穿透蔽日阴云 识破庐山真容——国外环境卫星发展概况

文/ 杨诗瑞

“不识庐山真面目，只缘身在此山中。”每天每时每刻，地球上的环境发生着生生不息的变化，但是身处地球上的人们却难以对各种资源信息完成收集和观察，尤其是有一些信息看不见、摸不着。

那么卫星是如何完成这样高难度的“大局”观测的呢？太空中的卫星们利用遥感器、对地观测卫星收集并记录地球大气、陆地和海洋等观测目标辐射、反射或散射的电磁波信息，再由信息传输设备发送回地面进行处理和加工，就可以获取相应的信息，突破人们“身在庐山中”的迷茫。

▲ 轨道碳观测卫星

风云探测一甲子

环境卫星是对地观测卫星的重要应用，一般专门用于环境和灾害监测。伴随着对地观测卫星的发展，环境卫星的队伍也逐渐成长壮大。

早在1959 年，美国发射的先驱者-4 探测器在近地轨道就拍摄到了地球的云图。不过真正利用卫星对地球环境进行长期观测是从1960 年美国发射泰罗斯-1 卫星才开始的。

20 世纪70 年代，对地观测卫星进入初步应用阶段。1972 年，美国发射陆地卫星-1，标志着空间对地观测进入实用阶段，卫星图像数据首次实现以数字形式直接传输。这一时期，全天候的微波遥感技术正成为对地观测领域中的重要发展方向。

20 世纪80 年代至90 年代，对地观测卫星有了很大的发展。1986 年2月，法国发射了斯波特-1 卫星，这是第一颗能在穿轨方向进行立体成像的卫星，首次采用推扫成像线性阵列遥感器，全色分辨率10 米。

1991 年7 月，欧空局发射了欧洲遥感卫星-1，它是一颗微波遥感卫星，采用合成孔径雷达成像，空间分辨率为30 米。微波遥感卫星获取的卫星数据，增进了人类对地球环境和气候现象的认识，形成了多种业务应用，如海冰制图和沿海地带研究等。

近十余年来，对地观测卫星开始向高空间分辨率和高光谱分辨率发展。1999 年，美国成功发射首颗携带中分辨率成像光谱仪的卫星——“土”卫星，欧空局和日本成功发射高光谱卫星。高光谱遥感器进入了航天遥感领域并不断突破，高光谱成像技术成为21 世纪国际遥感界的热点。

除此之外，进入21 世纪以来，全球高分辨率对地观测技术也发展迅速，光学成像卫星的地面分辨率已达0.1米，雷达成像卫星的分辨率达到0.3 米，美国、法国、俄罗斯、以色列、日本和印度等多个国家也都已拥有本国独立研制的高分辨率对地观测卫星。

目前，全球共有220 余颗对地观测卫星在轨运行，雷达成像卫星正逐步成为各国竞相发展的热点。雷达卫星具有穿透云雾，甚至部分植被和土壤的能力，具有全天候、全天时观测能力，并能通过多频、多极化、多入射角等手段提高对目标的识别能力，可以弥补光学卫星的不足。

▲ 欧洲遥感卫星-1

▲ “土”卫星

为了能够全面观测地球，美欧等国家和地区正在建立以地球观测系统（EOS）和哥白尼计划为代表的天、空、地一体化的综合对地观测系统，它能联合各自分散的遥感力量，构建全面的、协调的、可持续的综合对地观测系统，并提供运营服务，实现最佳应用效益。

如今，国外民用对地观测卫星保持稳定发展，商业对地观测卫星系统持续补给，稳定运行、拓展应用，民商用对地观测体系和能力日趋完备。

民用对地观测卫星方面，各国持续稳步推进后续系统的建设与更新，在确保数据连续性的基础上，积极发展实验性小卫星技术，利用搭载发射、在国际空间站部署遥感载荷的方式（如美国“地球观测系统”发射温室气体观测载荷、意大利发展多光谱成像小卫星），在降低成本的同时，提高观测与应用能力，逐步形成全球综合地球环境监测体系。

商业对地观测卫星方面，更多的商业对地观测小卫星进入部署阶段，在轨星座规模和类型稳定扩大，重点发展高重访频次能力，兼顾1 米级高成像分辨率，光学成像、雷达成像、射频测绘等均具备较大应用潜力，对地观测业务类型向多样化拓展。

对地观测的大用户：美国环境卫星发展与应用

美国拥有数量最多的卫星，建成和发展了陆地卫星（LANDSAT）、地球观测系统（EOS）、静止轨道业务卫星系列（GOES）等一系列资源和环境探测卫星系统，在这一领域发挥着引领作用。

LANDSAT 是美国陆地遥感卫星项目的先驱，该系列卫星由美国宇航局和美国地质调查局共同管理，40 年来连续提供地球陆地表面粗略的、重复的多光谱数据，用于探测地球资源与环境。

LANDSAT 卫星承担着调查地下矿藏、海洋资源和地下水资源，监测和协助管理农、林、畜牧业和水利资源的合理使用，预报农作物的收成，研究自然植物的生长和地貌，考察和预报各种严重的自然灾害(如地震)和环境污染，拍摄各种目标的图像，以及绘制各种专题图等任务。在它的启发下，各国产生了很多类似项目，如法国的地球观测系统（SPOT）、俄罗斯的资源系列卫星和印度遥感卫星。

▲ LANDSAT-8 卫星

目前在轨的LANDSAT-8 于2013年发射，装备有陆地成像仪和热红外传感器（TIRS）。TIRS 是性能最好的热红外传感器，用于收集地球热量流失，了解观测地带的水分消耗，特别是干旱地区的水分消耗。

为统筹分散的遥感卫星资源，全面观测地球，1991 年，美国宇航局发起地EOS 计划，实施多学科（大气、海洋、陆面、生物、化学等）综合研究，加深对地球系统变化理解。

组成EOS 的是多个国家的主动空腔辐射计辐照度监视器卫星、“水”卫星、LANDSAT-7、贾森-1 等卫星。EOS 从单系列极轨空间平台上对太阳辐射、大气、海洋和陆地进行综合观测，获取有关海洋、陆地、冰雪圈和太阳动力系统等信息；进行土地利用和土地覆盖研究、气候的季节和年际变化研究、自然灾害监测和分析研究、长期气候变率和变化以及大气臭氧变化研究等，实现对大气和地球环境变化的长期观测和研究。

EOS 的首颗卫星“土”卫星携带5 种传感器，能同时采集地球大气、陆地、海洋等信息，帮助科学家认识全球气候变化的起因和发展，了解地球气候和环境的整体作用。“水”卫星收集关于地球水循环信息，包括海洋海水蒸发、大气中的水蒸气、云层、降水、土壤水分、海冰、陆冰，以及陆地上的积雪和冰的各种数据和信息，它的测量数据还包括辐射能通量、气溶胶、覆盖陆地的植被、浮游植物和海洋中的溶解有机物，以及空气、土地和水温等。

多管齐下的环境观测：欧空局成员国环境卫星发展与应用

欧空局发展了多个重要的对地观测卫星系列，涵盖光学、雷达、高光谱等多种成像模式和不同分辨率，广泛应用于环境监测。与此同时，法国、加拿大等也在开展本国对地观测卫星建设。

环境卫星1 号于2002 年3 月发射升空，是欧洲最大的环境卫星。卫星搭载的合成孔径雷达，可生成海洋、海岸、极地冰冠和陆地的高质量高分辨率图像，研究海洋的变化，其他星载设备提供的数据，可用于研究地球大气层及大气密度。环境卫星1 号主要用于监视环境，对地球表面和大气层进行连续观测，供制图、资源勘查、气象及灾害判断之用。

哥白尼计划是欧洲委员会和欧洲太空总署联合倡议建设的，欧洲最重要的综合对地观测系统，由全球环境与安全监测计划(GMES)发展而来。哥白尼计划通过对欧洲及非欧国家现有和未来发射的卫星数据及现场观测数据进行协调管理和集成，实现环境与安全的实时动态监测，为决策者提供数据，以帮助他们制定环境法案，或是对自然灾害和人道主义危机等紧急状况作出反应。

哨兵系列卫星构成该计划的空间段，是一个高、中、低分辨率并存的遥感卫星体系，涵盖光学成像、雷达成像、电子侦察、环境、预警等业务类型，具有不同观测功能。2014 年，哨兵-1 发射，提供全天时、全天候雷达成像，用于陆地和海洋观测。哨兵-2是多光谱高分辨率成像卫星，可提供植被、土壤和水覆盖、内陆水路及海岸区域等图像，还可用于紧急救援服务。哨兵-3 卫星携带多种有效载荷，用于高精度测量海面地形、海面和地表温度、海洋水色和土壤特性，并支持海洋预报系统及环境与气候监测。哨兵-4、哨兵-5 载荷分别搭载在第三代气象卫星-S 和极地轨道气象卫星上，用于大气化学成分监测，哨兵-6 则主要用于海洋科学和气候研究。

此外，法国持续发射SPOT 卫星系统，从1986 年发射SPOT-1 以来，接收、存档全球卫星数据，提供了准确、丰富、可靠、动态的地理信息源，满足了制图、农业、林业、土地利用、水利、国防、环境、地质勘探等多个应用领域不断变化的需要。2014 年6月，SPOT-7 成功发射，提供1.5 米全色和4 个波段的6 米多光谱图像,具备长条带、大区域、多点目标、双图立体和三图立体等多种成像模式，为自然资源与农林环境监测等方面提供强大支撑。

▲ 哨兵-1 卫星

▲ 哨兵-5 卫星

加拿大国土面积广阔，将对地观测卫星作为优先发展项目，分别在1995年11 月和2007 年12 月发射雷达卫星-1、雷达卫星-2，用于海洋监测，灾害管理及生态系统监测。2019 年6月，加拿大发射“雷达卫星星座任务”卫星，由3 颗小卫星组网协同运行，提供快速重访和动态监测，能够满足加拿大对海上、国土、北极等区域特有的监视需求，极大增强环境监测能力。

百花齐放的环境观测：其他国家环境卫星现状

俄、日、印等国家也都在积极发展对地观测卫星体系，提供环境监测能力。

俄罗斯正在积极恢复对地观测卫星系统建设，处于能力恢复和提升期，目前主要在补充现有低地球轨道“流星”和地球静止轨道“电子”气象卫星星座。2016 年3 月，俄罗斯成功发射资源-P3和猎豹-M2 高分辨率光学对地观测卫星，提供资源和环境监测能力。

日本将对地观测列为航天重点发展对象，形成用于陆地观测、气象、温室气体、全球变化观测等多个主打卫星系列，对地观测能力较为先进，具有一定的在轨规模。1992 年，日本发射地球资源卫星-1，用于地球资源和环境监测。在此基础上，日本发射先进陆地观测-1 卫星，搭载日本、美国、法国等提供的8 个载荷，可全面调查地球环境和气象变化，发展先进陆地观测卫星和热带降雨测量卫星等，均提供环境监测能力。同时，日本也在积极发展商业对地观测卫星，2019 年，日本东京大学发射快速国际科学实验卫星，搭载瑞典、捷克等8个国家开发的科学仪器，用于地球观测实验和技术示范；日本初创企业Synspective 公司计划发展由25颗小卫星组成的、能够日夜及穿透云层成像并实现全球覆盖的合成孔径雷达观测星座，将提供环境监测功能。

印度建立了高低轨搭配、谱段覆盖完整（包括可见光、近红外、中短波红外、微波等多个波段）的对地观测卫星体系。由资源卫星、海洋卫星、印度卫星系列组成的环境探测卫星体系，覆盖了气象环境探测、海洋环境探测和陆地资源观测。1998 年，印度开启“地球观测系统”计划，由国家自然资源管理系统规划委员会进行协调与管理，发射的卫星包括印度遥感卫星系列、制图卫星系列以及资源卫星、海洋卫星和雷达成像卫星系列等，卫星数据由国家遥感局统一接收和处理，广泛用于环境监测和灾害管理等领域。

除了主流航天力量，其他国家或地区中，以色列和韩国对地观测卫星发展最好，提供环境监测能力。以色列从2000 年开始发展地球遥感观测卫星光学成像卫星系统，应用于制图、基础设施规划和监测、灾害及环境监测、农业规划等方面。2017 年8 月，以色列和法国联合研制植被和环境监测微卫星发射成功，主要用于农业与生态研究领域，包括精准农业成像和环境探测等。

韩国持续研制并发射低轨道高分辨率光学和雷达成像的韩国多用途卫星系列以及海洋与环境卫星。2020 年2月，韩国发射全球首颗雾霾卫星千里眼2B 号，主要用于收集东亚地区雾霾和赤潮等环境和海洋数据。

▲ 加拿大雷达卫星-2

技术纵向深入，数量横向铺展

近些年来，国外对地观测卫星和环境监测卫星等创新发展、升级换代，逐步形成立体、多维、高中低分辨率结合的全球综合环境观测体系，稳步提升技术与应用水平。各国高度重视并加快建设环境卫星系统，新一代环境探测卫星水平进一步提升，观测谱段不断拓展，空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率和观测带宽进一步提高，形成多种传感器综合集成的对地观测系统；从单角度、单一模式的观测跨越到多角度、宽视场、立体成像等多种观测模式，进一步提高系统的可靠性、可用性。

与此同时，商业小卫星星座进行环境监测成为重要发展趋势，并与大型环境监测卫星互相补充，在数量上形成了“横向铺展”的趋势。在各国政策扶持下，航天初创公司不断涌现并开始部署自己的商业小卫星星座，提供全球观测数据，小型卫星、商业立方体星座与大型卫星系统相结合，为环境监测提供高效解决方案。

▲ 雾霾卫星千里眼2B 号

随着航天技术的扩散，更多国家具备卫星研制能力，开始发展自己的对地观测卫星，并广泛应用于环境监测等方面。沙特阿拉伯、新加坡、埃及等国家已具备卫星研制能力。“埃及卫星”系列持续发展，用于采集埃及周边地区的图像，进行矿物、水和其他资源评估，研究尼罗河上游情况以及灾难管理等。阿联酋、泰国、委内瑞拉、越南、智利等国家通过整星采购或国际合作，发展本国对地观测卫星，服务于国内环境监测等领域。阿联酋与加拿大合作研制天空观测-1 卫星，搭载用于监测气溶胶的多光谱光谱仪，能够监测阿联酋的二氧化碳和甲烷等温室气体。

另一方面，环境卫星的监测领域更广，种类更多。美国宇航局主导的EOS 后续任务——“十年调查”，启动更多新型环境探测任务，在2019 年发射轨道碳观测-3 卫星，专用于温室气体探测，可获取高精度、高空间分辨率的全球二氧化碳观测数据。韩国也发射首颗雾霾卫星。美国政府部门启动多个环境监测立方星任务。美国宇航局启动“机会信号P 谱段研究”的立方星任务，开发天基土壤湿度测量技术，用于土壤湿度和雪测量，为早期洪水和干旱预警以及农作物产量预测提供帮助；美国环境保护基金会发展甲烷监测立方星，对来自50 个主要石油和天然气地区、占全球产量80%的甲烷气体排放进行监测；美国宇航局还计划建造地球静止沿海成像和监测辐射计，实现对自然和人为的沿海水域灾害进行快速响应，有助于改善沿海生态系统的可持续性及其资源管理。环境卫星向更丰富、更广阔、更多元、更深入的方向不断发展，为人类环境保护、资源管理、抗灾减灾等方面提供有力支撑。