔场遥感卫星数据。我国的海洋卫星上天以后，利用自主海洋卫星，结合北斗卫星的导航定位和短报文能力、广播通信卫星的广播通信能力，已经实现了导航定位、广播通信以及卫星遥感数据产品的在线服务，为大洋渔场提供了很好的数据服务。海洋卫星团队跟上海海洋大学、农业部联合制作了快速报产品，每周向行驶在全球大洋的捕捞船队提供服务。发改委也连续资助了海洋卫星产业化的项目，支持发展海洋卫星的数据产品，包括卫星监测数据，并把它通过广播和短报文的形式传送到大洋上进行远洋作业的船只，服务于大洋渔业资源捕捞。

（八）海洋风能资源评估

以卫星遥感为主，开展中国海风资源分布状况及风能资源储量调查，为未来建设海上风电站建设提供评估和决策依据。

（九）极地环境监测

全球气候变化带来了海冰融化的问题，极地海冰融化是目前全球气候变化中非常值得关注的热门话题。特别是在北极，现在北极的海冰融化已经使得原来不能通航的一些水道和海峡可以通航了。如果北极能够实现通航的话，可以分担我国很多原来通过马六甲海峡南端的航线，是一项战略前沿的工作。我国的极地考察船“雪龙号”在南极的时候也遇到过被冻到冰里的情况，现在利用卫星做极地环境监测，也是为了便利南极科考。北极商业航线和南极考察都需要业务化海洋环境保障，海洋动力环境卫星可提供极地航线上西风带的大风速和浪高信息，为极地航行提供保障。根据监测到的2013-2017年北极区域海冰范围变化，北极海冰范围均远低于1981-2010年30年的平均值，其中在2017年北极海冰面积达到历史最小。南极的海冰也存在融化现象，目前也在进行连续监测，但没有北极地区缩得那么可怕。但是南极冰盖大家都非常关注，如果上千米的南极冰盖都融化的话，对世界是灭顶之灾，所以现在也利用卫星遥感对南极海冰进行全年监测。

（十）自主卫星全球海洋动力环境监测

利用海洋动力卫星每天能够覆盖全球90%以上大洋的能力，来进行海面的高度、风场和波高的监测，为行驶在大洋上的所有舰船活动提供服务。海洋2号卫星上天以后，通过精确校准，现在精密定轨精度达到2-3厘米，海面高度测量精度从海洋一号卫星的优于10厘米提升到去年发射海洋二号卫星后的优于5厘米。通过发射海洋2号卫星，我国海面高度监测、全球精确定轨的精度已经达到了厘米级。

（十一）自主卫星全球水色环境监测

每天卫星绕地球14圈多，5分钟一景，全球一天288景，连续开机观测全球海洋水质。通过探测全球主要海域中的叶绿素分布，反演海洋初级生产力，密切关注全球的生物资源和渔业资源。

三、海洋卫星组网发展

上述的海洋卫星能力还不足以完全支撑海洋卫星的业务化，最关键的因素是要完成三个系列海洋卫星的组网工作。第一个组网系列是海洋水色卫星，由海洋一号C卫星和D卫星进行双星组网运行。今年原本准备发射海洋一号D卫星，但是由于一些其他原因现在推迟发射。一旦发射成功以后，两颗卫星组成上下午星，海洋一号C卫星是上午10点半的窗口，海洋一号D卫星是下午1点半的窗口。第二个系列是海洋动力卫星。将在明年由两颗极轨卫星、一颗倾斜轨道卫星，共三颗海洋动力卫星以“2+1”的形式进行组网。第三个系列是海洋监视卫星，由现在在轨运行的高分三号，以及预计在2020年底或者2021年发射的海洋三号A卫星和B卫星两颗雷达卫星进行组网，形成三颗卫星的海洋星座。

海洋一号C卫星去年已经发射成功，它的载荷除了海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪以外，还包括覆盖两个波段的紫外成像与星上定标传感器、船舶自动识别系统（AIS）。其中，紫外成像与星上定标传感器是第一次搭载在我国的海洋遥感卫星上。这颗卫星发射成功后，水色水温扫描仪生成了全球海域的海洋水色信息产品，水色信息层次非常丰富，这是因为海洋遥感卫星数据的高定量化、高信噪比、高灵敏度。与陆地气象不同，探测海洋的电磁波信号能量只有探测陆地大气的10%，在10%的能量里定量化提取信息要求卫星载荷的信噪比非常高。此外，水色水温扫描仪还监测了渤黄海区域、非洲西部、日本海、澳大利亚西北部等海域的叶绿素浓度，通过叶绿素可看出水体的涡旋结构信息。海岸带成像仪则可以监测火山的活动，例如，日本火山的燃烧情况，也可以探测沿海的一些人工建筑物，包括监控海上开发围填海的状况。在出现堰塞湖的时候，也可以利用海洋卫星探测整个堰塞湖的态势，为应急部提供支撑服务。船舶自动识别系统（AIS）能够监测全球海洋船只活动情况，识别船只类型，为今后的“一带一路”提供支撑。

海洋二号系列卫星是微波遥感的海洋动力环境系列卫星，通过高度计、散射计和辐射计，监测全球海洋动力环境参数，包括海面风场、海面高度、有效波高、海面温度等。目前，海洋二号系列已经发射了A卫星和B卫星，未来发射C卫星后将组网运行。海洋二号卫星的主要载荷也包括船舶自动识别系统（AIS）和数据收集系统（DCS），这两个系统并不是遥感载荷，而是用于数据收集，为今后监测全球海上船舶和浮标提供支撑。海洋二号卫星上还有微波散射计、扫描微波辐射计、雷达高度计、校正微波辐射计等载荷。其中，微波散射计用于监测全球风场和台风，高度计用于观测全球海面高度和波高，海面高度的精度已经优于5厘米，海面有效波高精度达到0.5米以上。扫描微波辐射计用于观测全天候全球海温，与光学辐射计相比有利于进行持续观测。

中法海洋卫星（CFOSAT）是中法两国合作研制的首颗卫星，将主要用于海洋动力环境监测。中方负责提供卫星平台、海风观测载荷以及发射测控，法方负责提供海浪观测载荷，卫星探测数据双方共享，将为海上船只航行安全、海洋防灾减灾、海洋资源调查提供服务保障。海风观测载荷是微波散射计，对全球风场进行扇形扫描，风场结构精度提高，能得到最精细的海面风场数据。海浪观测载荷是星载波谱仪，得到波浪谱，得到波高、波长和波浪方向信息。卫星通过风浪的联合探测，可以提供最好的海况业务化支撑。

四、总结

虽然我们具有了海洋卫星组网的能力，但是机遇和挑战也是并存的。机遇是空间基础设施建设形成了覆盖全球的海洋卫星星座，挑战是如何让产品实现高精度和高稳定度，这是今后的主攻方向之一。目前，卫星与地面应用系统迫切需要协同发展，定量化观测、精细化应用仍存在技术瓶颈。因此，高定量化、高精细化的测量和反演技术也是今后发展的重点方向。现在要从近海走向大洋，近海监测走向全球海洋监测。另外，实现国际海洋遥感数据的共享与合作，也是今后的发展目标之一。

海洋遥感必将在新时代海洋强国建设中发挥重要作用。按照我国民用空间基础设施的规划，在2025年之前，要部署成功三个海洋卫星星座。第一个是海洋一号卫星组成的光学卫星星座，第二个是运用微波遥感技术探测海洋动力环境的卫星星座，第三个是结合具备高分辨率与雷达监测能力的雷达卫星、高轨地球同步卫星的监视星座。三个星座将形成对全球不间断的每天11次连续探测，支撑我国海洋强国的建设，提供海洋遥感大数据服务，也为全球的海洋治理和应对气候变化提供服务。