我國海洋水色衛(wèi)星發(fā)展回顧、現(xiàn)狀及展望

我國海洋水色衛(wèi)星發(fā)展回顧、現(xiàn)狀及展望

●文|航天東方紅衛(wèi)星有限公司張可立白照廣王麗麗一、引言海洋占全球面積70%以上，蘊含著豐富的資源，對人類生存與發(fā)展具有巨大的影響，伴隨著人類科學水平的不斷進步，針對全球海洋環(huán)境、海洋資源的觀測與探索也在不斷開展當中。從上世紀70年代開始，借助于衛(wèi)星大幅寬、高時效特點的空間海洋遙感觀測成為人類探索海洋信息的重要手段，美國、歐洲、俄羅斯等世界主要航天國家或地區(qū)，在海洋衛(wèi)星領(lǐng)域不斷發(fā)展，目前已具備相當高的水平。全球海洋觀測根據(jù)不同觀測要素可分為水色觀測、動力學觀測和海洋監(jiān)測三大領(lǐng)域。其中海洋水色觀測領(lǐng)域主要通過獲取全球海洋的水體光譜、溫度等特性，反演獲取海洋水體葉綠素、懸浮顆粒物、有機物濃度等信息，應(yīng)用于海洋資源調(diào)查、污染監(jiān)控、海溫預報、赤潮、綠潮調(diào)查、水質(zhì)監(jiān)測、海冰監(jiān)測、海岸帶植被監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。我國于2002年、2007年陸續(xù)發(fā)射了海洋一號衛(wèi)星A星（HY-1A）和海洋一號衛(wèi)星B星（HY-1B）2顆海洋水色遙感衛(wèi)星，取得了豐富的科研成果和重要的社會經(jīng)濟效益。近年來，我國對于海洋權(quán)益保護、海洋資源開發(fā)、海洋經(jīng)濟建設(shè)和海洋環(huán)境保護等領(lǐng)域的作用日益重視，十七大報告中明確提出“建設(shè)海洋強國”戰(zhàn)略，十八大報告中更是提出了“加快海洋強國建設(shè)”的奮斗目標。為與國家海洋強國戰(zhàn)略目標、“一帶一路”建設(shè)目標相匹配，在“十三五”期間我國海洋遙感衛(wèi)星領(lǐng)域快速發(fā)展。不久的將來，我國后續(xù)新型海洋遙感衛(wèi)星將陸續(xù)入軌服役，將進一步增強我國海洋水色遙感業(yè)務(wù)化、連續(xù)化能力，提升我國海洋遙感水平發(fā)展。二、海洋水色遙感的特點自然界中，水體表面反射率水平較低，以最大反射率波段綠光波段為例，一類水體反射率大都小于5%。水體反射太陽輻射后攜帶水體次表層信息，受到大氣的吸收、散射和路徑輻射等影響，進入衛(wèi)星載荷視場并成為最終遙感器獲取的輻射信息，此時的水體信息夾雜大氣路徑輻射，水體信息較弱，因此海洋水色遙感必須確保良好的成像質(zhì)量，才能夠滿足定量化應(yīng)用的需求。海洋水色遙感具有如下的技術(shù)特點：1）高信噪比。由于水體較低的反射率特性，水色載荷必須具備高輻射靈敏度特性，高信噪比特性，才能更為準確地監(jiān)測出水體輻射能量的變化特性。2）窄譜段、精準的光譜響應(yīng)標定。水體光譜曲線特性決定了其特征峰對應(yīng)波段寬度較窄，為識別出這些特征，要求水色載荷的波段設(shè)置譜段較窄。因此，在進行水色載荷設(shè)置時必須嚴格把控光譜分辨率指標以及波段穩(wěn)定特性。3）準確的輻射定標精度。進入海洋水色遙感載荷入瞳處的輻射能量中水體信息只占到10%左右，很大一部分來自大氣路徑輻射以及水體輻射經(jīng)大氣作用后的能量。因此，為避免水體信息淹沒于輻射定標信息誤差中，對輻射定標精度有著嚴格的要求。4）低偏振靈敏度。太陽輻射經(jīng)過水體表面鏡面反射、大氣輻射傳輸路徑中的多次散射，到達水色載荷入瞳處的輻射具備明顯的偏振特性。因此，要求水色載荷偏振靈敏度盡可能低，以避免儀器本身產(chǎn)生的輻射能量誤差。5）低雜散光影響。水色載荷在進行水體觀測時，在其光路設(shè)計中可能會有雜散光進入視場內(nèi)，這些雜散光會使得載荷觀測輻亮度與實際目標真實輻亮度之間存在差異。因此，相比陸地觀測載荷來說，水色載荷必須做到更低的雜散光值，在設(shè)計時需要進行嚴格的雜光抑制設(shè)計。6）高動態(tài)范圍，具備飽和恢復能力。為觀測低反射率變化的水體特性，水色載荷通常具備高靈敏度特性，然而受云、陸地亮目標的影響，高靈敏度的水色載荷在這些地區(qū)容易飽和，因此載荷應(yīng)具較高的動態(tài)范圍和快速飽和恢復能力，減少云層對相鄰水體觀測要素的影響。7）快速重訪的能力。海洋水體是四維動態(tài)變化的被觀測對象，為及時獲取海洋水色、水溫等觀測要素信息，要求水色遙感載荷應(yīng)通過大幅寬設(shè)計滿足快速覆蓋能力，或通過靈活的機動模式實現(xiàn)對某些特定區(qū)域的快速重訪能力，同時還應(yīng)通過組網(wǎng)等方式，實現(xiàn)不同光照條件下的海洋水色數(shù)據(jù)的獲取能力。三、國內(nèi)海洋水色遙感衛(wèi)星發(fā)展回顧我國海洋水色遙感衛(wèi)星的發(fā)展起步于上世紀90年代。1997年6月，我國第一顆海洋衛(wèi)星——海洋一號正式立項。該衛(wèi)星作為試驗型業(yè)務(wù)衛(wèi)星，采用了當時較為先進的CAST968小衛(wèi)星平臺，有效載荷包括1臺10譜段海洋水色掃描儀和1臺4譜段海岸帶成像儀，其中水色掃描儀采用45°掃描鏡+K鏡消旋+4元探測器并掃+機械制冷技術(shù)，海岸帶成像儀采用4譜段分鏡頭方案，衛(wèi)星運行在798km的太陽準同步軌道上，可實現(xiàn)全球海洋水色數(shù)據(jù)3天獲取的能力，其總體技術(shù)指標與當時國際同類水色遙感衛(wèi)星相當。2002年5月15日，HY-1A衛(wèi)星順利發(fā)射升空，至此結(jié)束了中國沒有海洋衛(wèi)星的歷史。衛(wèi)星在軌運行685天，成像約1900軌。期間獲取的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)在海洋資源開發(fā)與管理、海洋環(huán)境保護與災害預警、海洋科學研究及國際與地區(qū)間海洋合作等多個領(lǐng)域取得了可喜的成果。2005年7月，作為HY-1A的業(yè)務(wù)星，HY-1B衛(wèi)星正式立項。2007年4月11日，HY-1B衛(wèi)星成功發(fā)射。HY-1B衛(wèi)星相對A星將水色儀觀測幅寬增加到3000km，使得衛(wèi)星重復觀測周期由3天提升到1天，海岸帶成像儀光譜分辨率也由80nm提升至20nm，水色光譜信息更加精細，使得衛(wèi)星遙感圖像中水色層次更加豐富，成像質(zhì)量明顯好于A星。HY-1B衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行了8年10個月，超期服役5年10個月。在軌期間衛(wèi)星共成像19233軌，水色掃描儀紅外波段通道累計工作約6800h，可見光波段通道累計成像約3400h，海岸帶成像儀累計成像約2370h。地面應(yīng)用系統(tǒng)共獲取衛(wèi)星采集的原始數(shù)據(jù)8.84TB，生產(chǎn)各級各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品達65.5TB。向海洋管理部門、科研院所、大專院校、業(yè)務(wù)部門以及美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）等國外研究機構(gòu)共50家單位進行分發(fā)，累計分發(fā)數(shù)據(jù)量達86.57TB。HY-1B衛(wèi)星業(yè)務(wù)運行期間所獲取的海洋遙感數(shù)據(jù)在海洋資源開發(fā)與管理、海洋環(huán)境監(jiān)測與保護、海洋災害監(jiān)測與預報、海洋科學研究和國際與地區(qū)合作等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，為我國經(jīng)濟發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻，發(fā)揮了積極作用。HY-1B衛(wèi)星發(fā)射后，我國近10年來沒有再發(fā)射海洋水色遙感領(lǐng)域?qū)Ｓ眯l(wèi)星。隨著HY-1B衛(wèi)星2016年的退役，我國國產(chǎn)海洋水色遙感業(yè)務(wù)已經(jīng)斷檔，且國產(chǎn)化海洋水色遙感數(shù)據(jù)與目前國際先進海洋遙感產(chǎn)品的水平存在一定差距，新型國產(chǎn)海洋水色衛(wèi)星的研制勢在必行。為此在“十三五”期間，我國規(guī)劃發(fā)展了兩型專用海洋水色遙感衛(wèi)星，一型是為了盡快解決國產(chǎn)海洋遙感業(yè)務(wù)無星可用處境而研制的后續(xù)業(yè)務(wù)星，另一型是為實現(xiàn)我國國產(chǎn)水色衛(wèi)星技術(shù)性能和應(yīng)用能力達到國際先進水平而研制的新一代海洋水色觀測衛(wèi)星。四、我國海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀HY-1B衛(wèi)星的后續(xù)業(yè)務(wù)星（見圖1），其研制目的有兩個，一是要接替已退役的HY-1B衛(wèi)星，盡快滿足國產(chǎn)化海洋水色遙感業(yè)務(wù)連續(xù)性觀測需求；二是針對業(yè)務(wù)化和定量化應(yīng)用進行能力提升。業(yè)務(wù)衛(wèi)星采用了CAST2000小衛(wèi)星平臺，兩顆星上下午組網(wǎng)運行，單顆衛(wèi)星配置了水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀、紫外成像儀和定標光譜儀等4臺光學載荷和1臺AIS接收機載荷。相對HY-1B衛(wèi)星，業(yè)務(wù)衛(wèi)星的研制具有如下特點：1）優(yōu)化了軌道設(shè)計，海岸帶成像儀重訪周期從7天提高到3天，采用水色水溫掃描儀全球全天時開機和雙星組網(wǎng)等方式，提升全球覆蓋能力和數(shù)據(jù)獲取能力；2）水色水溫掃描儀基本指標不變，但海岸帶成像儀在幅寬增加的同時，分辨率從250m提升至50m；3）增加星上定標與紫外成像能力，具備從紫外、可見光到紅外譜段的多光譜成像能力，采用同平臺在軌交叉定標的方式提升載荷定標精度；4）配置AIS系統(tǒng)，可提供多方位的海洋監(jiān)測與管理手段；5）具備±20°俯仰成像能力，有效減小太陽耀斑的影響；6）壽命提升到5年，多種安全模式的設(shè)計，保證衛(wèi)星在軌長期、穩(wěn)定工作。HY-1B衛(wèi)星的后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星于2016年6月正式立項，目前正在緊張的研制過程當中，計劃2018年發(fā)射。衛(wèi)星的發(fā)射在盡快填補我國國產(chǎn)化海洋水色業(yè)務(wù)斷檔的同時，衛(wèi)星成像質(zhì)量、成像能力相比HY-1B衛(wèi)星也將有進一步的提升。五、我國海洋水色遙感衛(wèi)星后續(xù)發(fā)展為使我國海洋水色綜合探測能力和水色產(chǎn)品應(yīng)用等方面實現(xiàn)跨越式提升并躋身國際領(lǐng)先水平，2016年我國正式啟動了新一代海洋水色觀測衛(wèi)星（見圖2）的論證和預研工作。衛(wèi)星總體和用戶瞄準國際海洋觀測領(lǐng)域前沿，以IOCCG推薦觀測指標為藍本，確定了整星工程目標和載荷配置、主要技術(shù)指標。衛(wèi)星配置了新一代望遠系統(tǒng)整體旋轉(zhuǎn)式水色水溫掃描儀、具備在軌譜段可編程能力的中分可編程成像光譜儀以及分辨率更高的新型海岸帶成像儀，是一顆指標全新定義、設(shè)計升級換代、功能全面提升的海洋水色專用遙感衛(wèi)星，其先進性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）水色遙感產(chǎn)品種類更加全面、豐富。衛(wèi)星可輸出40余個不同水色遙感波段，全面覆蓋了從紫外到中/長波紅外所有水色遙感相關(guān)波段，并增加了熒光峰、分裂窗及多種大氣校正波段；具備在軌譜段編程能力，可獲取全球海洋水體連續(xù)光譜信息，同時還可獲得大氣、植被、污染物等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，探測領(lǐng)域可覆蓋全球各類水體目標，服務(wù)用戶從單一海洋用戶拓展到海洋、國土、環(huán)保、大氣、交通等多用戶，產(chǎn)品應(yīng)用廣度和深度跨越式提升。2）水色遙感產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)據(jù)獲取能力成倍提升。新一代海洋水色觀測衛(wèi)星載荷采用了望遠系統(tǒng)整體旋轉(zhuǎn)技術(shù)、在軌波段可編程技術(shù)、低雜光低偏振光學系統(tǒng)、高靈敏度國產(chǎn)化探測器等多項全新的載荷設(shè)計技術(shù)，衛(wèi)星的信噪比、偏振靈敏度、雜光抑制、動態(tài)范圍等海洋探測的關(guān)鍵指標大幅提升，同時首次具備了在軌全光路太陽定標功能，使產(chǎn)品質(zhì)量達到了國際先進水平。同時探測能力大幅提升，載荷數(shù)據(jù)下傳量是HY-1B衛(wèi)星的100倍，海洋一號業(yè)務(wù)星的3倍，使我國水色遙感信息獲取能力跨越式提升。3）綜合技術(shù)指標同步國際水平。衛(wèi)星在譜段配置、載荷信噪比、光譜范圍與光譜分辨率、在軌定標精度等方面與美國國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)（NPOESS）、哨兵-3A（SENTINEL-3A）等衛(wèi)星指標相當，衛(wèi)星綜合應(yīng)用能力優(yōu)于國際同類衛(wèi)星。六、結(jié)束語我國海洋水色遙感衛(wèi)星從無到有，至今已走過近20年歷程，實現(xiàn)了我國衛(wèi)星海洋遙感的跨越式發(fā)展，走出了具有中國特色的道路。展望未來，隨著后續(xù)包括海洋水色在內(nèi)的多個系列海洋衛(wèi)星的研制和投入應(yīng)用，我國海洋衛(wèi)星技術(shù)和海洋衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)將得到飛速發(fā)展，并有望達到國際先進水平，將對實現(xiàn)建設(shè)海洋強國目標發(fā)揮重大作用。[1]馬興瑞，張永維，白照廣.中國海洋一號衛(wèi)星技術(shù)方案[J].航天器工程，2003，12(3).[2]劉建強，王其茂，林明森，等.中國海洋一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用成果與潛力[J].航天器工程，2003，12(3).[3]張永維，白照廣，王麗