新一代海洋水色衛(wèi)星，“透視”藍(lán)色國土

文/王樂天

2023 年11 月16 日11 時55 分，在我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，長征二號丙/遠(yuǎn)征一號S 運(yùn)載火箭托舉新一代海洋水色觀測衛(wèi)星直沖云霄，隨后衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。這意味著我國海洋水色系列衛(wèi)星正式升級到第二代觀測體系。

這是世界首顆針對全球多種水體、采用多種探測手段的高精度海洋水色觀測衛(wèi)星，可實現(xiàn)對全球大洋、近海、近岸及島嶼、港口的水色、水溫、海冰、懸浮物質(zhì)、水生態(tài)環(huán)境等要素的大范圍連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，為我國主要航道、海上熱點(diǎn)地區(qū)、重要港口等提供及時的遙感信息服務(wù)。

▲ 我國新一代海洋水色衛(wèi)星發(fā)射升空 張久平 攝

▲ 新一代海洋水色衛(wèi)星觀測我國附近海域示意圖

全面升級換代 組網(wǎng)能力提升

在我們的眼中，海洋主要是藍(lán)色的。然而，真正的水色可能包含了從藍(lán)色到綠色甚至紅色等更微妙的波長的混合。

海洋水色衛(wèi)星可以捕捉到人眼無法分辨的水色差異。科學(xué)家可根據(jù)海洋水色衛(wèi)星從太空中監(jiān)測到的由海洋表面反射的陽光波長，做進(jìn)一步的科學(xué)研究，這對于了解海洋、保護(hù)海洋有著重要意義。

目前，我國成功發(fā)射了多顆海洋衛(wèi)星，涵蓋了海洋水色、海洋動力環(huán)境和海洋監(jiān)視監(jiān)測3 個系列。其中，海洋水色系列衛(wèi)星是以可見光和紅外成像觀測為手段的海洋遙感衛(wèi)星，主要用于海洋水色、水溫、海岸帶觀測。

與海洋一號C/D 兩星相比，此次全新升級的2.0 版本——新一代海洋水色觀測衛(wèi)星的有效載荷在譜段優(yōu)化配置與性能指標(biāo)上均有大幅提高，極大提升了應(yīng)用效能。

“發(fā)射新一代海洋水色觀測衛(wèi)星，對于用戶來說，最直觀的感受就是數(shù)據(jù)量、光譜、分辨率以及數(shù)據(jù)精度都提高了。”衛(wèi)星總設(shè)計師介紹稱。

衛(wèi)星研制人員透露，新一代海洋水色水溫掃描儀的空間分辨率整整提升了1 倍。除此之外，其譜段數(shù)量、偏振靈敏度抑制水平提高了近1 倍，雜光抑制水平則提高了近3 倍，綜合性能位居世界前列。

“本次新增的中分可編程成像光譜儀主要用于中國近海和近岸水體環(huán)境監(jiān)測，具有可見和短波紅外探測譜段。”衛(wèi)星總設(shè)計師介紹，該衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品將在大洋與海岸帶監(jiān)測等方面發(fā)揮重大作用，提高我國海域水體監(jiān)測能力、海洋遙感衛(wèi)星觀測水平。

此外，新一代海洋水色觀測衛(wèi)星將與在軌運(yùn)行的海洋一號C/D 衛(wèi)星相互配合。海洋一號C星采用上午降軌成像，D 星則采用下午升軌成像，兩星組成了我國首個海洋民用業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座，具備全球水色水溫探測覆蓋能力。新一代衛(wèi)星的加入，則進(jìn)一步提高了重訪能力。

新一代海洋水色觀測衛(wèi)星有望為我國第40 次南極考察任務(wù)保駕護(hù)航。據(jù)公開資料顯示，國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心對雪龍船的船載系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)備的升級改造，使雪龍船具備接收處理新一代海洋水色觀測衛(wèi)星等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力，這將極大提升雪龍船在極地冰區(qū)的航行保障水平。

“看”得更清楚 功能更全面

從太空中“看海”，最大的問題就是海洋太暗，而且還受到云層、海面陽光反射等因素干擾。新一代海洋水色觀測衛(wèi)星配置了全新的探測儀器載荷——水色水溫掃描儀、中分辨率可編程成像光譜儀和海岸帶成像光譜儀，分辨率、在軌定標(biāo)精度、信噪比等關(guān)鍵指標(biāo)均大幅提升。

其中，分辨率反映了衛(wèi)星對細(xì)節(jié)的觀測能力，決定了衛(wèi)星觀測圖像的清晰程度。更高的定標(biāo)精度，意味著衛(wèi)星觀測更加精準(zhǔn)。更高的信噪比，意味著衛(wèi)星能夠更加可靠地傳輸觀測數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)[18]通過對換向流動反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的無量綱分析及推導(dǎo)簡化，得到了用于指導(dǎo)反應(yīng)器工業(yè)設(shè)計的無量綱數(shù)及反應(yīng)器參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)式，并進(jìn)行了反應(yīng)器的設(shè)計計算驗證。

該衛(wèi)星首次采用了望遠(yuǎn)鏡整體旋轉(zhuǎn)的掃描成像技術(shù)，借助可360 度旋轉(zhuǎn)掃描的水色水溫掃描儀，還能夠360度全景“看”地球、太陽、月亮乃至深空，利用這些觀測數(shù)據(jù)來更好標(biāo)定對地成像的精準(zhǔn)度，確保8 年在軌壽命期內(nèi)穩(wěn)定收獲成果。

與海洋一號C/D 衛(wèi)星相比，新一代海洋水色觀測衛(wèi)星的全球大洋水色水溫觀測空間分辨率由1100 米提高至500 米，海岸帶環(huán)境觀測空間分辨率由50 米提高至20 米，而且具備5 米空間分辨率的地物全色信息探測能力，還增加了100 米中等分辨率的海洋生態(tài)環(huán)境要素觀測能力。

由于海岸帶成像儀對雜散光的抑制能力好，觀測的景物亮暗動態(tài)范圍大，海洋水色、極地冰川等目標(biāo)都被“看”得清清楚楚。水色水溫掃描儀5 秒就能“看”遍大半個中國，無論光線強(qiáng)弱，都能拍攝高清圖像。

成像譜段是衛(wèi)星傳感器能捕獲到的光波范圍，通過研究每個譜段，可以獲得相應(yīng)的獨(dú)特信息。與海洋一號C/D衛(wèi)星相比，新一代海洋水色觀測衛(wèi)星的成像譜段從16 個增加至46 個。這意味著，衛(wèi)星能獲取更加全面豐富的水色數(shù)據(jù)，還可以獲得大氣、植被、污染物等數(shù)據(jù)。

▲ 新一代海洋水色衛(wèi)星觀測大范圍海洋示意圖

▲ 新一代海洋水色衛(wèi)星高精度觀測特定海域示意圖

據(jù)悉，新一代海洋水色觀測衛(wèi)星的海岸帶成像儀有9 個譜段，用1 個全色譜段和8 個多光譜譜段同時守望祖國的藍(lán)色海疆，能夠?qū)⒑０稁^(qū)域的陸地和淺海目標(biāo)“看”得一清二楚，海水的各種不同顏色和海溫，如赤潮、綠潮、懸浮泥沙等，盡收“眼”底。

基于載荷配置和高性能觀測能力，新一代海洋水色觀測衛(wèi)星除了觀測海洋外，還將在國土、生態(tài)、氣象和交通等行業(yè)開展應(yīng)用：國土行業(yè)可以開展海岸帶生態(tài)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、土地變更調(diào)查與監(jiān)測等；生態(tài)行業(yè)可以開展河口港灣水質(zhì)監(jiān)測、近海環(huán)境污染監(jiān)測等；氣象行業(yè)可以開展湖泊藻類水華監(jiān)測、全國地表高溫監(jiān)測等；交通行業(yè)可以開展航道冰情監(jiān)測、船舶溢油監(jiān)測、船舶航行保障與救援等。

▲ 新一代海洋水色衛(wèi)星能夠快速觀測大面積海域

▲ 新一代海洋水色衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖

“主線”并跑 “副本”超越

新一代海洋水色觀測衛(wèi)星01 星由五院航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制。成功的背后，歷經(jīng)了2 年的先期關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、5 年的項目研制，以及科研人員無數(shù)個日夜的堅守，攻克了多項技術(shù)難點(diǎn)。

“為了提高新一代海洋水色觀測衛(wèi)星的在軌壽命，就需要保證轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的高可靠性。”衛(wèi)星總設(shè)計師介紹，僅衛(wèi)星載荷就有多套轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，設(shè)計考慮因素較多。

以海洋水色水溫掃描儀為例，科研人員既要保證所有轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時不會相互干擾，還要考慮紅外成像的制冷問題。衛(wèi)星研制團(tuán)隊組織五院專家針對轉(zhuǎn)動部件和制冷機(jī)開展了生產(chǎn)過程專項復(fù)查，對相關(guān)單機(jī)的壽命試驗情況進(jìn)行了專項檢查，并對相關(guān)加速試驗方案的拆解方案進(jìn)行了多次評審。最終，研制團(tuán)隊對歷次審查中專家提出的十六大項目共148 個問題和意見進(jìn)行了詳細(xì)書面答復(fù)，完成問題閉環(huán)。

對質(zhì)量問題“抽絲剝繭”，是我國科研人員延續(xù)的習(xí)慣，也是新衛(wèi)星實現(xiàn)超越的基礎(chǔ)。在創(chuàng)建之初，航天東方紅衛(wèi)星公司就對小衛(wèi)星提出了“好、快、省”的研制口號——指標(biāo)要好，研制周期要快，成本要省。這份刻在航天人骨子里的質(zhì)量意識，也為后續(xù)成功奠定了堅實基礎(chǔ)。

自1978 年美國發(fā)射第一顆海洋衛(wèi)星開始，日本、加拿大、俄羅斯及歐共體（歐盟）都相繼發(fā)射了海洋衛(wèi)星。

1986 年，我國組織開展海洋衛(wèi)星研制、發(fā)射的論證工作。1997 年，海洋一號衛(wèi)星被正式批準(zhǔn)立項研制。2000 年11 月，中國政府發(fā)表首部《中國的航天》白皮書，明確指出要建立長期穩(wěn)定運(yùn)行的衛(wèi)星對地觀測體系，而海洋衛(wèi)星是其中的重要組成部分。2002 年5 月15 日，海洋一號衛(wèi)星發(fā)射升空，實現(xiàn)了我國海洋衛(wèi)星“零”的突破。單從發(fā)射時間來看，我國在海洋衛(wèi)星領(lǐng)域的起步晚了24 年，時不我待。

“海洋一號衛(wèi)星已經(jīng)達(dá)到了國外第二代同類衛(wèi)星的水平，而新一代海洋水色觀測衛(wèi)星則與國際第三代同類衛(wèi)星的水平相當(dāng)。”衛(wèi)星總設(shè)計師表示，“雖然起步晚，但我們已經(jīng)實現(xiàn)了‘并跑’，甚至有些領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了領(lǐng)先水平。”

在科研人員眼中，“新一代”只是更高的起點(diǎn)。衛(wèi)星總設(shè)計師表示：“我們還會不斷突破，努力讓我國海洋水色衛(wèi)星逐步由‘并跑’走向‘領(lǐng)跑’，為我國航天強(qiáng)國建設(shè)和海洋強(qiáng)國建設(shè)提供有力支撐。”