海洋－2衛(wèi)星及其應用

張歡 王睿 賈旭 田賀祥 賈宏（中國空間技術研究院總體部）

海洋－2衛(wèi)星是我國首顆用于海洋動力環(huán)境探測的衛(wèi)星，于2011年8月成功發(fā)射，2012年3月正式投入使用。該衛(wèi)星工程研制突破了高精度有效載荷、精密測定軌等關鍵技術，在多個技術領域達到國際先進水平，實現(xiàn)了高觀測精度、高測定軌精度、星地激光高速數(shù)據(jù)傳輸、關鍵部件自主研制、航天器數(shù)字集成設計等五大能力提升。經(jīng)過在軌驗證，海洋－2衛(wèi)星和星載設備工作穩(wěn)定，各項功能和性能滿足研制總要求，整體達到國際先進水平，其觀測數(shù)據(jù)有效填補了國際同類微波遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不足，在全球對地觀測體系中發(fā)揮著重要作用。

1 衛(wèi)星任務

隨著國民經(jīng)濟和國防建設的發(fā)展，海洋在我國社會經(jīng)濟和軍事發(fā)展中的戰(zhàn)略地位越來越重要。為了獲取海洋動力環(huán)境信息，監(jiān)測和調查海洋環(huán)境，中國空間技術研究院與國家海洋局合作研制了我國首顆海洋動力環(huán)境探測衛(wèi)星—海洋－2衛(wèi)星。

海洋－2衛(wèi)星主要應用目標是監(jiān)測和探測海洋動力環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)全天時、全天候對海面風場、海面高度場、浪場、海洋重力場、大洋環(huán)流和海表溫度場等重要海洋參數(shù)的監(jiān)測，提高災害性海況預報水平，為國民經(jīng)濟建設和國防建設提供服務，為海洋科學研究、全球氣候變化提供實測數(shù)據(jù)。同時，海洋－2衛(wèi)星還承擔著我國自主研制的行波管放大器在軌壽命飛行驗證和星地激光通信試驗兩項任務。

該衛(wèi)星于2007年4月立項進入工程研制階段，經(jīng)歷方案、初樣、正樣的研制過程，于2011年5月出廠。2011年8月16日6：57，海洋－2衛(wèi)星由長征－4B運載火箭從太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。隨后，衛(wèi)星完成變軌及軌跡捕獲，成功定點到預定的軌道。經(jīng)過在軌測試，衛(wèi)星工作正常，觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過應用系統(tǒng)處理滿足設計的運行標準。2012年3月2日，在國家國防科技工業(yè)局組織下，衛(wèi)星正式由中國空間技術研究院移交到衛(wèi)星用戶—國家衛(wèi)星海洋應用中心，開展業(yè)務運行。

2 海洋－2衛(wèi)星概況

海洋－2衛(wèi)星是一顆三軸穩(wěn)定的太陽同步軌道傳輸型對地觀測衛(wèi)星，工作在降交點地方時為6：00的軌道，設計壽命3年。根據(jù)任務需求，衛(wèi)星在壽命初期軌道高度為970km，14天為1個回歸周期，2天即可實現(xiàn)對全球90%海面的觀測；在壽命末期，衛(wèi)星升至972km軌道高度，回歸周期調整為168天，實現(xiàn)對大地水準面的精密測量。它在軌運行處于連續(xù)工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)對全球海洋動力環(huán)境的全天時觀測。在地面應用站接收范圍以外時，衛(wèi)星將觀測數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)等記錄在星上存儲器中；在地面應用站接收范圍內時，將實時數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)一起下傳到地面。

這顆衛(wèi)星使用“資源衛(wèi)星平臺”，包括結構與機構、熱控、供配電、數(shù)據(jù)管理、測控、姿態(tài)及軌道控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個分系統(tǒng)。為完成海洋動力環(huán)境探測任務，海洋－2衛(wèi)星配置了雷達高度計、微波散射計、微波輻射計和校正輻射計4部微波遙感器，同時搭載了用于星地激光通信試驗任務的激光通信終端。

海洋－2衛(wèi)星通過自主創(chuàng)新，實現(xiàn)了我國衛(wèi)星遙感能力水平的五大提升。一是觀測產(chǎn)品精度達到國際先進水平；二是衛(wèi)星定軌精度達到國際先進水平；三是成功開展星地高速激光通信試驗；四是實現(xiàn)了部分關鍵部件自主研制，提升了我國衛(wèi)星關鍵核心部件自主研發(fā)能力的發(fā)展；五是通過采用航天器數(shù)字集成設計系統(tǒng)，縮短了生產(chǎn)研制周期。

雷達高度計

衛(wèi)星上的雷達高度計是一種主動微波遙感器，主要用于測量地球表面相對高度。其通過向海面垂直發(fā)射脈沖信號，分析回波特征，得到海面高度（SSH）和有效波高（SWH）、風速等信息，經(jīng)過處理可獲得全球大地水準面、重力場、海表面地形、海流、海浪、潮汐、海表面風等動力參數(shù)信息，同時還可獲得海冰含量、湍流邊界等海洋信息。

海洋－2衛(wèi)星在軌運行圖

海洋－2衛(wèi)星上的雷達高度計采用Ku、C雙頻工作體制，Ku頻段是高度計主要觀測通道；C頻段主要用于電離層校正。結合精密定軌結果和地面數(shù)據(jù)處理，此衛(wèi)星雷達高度計的海面高度產(chǎn)品精度達到了5～8cm，后續(xù)通過進一步處理還有提升的空間，有效波高精度可達到0.4m，風速精度2m/s。

微波散射計

衛(wèi)星上的微波散射計也是主動微波遙感器，采用筆形波束圓錐掃描的工作體制，具有觀測幅寬大、無星下點盲區(qū)的特點，快速對全球海面進行觀測，可同時探測風向和風速的星載遙感器。每天可覆蓋全球90%的海域，對海面風速測量精度達到1.5m/s，風向精度19.5°。

微波輻射計

衛(wèi)星上的微波輻射計是被動的微波遙感器，采用圓錐掃描工作方式，根據(jù)海洋應用需求選取了6.6GHz、10.7GHz、18.7GHz、23.8GHz和37GHz共5個頻段，以及9個極化通道測量海洋表面輻射亮溫度，觀測幅寬達到1600km，對海面溫度的觀測精度達到了1.0K，海面風速精度1.5m/s，水汽含量精度1.2mm。

校正輻射計

衛(wèi)星上的校正輻射計也是微波輻射計的一種，與雷達高度計同程觀測，其通過對上層大氣液態(tài)水和水汽含量的測量，專門用于向雷達高度計提供同程大氣校正數(shù)據(jù)。探測頻率選擇包含大氣水汽吸收譜線和大氣窗通道的3個微波頻段，分別是18.7GHz、23.8GHz和37GHz，反演得到的濕對流層路徑延遲誤差優(yōu)于20mm。

海洋－2衛(wèi)星主要設備布局圖

衛(wèi)星精密定軌

海面高度是海平面相對于地心的高度，雷達高度計測量得到了衛(wèi)星與海平面間的距離，要得到海面高度，還需要得到衛(wèi)星相對于地心的精確位置，這就是精密定軌。為實現(xiàn)精密定軌，海洋－2衛(wèi)星配置了雙頻GPS、多普勒地球無線電定位系統(tǒng)（DORIS）和激光角反射器（SLR）等精密定軌設備，采用雙頻GPS和DORIS + SLR兩種精密定軌手段。海洋－2衛(wèi)星是國內首個實現(xiàn)精密定軌航天器，事后處理的定軌誤差達到了2～3cm，將傳統(tǒng)的米級定軌精度突破到了厘米級，不僅為海洋－2衛(wèi)星的測高精度提升做出了貢獻，也在偵查、測繪等航天遙感領域具有重要意義。

星地激光通信試驗

海洋－2衛(wèi)星搭載的激光通信終端是利用激光作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，完成與地面激光站捕獲跟蹤試驗和星地雙向數(shù)據(jù)傳輸試驗任務，開展環(huán)境對空間光通信影響研究工作，為衛(wèi)星空間光通信積累實驗數(shù)據(jù)。

在軌測試期間，星地激光通信鏈路實現(xiàn)了快速捕獲、全鏈路穩(wěn)定跟蹤，并成功完成低速（20Mbit/s）和高速（252Mbit/s、504Mbit/s）的星地通信試驗。這是我國首次實現(xiàn)星地激光通信，為這項技術在航天領域的發(fā)展奠定了基礎。

3 衛(wèi)星應用成果及前景

在軌測試期間，國家衛(wèi)星海洋應用中心通過地面應用處理，從衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)反演得到了全球海面高度、有效波高、海面風場、海面風速、大氣水汽含量、云中液水含量、海面溫度等多種產(chǎn)品。測試結果表明，海洋－2衛(wèi)星各種產(chǎn)品均達到了世界先進水平，使我國具備了獨立獲取全球海洋動力環(huán)境信息的能力，大大提高了我國在國際海洋研究領域的話語權。

海洋－2南北極海面高度產(chǎn)品（數(shù)據(jù)時間2011年10月29日，單位：m）

海洋－2全天全球風場產(chǎn)品

現(xiàn)階段，國家衛(wèi)星海洋應用中心已實現(xiàn)海洋－2衛(wèi)星應用產(chǎn)品的業(yè)務制作和分發(fā)，并在海洋防災減災、海洋環(huán)境預報、極地航線保障、大洋漁業(yè)和一些軍事研究中得到應用，未來還將在海洋調查與資源開發(fā)、維護海洋權益、海洋科學研究及應用研究等領域發(fā)揮作用。

4 海洋衛(wèi)星的未來發(fā)展

我國海洋衛(wèi)星分為海洋水色衛(wèi)星、海洋動力環(huán)境探測衛(wèi)星和海洋雷達衛(wèi)星3個系列，海洋－2衛(wèi)星是海洋動力環(huán)境系列的首發(fā)星。海洋水色系列的海洋－1衛(wèi)星已于2002年、2007年發(fā)射了2顆，其配置了海洋水色掃描儀和海岸帶成像儀2種載荷，用于獲取海洋水色水溫及海岸帶動態(tài)變化信息，在軌運行期間獲得了大量試驗數(shù)據(jù)和業(yè)務觀測數(shù)據(jù)。海洋雷達衛(wèi)星將配置合成孔徑雷達，獲取海洋浪場、海面風速場、風暴潮漫灘、內波、海冰和溢油等信息，并實現(xiàn)全天時、全天候海上目標監(jiān)視和海洋環(huán)境實時監(jiān)測。在“十二五”期間，將繼承已有海洋衛(wèi)星的技術基礎，發(fā)射后續(xù)的業(yè)務衛(wèi)星，并加快海洋雷達衛(wèi)星的研制，實現(xiàn)多顆衛(wèi)星連續(xù)在軌運行，構成空間立體監(jiān)測系統(tǒng)，對海洋資源和環(huán)境形成持續(xù)、穩(wěn)定的業(yè)務化數(shù)據(jù)獲取能力。