海洋衛星應用系統現狀及發展

劉圓 韓進喜

（1 國家海洋衛星應用中心 2 軍事科學院系統工程研究院）

2018年，我國先后發射了海洋一號C衛星、海洋二號B衛星與中法海洋衛星，大大推進了海洋衛星立體觀測體系建設進程。海洋衛星立體觀測是建設海洋強國的一個重要標志，也是實施“一帶一路”倡議的有機組成部分。伴隨著各類海洋衛星陸續發射升空，海洋遙感數據成指數倍增長，對海洋衛星應用系統和產品制作技術提出新要求。加快海洋衛星應用系統建設和遙感數據產品技術開發，是提升海洋衛星立體觀測體系業務化能力、提高海洋衛星遙感數據產品在國民經濟和國防建設中應用水平的有效舉措。

1 海洋衛星立體觀測體系構成

隨著我國航天技術快速發展與應用能力不斷增強，國家海洋衛星及其探測技術也得到了長足進步。目前，我國已形成以海洋一號（HY－1）衛星、海洋二號（HY－2）衛星及高分三號（GF－3）衛星為代表的海洋水色、海洋動力環境及海洋監視監測系列衛星，建立了具有優勢互補的海洋衛星觀測體系，并開始發揮顯著的社會和經濟效益。

海洋一號衛星

1997年6月，我國第一顆海洋衛星——海洋一號衛星正式立項，拉開了我國“海洋”系列衛星發展的帷幕。2002年5月15日，海洋一號A衛星發射升空，并開始進行業務化運行，結束了我國沒有海洋衛星的歷史。海洋一號A衛星在軌運行685天，期間獲得了中國近海及全球重點海域的相關信息，用戶范圍覆蓋國內的海洋管理與生產作業、科研院所、國防建設等部門的126家單位。2007年4月11日，海洋一號B衛星發射升空，提升了我國海洋觀測的業務化能力。該衛星針對海洋一號A衛星設計中的不足和業務化要求，對技術指標進行了大幅優化，使其整體能力得到提升，實現了對我國主張的3×106km2管轄海域水色環境的大面積、實時和動態監測，并獲得了包括南極、北極以及熱點海域如亞丁灣等境外區域的近實時環境信息。

海洋一號C衛星于2018年9月7日發射，是海洋一號A衛星和海洋一號B衛星的后續星，將用于觀測全球海洋的葉綠素濃度、懸浮泥沙、可溶性有機物等海洋水色信息，以及海表溫度、海冰、海霧、赤潮等海岸帶動態變化信息。它優化了載荷設計，減少了雜光影響，新增了紫外觀測頻段和星上定標系統，大氣校正精度和水色定量化觀測水平也大幅提升。作為一顆業務衛星，它將與后續的海洋一號D衛星組網運行，形成上、下午雙星組網，開展大幅寬、高精度、高時效觀測，具備全球1天2次的水色水溫探測覆蓋能力。

海洋一號C衛星示意圖

海洋二號衛星

2007年1月，我國海洋二號衛星正式立項，并于2011年8月16日發射了海洋二號A衛星，大大提升了我國海洋物理遙感探測水平。據統計，2012－2014年，海洋二號A衛星完成了全部臺風的監測任務，在每次臺風的生命周期可至少對其完成一次觀測，3年間共計捕獲臺風79次，為臺風預報、研究、分析提供了新的數據源。

海洋二號B衛星于2018年10月25日發射，是海洋二號A衛星的后續星，是一顆業務衛星，也是海洋動力環境衛星星座的首顆衛星。海洋二號B衛星將用于觀測全球海洋海面高度、海面風場、有效波高、海洋重力場、海底地形等海洋動力環境要素。該衛星的主要遙感載荷有微波散射計、微波掃描輻射計和雷達高度計等，該衛星是目前在軌利用單一衛星平臺獲取海洋動力環境信息最多的衛星。測高精度提高到5cm，具備完全自主的高精度精密測定軌能力，達到國際同類衛星的觀測精度和同等精密定軌水平。該衛星將與后續的海洋二號C衛星和海洋二號D衛星組網形成全天候、全天時、高頻次的全球大中尺度海洋動力環境衛星監測體系。

中法海洋衛星

中法海洋衛星于2018年10月29日發射，是落實中法兩國航天合作協議、面向海洋風浪探測和全球氣候變化需求研制的一顆具有海風海浪聯合探測能力的衛星，率先實現了全球海浪譜信息的空間連續獲取能力。

中法海洋衛星示意圖

該衛星是世界首顆具備全球全天候、全天時連續同步獲取海洋風浪信息的衛星，在海洋防災減災和海上航行安全保障等方面較其他衛星優勢明顯，主要用于獲取全球大面積海洋波浪譜、有效波高、海面風場和極地海冰信息等。

高分三號衛星

高分三號衛星是我國首顆C頻段多極化合成孔徑雷達（SAR）衛星，于2016年8月10日發射升空。高分三號衛星是我國“高分辨率對地觀測系統”專項工程的一顆遙感衛星，地面分辨率達到1m，顯著提升了我國對地遙感觀測能力，進一步夯實了時空協調、全天候、全天時對地觀測目標的重要基礎。

高分三號衛星工作示意圖

高分三號衛星在系統設計上進行了全面優化，具有高分辨率、大成像幅寬、多成像模式、長壽命運行等特點，主要技術指標達到或超過國際同類衛星水平。特別是其12種成像模式，涵蓋傳統的條帶成像和掃描成像模式，以及面向海洋應用的波成像模式和全球觀測成像模式，是世界上成像模式最多的SAR衛星。衛星成像幅度大，與高空間分辨率優勢相結合，既能實現大范圍普查，也能詳查特定區域，可滿足不同用戶對不同目標成像的需求。其在海洋監視監測方面可獲取我國3×106km2管轄海域的監視數據，提供油氣資源勘探開發、船舶作業、島礁變化、海面溢油、風暴潮、巨浪、海冰等信息，提升海洋權益維護能力，為海上侵權突發事件快速響應提供保障。同時，該衛星還可獲取全球大洋和近海預報及海況預報精度，更新海島和海岸帶環境綜合督查數據，為海洋綜合管理提供服務。

2 海洋衛星立體觀測體系有效載荷特點

海洋監測技術作為海洋衛星立體觀測體系建設的重要組成部分，在海洋環境探測與應用服務中起著非常重要的作用，是準確判斷海洋實時狀況的科學依據。采用快速、準確的實時海洋觀測技術，獲得大范圍、長時間序列的海洋環境觀測數據始終是海洋觀測與監視技術的發展目標。觀測監視技術的進步取決于海洋監測衛星上攜帶的各種有效載荷。

海洋一號C衛星載荷主要特點

海洋一號C衛星裝載了海洋水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀、紫外成像儀、星上定標光譜儀和船舶自動識別系統等5個有效載荷。與海洋一號A衛星和海洋一號B衛星相比，該星觀測精度、觀測范圍、使用壽命均有大幅提升。其中，海洋水色水溫掃描儀和紫外成像儀在提升海洋遙感探測能力方面，將發揮十分顯著的作用。

水色水溫掃描儀是海洋一號C衛星的主載荷，設有8個可見光紅外頻段和2個熱紅外頻段，將用于獲取海洋水色、水溫的定量化遙感數據。海洋一號C衛星水色儀對5年壽命、偏振、雜光、冷空間嵌位以及信噪比等關鍵技術問題進行了改進，其中制冷機采用了我國自主研制的長壽命脈管制冷機，提高了關鍵元器件國產化水平。

紫外成像儀作為海洋一號C衛星的新增載荷之一，采用紫外大視場透射式光學系統和第三代寬禁帶半導體焦平面探測器方式，結合多模塊精密拼接技術進行對地觀測，具備500m級星下點地面分辨率、2900km超大幅寬、高信噪比、寬動態、穩定性監測和精密熱控技術等特點，具備對全球一天一次的覆蓋能力，將進一步拓展我國水色衛星遙感探測能力，并拓展水色衛星遙感探測的波譜覆蓋范圍，提高大氣校正能力，提升對海洋可溶性有機物及碳循環的遙感監測能力，為大面積海上溢油等災害提供探索性驗證手段。

海洋二號B衛星載荷主要特點

海洋二號B衛星上的載荷主要有雷達高度計、微波散射計、掃描微波輻射計、校正輻射計、數據收集系統和船舶自動識別系統等6個有效載荷。其中，雷達高度計主要用于測量海面高度、有效波高、海流和重力場參數；微波輻射計能夠實時獲取觀測區域內海面溫度、海面風速、海冰、海洋上空降雨量、水蒸氣含量、液態水含量等海洋動力環境參數；微波散射計能夠通過精確探測海洋表面微弱的散射信號，利用幾何模型函數推導出海面的風向和風量；校正輻射計則是為雷達高度計提供大氣濕對流層路徑延遲校正服務。

此外，海洋二號B衛星新增的船舶識別和數據收集分系統，實現了6個有效載荷的有機融合，不僅能對海面高度、風場、溫度等海洋動力環境要素精準觀測，還具備對全球船舶自動識別以及接收、存儲和轉發我國近海及其他海域的浮標測量數據的能力。

中法海洋衛星載荷主要特點

中法海洋衛星首次實現了海風和海浪同步觀測。該星搭載了我國研制的微波散射計，以及法國研制的海洋波譜儀，將在距地520km的軌道上24h不間斷工作，實現對全球海洋表面風浪的大面積、高精度同步觀測，并通過相關科學實驗和應用，進一步科學認知海洋動力環境的變化規律，提高對巨浪、海洋熱帶風暴等災害性海況預報的精度與時效。

在中法海洋衛星的有效載荷中，微波散射計是全球首臺扇形圓錐掃描散射計。它具有大尺度、全天時、全球觀測的特點，一天可以覆蓋全球的海域面積，能在海面臺風等海洋環境監測中發揮獨特作用。例如，在臺風仍為熱帶低壓狀態時，衛星的微波散射計就可以捕捉到它的形態特征，并將觀測數據實時發給用戶，為相關部門分析及預報提供決策依據。同時，該微波散射計還能準確捕捉到臺風中心位置，跟蹤其位置變化，并提供直觀清晰的圖像觀測資料，對臺風強度及其破壞性判斷非常有效。

此外，中法海洋衛星的數傳分系統由中方和法方聯合研制，負責接收微波輻射計和波譜儀傳來的遙感數據，并進行編碼、存儲或直接將數據傳回地面接收站。特別是該星上的固態存儲器采用分區設計，將固態存儲器分成了兩個區域，由中方和法方分別使用，實現了互不干擾。

當衛星運行至我國境外上空時，數據處理器會將遙感數據送到固態存儲器存儲；當衛星到達我國境內上空時，數據處理器會向固態存儲器發出請求信號，將編碼后的遙感器數據和存儲在固態存儲器的數據進行融合，再通過數傳天線發送到地面圖像接收站，供用戶分析使用。

3 海洋衛星應用系統建設思考

海洋物理遙感數據是深度認識海洋與經絡海洋的基礎。海洋衛星立體觀測體系在獲取海洋物理遙感數據的同時，也對海洋衛星應用系統建設和海洋遙感數據產品制作技術提出挑戰。準確把握海洋物理遙感數據應用方向，不斷創新海洋遙感數據產品制作技術，對推進海洋衛星應用系統建設有重要的促進作用。

海洋衛星遙感數據應用方向

隨著海洋衛星立體觀測體系的建設，海洋衛星遙感數據量正在指數增長，將在海洋資源開發、海洋環境保護、海洋災害預報、海洋安全維護等方面得到廣泛應用，為經濟社會發展和國家安全利益拓展帶來強有力保障。其主要應用方面體現在以下六個方面：

一是為海洋綜合管理和權益維護提供支撐。海洋衛星遙感數據可為專屬經濟區（EEZ）劃界外交談判提供海洋環境和資源信息，尤其是對調查船及飛機難以進入的敏感海域，海洋衛星遙感可發揮獨特作用。

二是為提高海洋環境監測預報提供保障。我國地處西北太平洋西岸，該海域是全世界38%熱帶風暴的發源地，每年造成的直接經濟損失近百億元。提高海洋環境監測預報能力，急需大量多元海洋遙感數據做技術支撐。

三是為海洋資源調查與開發提供支持。海洋資源主要是海洋油氣、海洋漁業和海岸帶資源。近年來，我國的近海漁場普遍出現衰竭現象，迫切需要發展遠洋漁業。海洋資源開發利用是實現海洋強國戰略的重要組成部分，也是構建海洋遙感衛星立體觀測體系的一個主要目標。

四是為海洋國防活動提供保障。

五是有利于實施海洋污染監測、監視與海洋自然環境資源保護。海洋污染主要是石油污染和污水污染。海上石油污染來自陸源排放、海上油井泄漏及船舶排放等，其中陸源排放量最多。我國沿海約有250多處油污染源，每年排放量在10萬噸以上。

六是有利于加強全球氣候演變研究，提高對災害性氣候預測能力。海水溫度是影響中長期天氣過程的重要因子，對全球氣候演變研究和預報有重要影響。災害性氣候研究與海洋變化規律性特征研究，都需要大量海洋遙感數據積累支撐。

加快海洋衛星應用系統建設

應用系統是海洋衛星立體觀測體系的重要組成部分，對提高海洋衛星遙感數據應用水平有著不可或缺的促進作用。在海洋衛星發展初期，由于受在軌衛星數量及遙感數據應用規模的影響，應用系統建設相對滯后。目前，我國海洋衛星立體觀測體系已進入快速發展階段，經濟社會發展與國防建設對海洋遙感數據需求大幅度增加，同樣迫切需要大力推進應用系統成體系化建設。

一是立足于海洋衛星立體觀測體系進行統籌謀劃。針對海洋衛星立體觀測體系構成特點，圍繞海洋一號、海洋二號與高分三號衛星星座及遙感數據要求，從頂層做好應用系統建設整體規劃。

二是立足于應用技術超前與創新發展。面對海量衛星遙感數據，在應用系統技術領域引入大數據與人工智能技術，瞄準衛星遙感數據應用技術發展前沿，推進我國海洋衛星遙感數據應用技術創新。其關鍵是及早布局衛星遙感數據應用技術創新與探索研究，大力構建一流創新研發團隊，不斷提升衛星遙感數據應用技術水平。

三是立足于軍民融合國家戰略發展需要。構建海洋衛星立體觀測體系是國家海洋強國戰略的一項舉措，其應用系統建設符合軍民融合國家戰略利益。加快應用系統建設步伐，既要發揮專業應用機構技術優勢，又要調動國防等領域各職能機構積極性，做到多方參與，優勢互補，共建共享。

創新海洋遙感數據產品制作技術

隨著海洋衛星立體觀測體系建設，衛星遙感數據應用領域將大幅拓展，帶來海洋遙感數據產品形式與制作技術的快速發展。創新遙感數據應用產品形式與制作技術，是發揮整個衛星體系建設效益、提升衛星遙感數據應用水平的關鍵。

一是星上數據處理與地面產品制作有機結合。針對不同用戶需求及特點，既可交付星上處理數據，也可交付在地面由專業機構制作的數據產品。同時，加強用戶數據應用能力培養，引導用戶對多種形式海洋衛星遙感數據產品的應用。

二是創新各類海洋衛星遙感數據融合技術。針對特定海域獲取的各類海洋衛星遙感數據，反演該區域海洋物理特征，進行數據融合，實現對海洋物理特征的近實時監視監測。

三是加快衛星遙感數據產品制作技術研發。隨著海洋衛星遙感數據應用領域的拓展，產品形式與制作技術面臨新的挑戰。在特定時間向特定用戶提供相應的海洋衛星遙感數據產品，已成為發揮海洋衛星遙感數據應用價值的焦點。遙感數據產品制作技術的大幅提升，將有效改進各類數據產品的制作水平，為全面提高海洋衛星立體觀測體系應用效益發揮積極作用。