歐空局EE10“和諧”衛星：如何讓地球系統觀測走向和諧？

■ 賈朋群 關敏 張萌

氣象學界長期關注的海氣相互作用過程，如果用放大鏡審視其中的細節，不難發現，是千米尺度過程在主導這樣的交換。實際上，這樣的中小尺度過程，已經被一些衛星“看見”，然而這些觀測只能給出2D應力分布，和諧衛星的設計者則通過將這些微小尺度過程與環境條件（如風速和云結構等），試圖獲得更精準信息。

2022年7月5日，全球地球觀測（EO）學界都在關注一次看似普通的會議——歐空局（ESA）在位于荷蘭的歐洲空間研究與技術中心（ESTEC）召開的和諧衛星（Harmony）用戶研討會。該衛星作為ESA的地球探索者（Earth Explorer）系列項目的第10項的唯一候選者，能否最終被立項，本次會議會給出風向標。

和諧衛星的設計，瞄準地球系統中的應力，為解析地球多個圈層之間的相關作用，提供新的觀測視角和理念。和諧衛星技術概要，在圖1中給出。

圖1 和諧項目2顆衛星（哨兵-1為共同組網衛星）的主要技術指標和地面系統概覽（和諧2顆衛星為太陽同步極地軌道，軌道設置與哨兵-1衛星相同，軌道高度693 km，交點地方時18：00；和諧衛星上攜帶2個有效載荷，分別是SAR和熱紅外光學載荷；地面系統包括衛星測控和運行中心、數據接收和處理中心，和哨兵-1衛星地面系統協同運行，并共同開展應用）

和諧項目的2顆衛星的重量，均在300 kg以內，按照國際上流行的衛星劃分，屬于小型衛星。和諧項目的設計特點，一是與在軌的哨兵-1衛星同步飛行、協同觀測，更加充分發揮了哨兵-1 SAR設備的功能；二是兩顆和諧衛星通過圍繞哨兵-1衛星的兩種位相工作方式的轉化，生出很多天基探測器觀測新視角和新方式。和諧項目正是在這些方面的探索，實踐EE項目設計的真諦，值得全球氣象界參考和借鑒。

1 海氣交換：和諧衛星的主要發力點

和諧衛星的設計，其科學創新和意義，主要是以地球環境中幾乎無處不在的應力為抓手，試圖解析（次）千米尺度的運動矢量。而這樣的目標，在海洋上，涉及低層海洋和對流層低層大氣，以及二者界面上發生的熱量、氣體和動量的垂直傳輸和混合，而海洋和大氣的極端現象的內部結構，也與這樣的輸送密切相關。這些要素或許早就被氣象和海洋學家所重視，但在千米尺度上這些過程的觀測，尤其是在垂直方向上缺失有效方法，在很大程度上限制了海氣相互作用研究的深入。

1.1 MABL（海洋大氣邊界層）

氣象學界長期關注的海氣相互作用過程，如果用放大鏡審視其中的細節，不難發現，是千米尺度過程在主導這樣的交換。實際上，這樣的中小尺度過程，已經被一些衛星“看見”（圖2），然而這些觀測只能給出2D應力分布，和諧衛星的設計者則通過將這些微小尺度過程與環境條件（如風速和云結構等），試圖獲得更精準信息。

圖2 哨兵-1的SAR及MODIS解析的MABL過程

1.2 云

與MABL中各種千米過程聯系最為緊密的可見現象，非云莫屬。和諧衛星為了能更好地監測MABL中的各種過程，選擇云作為指示物：即確定的過程導致不同環境條件下完全不同的云類型，并能強烈影響通量。

云在不同環境條件下演繹的形態變化，實際上反應了邊界層中千米尺度過程的綜合結果。和諧研發人員認為，如果能夠觀測到云頂位置和云速，就能獲得成云信息和相關的地表特征。如何測量單體尺度并不大的云參數，和諧衛星以雙星伴哨兵衛星的配置和選擇不同的觀測模態，用簡單的立體幾何原理，反推關鍵云參數（圖3）。

圖3 和諧A星和B星的視線因云高（CTH）在地理編碼參考圖像中留下分離的投影A3和B1

1.3 颶風和中緯度氣旋

和諧衛星的一個主要探測方向，是極端天氣事件。而海洋和大氣“合力”制造的一個重要事件，就是颶風。涉及MABL的多種過程，無疑是颶風和氣旋的“發動機”或“剎車器”。

無論是熱帶氣旋還是中緯度渦旋，其結構對于我們認識其演化過程，包括與海洋上層的反饋過程，都是十分重要的。以颶風為例，其垂直方向可以覆蓋幾乎整個對流層范圍，達到15 km的高度，但其重要能力來源，卻更多地與垂直范圍在1～2 km的MABL緊密聯系在一起。

2 冰雪圈

和諧衛星針對地球冰雪圈的探測，主要發揮星上載荷和雙星位置優勢，圍繞冰雪圈一些關鍵、變化速度相對慢的要素展開：3個主要任務為3D冰動力、氣候變化和快速冰川動力變化，2個二級任務為海冰變形和凍土侵入和沉淀。

冰雪圈中冰雪量的體積變化，是冰川和冰蓋物質平衡的結果。其中的變化有相對慢和快的節奏，其中相對慢的變化，是典型的氣候變化驅動；而相對快速的變化，則是慢變化累計結果。一個典型的例子是冰川崩潰，能夠帶來災難性的后果。

針對冰雪圈的變化，多顆衛星已經開展的卓有成效的天基遙感觀測冰獲得了大量冰雪圈變化信息。和諧衛星加入其中，實際上是要在這類觀測的時空分辨率上有所突破（圖4）。

圖4 實地和衛星對冰雪圈的探測涉及全球（大圖標）和局地（小圖標）尺度和不同的時空分辨率（紅色標注和諧星的位置）

和諧衛星研發團隊認為，冰的垂直流動，是解決冰雪圈質量變化和冰動力學，以及冰川突變的關鍵所在。為此，和諧衛星瞄準數百米冰雪范圍的次冰川（subglacial）過程，先不考慮冰蓋變化猜想給出冰川表面3D運動圖像。這樣的觀測和相關的研究，最終能夠更加準確地對冰川表面運動給出更加準確和清晰的解析。

3 固體地球

雖然地震和火山等，是塑造地球表面的主要過程，但是這類長時間孕育和短時間爆發的地球物理過程，長時間以來很難被主要關注大氣層的氣象學界真正考量。實際上，湯加火山噴發，向大氣中排放大量水汽等物質，以及各種量級的地震帶來的地表特征和過程的改變等，已經被納入地球系統模擬需要考慮和解析的要素之中。

如前所述，和諧衛星的主要特色之一，就是針對固體地球，開展針對地殼過程和地震災害的3D速度探測，以及針對地形變化（Topographic Change,TOC）開展針對火山噴發過程的監測。如前所述，為了對固體地球開展有效探測，和諧衛星設計了“立體聲”和XT（I跨軌道干涉）兩個觀測位相工作方式展開觀測（圖5）。

圖5 和諧衛星針對不同的固體地球過程，利用“立體聲”和XTI模態開展觀測

和諧衛星伴隨的哨兵-1衛星，也針對固體地球開展了觀測，但和諧衛星將在哨兵衛星-1對災害區域覆蓋43%的基礎上，達到全球災害區域的100%覆蓋。

4 和諧衛星有望實現“一（組）星”多圈層、千米精度探測

如前所述，兩顆和諧衛星攜帶的多通道、多角度熱紅外儀器，主要通過兩顆衛星與“依附星”哨兵-1號相對位置的編隊設計和兩個觀測模態的轉換，實現測量千米尺度云層、海面溫度變化乃至固體地球和冰雪圈多變量精密化探測的功能。其中，在海洋表面和海洋－大氣邊界層之間相互作用探測方面，嘗試前所未有的天基觀測視角。通過雙星編隊得到的能力，具有獨特的潛力，可以同時測量海面風、波浪和海流，以及海溫和云高、云運動矢量，從而提高對海氣相互作用的理解。

4.1 和諧衛星兩次改變位相工作方式，實現快、慢觀測兼顧

和諧衛星將在5年的設計壽命期里，兩顆衛星將在兩種編隊，即位相工作方式之間切換2次，以聚焦不同的科學目標。按照計劃，雙衛星組合將先以XTI（跨軌道干涉）位相工作方式運行一年。在此期間，兩顆和諧衛星近距離編隊飛行實現跨軌道干涉觀測，可以獲得地表高度的時間序列。在XTI方式飛行一年后，和諧衛星組將被重新配置為“立體聲”位相工作方式飛行三年。在“立體聲”階段，一顆和諧衛星在“哨兵-1”之前飛行，另一顆衛星尾隨“哨兵-1”。兩顆和諧星與“哨兵-1”衛星軌道相同，位相前后分別相差50 s，到哨兵衛星的距離將在350～400 km。三顆衛星在相同軌道上的不同位置對同一目標觀測，實現多角度且同時觀測，“立體聲”的效果最大限度地提高了對運動中的云層等的觀測有效性。最后，該任務將在最后一年回歸到XTI方式，可以觀察到與第一年相比緩慢的地形變化。

在立體聲階段，和諧衛星利用視線之間的角度多樣性，用不同衛星在同一空間軌道不同位置對同一目標多次觀測的幾何關系，推導得出表面上的速度矢量（應力）。和諧衛星可實現從瞬時（洋流）到年份（冰川運動）不同時間尺度的速度信息。為了觀測瞬時運動，和諧雙星設計了多孔徑SAR天線。來自多孔徑的信號可以組合在一起優化SAR圖像的輻射質量，也可以對它們進行處理實現沿雷達視線方向的地表瞬時速度測量。通過把兩顆衛星獲取的沿視線方向速度矢量結合起來，就可以實現海洋表面的二維速度矢量測量。在陸地上，通過比較不同時間拍攝的SAR圖像（使用一種稱為重復軌跡干涉測量法的技術），雷達可以用來探測地表沿視線方向的緩慢運動。結合兩顆和諧衛星和哨兵-1衛星升軌和降軌信息，可推導出緩慢移動的表面（如冰蓋和構造板塊）的三維運動矢量。

同樣在“立體聲”階段，和諧衛星還使用熱紅外儀器觀測海洋和云，給出高分辨云運動矢量的估計。在無云區域提供海面溫度，以輔助SAR對海洋表面的觀測。兩顆和諧衛星提供的多視圖和觀測幾何結構的獨特組合，為進行立體觀測和延時觀測提供了可能性。在XTI階段，兩顆和諧號衛星將以近距離編隊飛行，形成一個所謂的單通干涉儀。由于垂直于視線的星間距離分量，兩顆衛星SAR載荷將從略微不同的角度觀察地表，這使得兩顆衛星干涉測量后即可估計地表高程及其變化。正是這樣位相工作方式的變化，使得和諧衛星能夠獲得跨圈層、多變量，以及千米尺度的信息。

4.2 和諧衛星要實現設計功能面臨很多技術挑戰

一些挑戰有工程上的，如需要發射裝置使兩顆星能在一個單獨發射器單元里被送入既定軌道；衛星上合成孔徑雷達天線的設計，要使儀器能夠支持項目的科學目標所需的各種觀測模式和配置，同時滿足嚴格的星體質量和體積的約束；確保“哨兵-1”的松散編隊飛行和兩顆“和諧”衛星之間的近距離編隊飛行安全等。一些挑戰涉及任務的整體性，如需要定義一個任務計劃，以便在平臺可用資源（最顯著的數據量）范圍內為所有科學目標服務，并考慮哨兵-1觀測的現實情況；還需設計多普勒（地表速度）觀測系統，包括彈性變形控制等配合和諧衛星數據處理等。還有一些挑戰是技術實現方面的，如克服和諧雙星上的SAR時鐘與哨兵-1衛星時鐘不同步帶來的問題；要實現熱紅外（TIR）觀測所需的性能，要同時保持儀器的低復雜性和使用低成本的微輻射熱計探測器等。

此外，因為和諧項目與已經在軌的哨兵-1衛星任務密切相關，還需要考慮在成本和進度限制內擬合任務的方案邊界條件。后者的動力來自于使用哨兵-1D飛行的需求。這兩種約束使得必須使用成熟的技術來實現和諧運行，以便承擔盡可能小的技術風險。SAR和TIR儀器都遵循了這一設計理念。

4.3 和諧衛星技術已經成熟

盡管和諧衛星被送入軌道前面臨一些挑戰，但該項目的科學準備已經基本成熟，這主要體現在和諧項目在整個a階段，任務和研究目標基本保持穩定。在專門的科學試驗活動中，和諧衛星的一些技術難點和性能等，已經取得了顯著改進。

已經確定了一些需要在和諧任務后期進一步發展的領域，如和諧星的觀測要允許在時間尺度上進行獨特的測量，從幾十毫秒（測量洋流）到幾年（測量固體地球表面運動）。雖然和諧衛星引入創新的觀測技術（多靜態SAR、多視角TIR），但該項目依然可以通過成熟的技術實現，并從以前的任務和正在開發的任務中獲得大量遺產。目前和諧衛星正在進行的預開發和關鍵技術包括：1）SAR天線的前端散熱器；2）SAR天線的接收模塊；3）SAR儀器的靜態同步解決方案。

4.4 和諧衛星帶來更多啟示

歐空局以著眼于應用的天基遙感基礎科學研究為出發點，設計了地球探索者（EE）系列項目并從2009年開始實施。EE大約以每3年左右的時間確定一個項目的速度，通過線索征集、多輪篩選和論證，最后確定項目，并大約在經過5年以上的時間實施。這一看似緩慢的研發節奏，實際上是一個讓最新科學理念與最新空間技術充分碰撞，滋生出瞄準業務能力更新的最佳節奏。這些可以從已經完成、正在實施和將要發射的EE1-EE9項目中得到驗證。

過去十年中，EO發生了重大變化，借助EE項目，ESA繼續扮演了推動歐洲乃至全球EO卓越和創新，帶來了有益于科學和社會的新發現和新機遇。ESA的前沿EE項目與歐洲哥白尼計劃一道，完成了很多突破性的地球科學成就，使得歐洲在大數據分析和人工智能驅動的數字革命中走在了前端，成為不可小覷的力量。從EE10和諧衛星理念的新意和一些細節，可以得到很多啟發。

首先，一顆“神設計”衛星或改變交叉學科面貌。和諧衛星的設計理念，是找尋控制地球系統的應力并將其變化規律全面展示出來。例如，在海氣耦合領域，和諧衛星的觀測集中在千米尺度和垂直方向上，因關注圈層間的應力帶來各類高空間分辨率的“通量”的大量結果，或許能從構造模式最佳參數化方案以及數據驅動兩個方面，改進天氣、氣候和海洋動力模擬技術，更多高質量的分析預報產品則是突破后的收獲。

此外，和諧衛星的設計是用類同揭露本質。地球是一個高度動力化的系統，能量和物質的運輸和交換受多種過程和反饋機制的調節。如果不充分考慮小規模過程，就無法理解或模擬地球系統。和諧衛星探測包括了陸地（如陸地表面形狀的微小變化）和海洋（如首次提供風、波、表面流、海面溫差和云運動矢量的同時測量）類似過程，從而實現對動力過程細節的揭露。

最后，和諧星具有燈塔意義。和諧衛星的設計思想和觀測思路、能力展示，征服了與會專家乃至全球衛星遙感界。其中，與“主衛星”協同觀測，實現放大主衛星載荷的價值；“雙星”觀測的2種位相工作方式，瞄準不同觀測對象；以及和諧衛星與其他觀測協同（如計劃中的ESA與NASA合作，研發團隊參與到后者開展的亞中尺度海洋動力學和垂直傳輸試驗（S-MODE）和EUREC4A-OA在內的外場試驗）都令人印象深刻，為以后類似項目設計帶來了樣板。

5 結語

本次會議以及最新的評估報告一致認為，和諧項目已達到A階段結束時所需的科學和技術準備水平，并有能力提供符合任務目標所需質量的科學產品。和諧項目在技術上被認可，且已經足夠成熟。

本文與讀者見面時，歐空局已最終確定和諧項目為地球探索者（EE）第十個旗艦任務。

深入閱讀

ESA,2015.Earth Observation Science Strategy for ESA: A New Era for Scientific Advances and Societal Benefits.Noordwijk:European Space Agency.

ESA,2015.Scientific Readiness Levels (SRL) Handbook.Noordwijk:European Space Agency.

ESA,2017.The Earth Observation Envelope Programme: Call for Earth Explorer-10 Mission Ideas.Noordwijk: European Space Agency.

ESA,2020.Report for Assessment: Earth Explorer 10 Candidate Mission Harmony.Noordwijk: European Space Agency.

ESA,2021.Independent Science Review Report 2021.Noordwijk:European Space Agency.

EAS,2022.Harmony User Consultation Meeting.https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Sets/Earth_Explorer_10_User_Consultation_Meeting/.2022-07-05.

ESA,2022.Report for Mission Selection: Earth Explorer 10 Candidate Mission Harmony.Noordwijk: European Space Agency.