國外海洋衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

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海洋衛(wèi)星（Ocean satellite）是在氣象衛(wèi)星和陸地資源衛(wèi)星的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的地球觀測衛(wèi)星，按照功能可分為海洋動力環(huán)境衛(wèi)星、海洋水色衛(wèi)星和海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星。

美國是世界上首個發(fā)展海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)的國家，目前，全球共有海洋衛(wèi)星或具備海洋探測能力的對地觀測衛(wèi)星近百顆。美國、歐洲、日本和印度等國家和地區(qū)均已建立了比較成熟和完善的海洋衛(wèi)星系統(tǒng)。

海洋動力環(huán)境衛(wèi)星

海洋動力環(huán)境衛(wèi)星是對海面風(fēng)場、海面高度、浪場、流場以及溫度場等動力環(huán)境探測的衛(wèi)星，有效載荷通常是微波散射計、微波輻射計、雷達(dá)高度計等，并具有多種模式和多種分辨率。其所獲取的海面動力和海底拓?fù)滟Y料，具有明顯的軍事價值。美國一般把這類衛(wèi)星的資料置于五角大樓的控制之下，尤其是實時高精度資料控制嚴(yán)格，絕不向別國提供。

▲ TOPEX/Poseidon衛(wèi)星和Jason-1.2衛(wèi)星

美國于1978年發(fā)射了世界上第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星SEASAT，主要任務(wù)是驗證利用海洋微波遙感載荷從空間探測海洋及有關(guān)海洋動力現(xiàn)象的有效性。該衛(wèi)星由于電源系統(tǒng)發(fā)生故障，于當(dāng)年11月21日正式宣告失敗。

1985年3月13日美國發(fā)射的海軍Geosat衛(wèi)星的目標(biāo)是為海軍提供高密度全球海洋重力場模型，以及進(jìn)行海浪、渦旋、風(fēng)速、海冰和物理海洋研究，獲得高精度的全球海洋大地水準(zhǔn)面精確制圖，該衛(wèi)星于1990年退役。

另外，TOPEX/Poseidon衛(wèi)星是美國和法國合作研發(fā)的海面地形測量衛(wèi)星，用于全球高精度海面高度的測量，進(jìn)而觀測和了解潮汐以及大洋環(huán)流。1992年8月10日TOPEX/Poseidon衛(wèi)星發(fā)射，2005年10月9日衛(wèi)星停止運(yùn)行，運(yùn)行了13年的時間。

1988年7月5日，蘇聯(lián)第一顆實用型海洋衛(wèi)星——Okean-01衛(wèi)星發(fā)射成功。Okean系列海洋衛(wèi)星共發(fā)展了4代，用途是對海表溫度、風(fēng)速、海洋水色、冰覆蓋等進(jìn)行觀測。目前，計劃2021年發(fā)射的俄羅斯Meteor-MN3衛(wèi)星用于海洋觀測，主載荷有海洋水色掃描儀、X頻段SAR和微波散射計等，能夠提供海面風(fēng)場、海冰類型等多類型海洋環(huán)境信息，設(shè)計壽命7年。

而MetOp衛(wèi)星則是歐洲發(fā)展的首個極軌氣象衛(wèi)星，包括MetOp-A、MetOp-B和 MetOp-C。2006年10月19日首次發(fā)射，MetOp系列衛(wèi)星將至少運(yùn)行到2020年。MetOp-A衛(wèi)星上的先進(jìn)甚高分辨率輻射計可用于獲取海面溫度和海冰信息，先進(jìn)散射計可用于獲取全球的海面風(fēng)場和海冰信息。

重力與穩(wěn)態(tài)洋流探測器（GOCE）是歐空局獨(dú)立發(fā)展的地球動力學(xué)和大地測量衛(wèi)星，是全球首顆用于探測地核結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星。GOCE于2009年3月17日發(fā)射，能夠提供海洋重力場和海洋大地水準(zhǔn)面的信息。

土壤濕度和海洋鹽度衛(wèi)星（SMOS）是歐空局首顆用于監(jiān)測全球土壤濕度和海洋鹽度的衛(wèi)星。該衛(wèi)星于2009年11月2日發(fā)射，目前仍在軌運(yùn)行。

Jason系列衛(wèi)星是法國國家空間研究中心和美國宇航局聯(lián)合研制的海洋地形觀測衛(wèi)星，是TOPEX/Poseidon衛(wèi)星的后繼星，用于海洋表面地形和海平面變化的測量。

2001年12月7日， Jason-1衛(wèi)星發(fā)射。2008年6月20日，Jason-2衛(wèi)星發(fā)射。目前，Jason-2衛(wèi)星在軌正常運(yùn)行。2016年1月17日，SpaceX公司成功發(fā)射Jason-3海洋觀測衛(wèi)星，繼續(xù)開展全球海平面高度及其影響的研究任務(wù)。該衛(wèi)星對全球變暖及近海岸1公里地區(qū)的海平面上升影響風(fēng)速及洋流情況進(jìn)行監(jiān)測，而此前的衛(wèi)星只能觀測距海岸10公里的區(qū)域。此衛(wèi)星將對全球海面高度、熱帶氣旋進(jìn)行監(jiān)測，并為季節(jié)性和沿海預(yù)報提供支持。在其5年的任務(wù)執(zhí)行期間，衛(wèi)星數(shù)據(jù)也能應(yīng)用于漁業(yè)管理和人類影響全球海洋問題的研究。

海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星

海洋監(jiān)視衛(wèi)星主要用于探測、監(jiān)視海上艦船和潛艇活動，是一種實時或近實時地偵收竊聽艦載雷達(dá)信號和無線電通信信號的偵察衛(wèi)星。它能在全天候條件下監(jiān)測海面，有效鑒別敵艦隊形、航向和航速，準(zhǔn)確確定其位置，能探測水下潛航中的核潛艇，跟蹤低空飛行的巡航導(dǎo)彈，為作戰(zhàn)指揮提供海上目標(biāo)的動態(tài)情報，為武器系統(tǒng)提供超視距目標(biāo)指示，也能為本國航船的安全航行提供海面狀況和海洋特性等重要數(shù)據(jù)。同時，也能為水面艦船提供通信。

另外，海洋監(jiān)視衛(wèi)星還可以兼顧探測海洋的各種特性，例如海浪的高度、海流的強(qiáng)度和方向、海面風(fēng)速、海水溫度和含鹽量及海岸的性質(zhì)等，可為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

在上世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)發(fā)射了雷達(dá)型海洋監(jiān)視試驗衛(wèi)星——“宇宙198”，從此海洋監(jiān)視衛(wèi)星登上了歷史舞臺。

按照海洋監(jiān)視衛(wèi)星所攜帶的偵察、監(jiān)視設(shè)備的不同和采用的偵察手段的不同，大體可分為電子偵察型海洋監(jiān)視衛(wèi)星和雷達(dá)型海洋監(jiān)視衛(wèi)星。前者又稱被動型海洋監(jiān)視衛(wèi)星，后者又稱為主動型海洋監(jiān)視衛(wèi)星，兩者相互配合協(xié)調(diào)工作。

美蘇兩國發(fā)展了一系列的海洋監(jiān)視衛(wèi)星。其中，美國海軍發(fā)展了海洋監(jiān)視系統(tǒng) ，又稱白云計劃。該計劃于20世紀(jì)60年代末啟動，直至1995年發(fā)射了最后一組衛(wèi)星，歷時近30年，而最終為“天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)”所取代。

美國在冷戰(zhàn)時期的白云計劃包括“一流奇才”和“命運(yùn)三女神”。后者能更形象地反映該系統(tǒng)各衛(wèi)星的使命和工作原理。

大部分白云衛(wèi)星系統(tǒng)都以1顆母衛(wèi)星和3顆子衛(wèi)星構(gòu)成星座，通過特定鏈接方式進(jìn)行連接，保持編隊方式飛行。在使用被動技偵手段時，各星座的子衛(wèi)星在空間成直角三角形排列。白云系統(tǒng)共發(fā)展了試驗型、第一代、第一代改進(jìn)型和新一代等衛(wèi)星系列。

試驗型白云系統(tǒng)從1971年12月開始發(fā)射，其發(fā)射方式為“一箭四星”，堪稱是當(dāng)時的最先進(jìn)水平。其主要目的只是試驗和驗證白云系統(tǒng)的可行性和基本效能，其擔(dān)負(fù)的戰(zhàn)斗勤務(wù)任務(wù)是比較有限的。

第一代白云系統(tǒng)包括3組衛(wèi)星，分別于1976年4月30日、1977年12月8日和1980年3月3日發(fā)射。3顆子衛(wèi)星以三角構(gòu)型繞主衛(wèi)星運(yùn)行，彼此間隔50～240公里。這一代衛(wèi)星的運(yùn)行壽命約3～5年，實際使用效能明顯強(qiáng)于試驗型，成為海洋普查和詳查/定位體系的有力構(gòu)成部分。

▲ 美國海洋動力衛(wèi)星發(fā)展歷程簡圖

在實施第一代白云系統(tǒng)試運(yùn)行的同時，美國還研制飛弓雷達(dá)型海洋監(jiān)視衛(wèi)星，于1981年開始執(zhí)行海軍海洋遙感衛(wèi)星計劃，試圖使用一種重量更重、傾角更大的衛(wèi)星，以同時兼顧國防和民用需要。但由于在技術(shù)上的風(fēng)險和成本過高，飛弓項目最終于1986年下馬，其技術(shù)成果被轉(zhuǎn)用于后續(xù)的白云系統(tǒng)。

第一代改進(jìn)型白云系統(tǒng)包括7組衛(wèi)星，主要是在有限地改進(jìn)衛(wèi)星技術(shù)的基礎(chǔ)上，對之前已經(jīng)到壽命周期的衛(wèi)星實施替換。所有星座母星重達(dá)450千克，子星各重45千克。星上穩(wěn)定與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)比試驗性的第一代更加完善。

在冷戰(zhàn)結(jié)束前夕，美國又發(fā)射“白云-9”和“白云-10”兩個星座，分別發(fā)射于1988年9月5日和1989年9月6日。

冷戰(zhàn)結(jié)束前后，美國繼續(xù)對白云系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和發(fā)展，又至少發(fā)展了3組新型海洋監(jiān)視衛(wèi)星星座，其中前2組發(fā)射成功。

由于新一代白云衛(wèi)星由大力神-4火箭發(fā)射，因此衛(wèi)星本身質(zhì)量和體積可進(jìn)一步放大，其母星重量加大到7噸之多，而其間距也比之前幾代衛(wèi)星加大，達(dá)到30～110公里的水平。

1990年6月，美國實施了新一代命運(yùn)女神海洋監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)的第一次發(fā)射。其實這次發(fā)射是對即將到來的海灣戰(zhàn)爭作的臨戰(zhàn)準(zhǔn)備，其中3顆子衛(wèi)星經(jīng)變軌后進(jìn)入高1116公里、傾角63. 4°的軌道。1991年11月，白云系統(tǒng)又進(jìn)行了第二次發(fā)射，代號為命運(yùn)女神-12衛(wèi)星星座，實際部署了USA-72、USA-74、USA-76和USA-77這四顆衛(wèi)星。雖然美國在1993年8月2日還進(jìn)行了第三次發(fā)射，但發(fā)射失敗。該系統(tǒng)已于1996年5月12日部署完畢。

新一代白云系統(tǒng)采用了新的設(shè)計基線，監(jiān)視的范圍更大，達(dá)到7000 平方公里范圍，在一定條件下還可在108分鐘后重返監(jiān)視目標(biāo)。由4組衛(wèi)星組成的系統(tǒng)，可對地球上40°～60°緯度的任何海洋區(qū)域，每天監(jiān)視30次以上。

進(jìn)入新世紀(jì)，美國海軍原計劃采用海軍天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)和空軍與陸軍天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)兩套系統(tǒng)，以分別適應(yīng)各自偵察和監(jiān)視需要。其中的海軍天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)計劃，用來接替白云系統(tǒng)。海軍天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)是紅外成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)，而不同于白云系統(tǒng)的無線電信號偵察方式，該計劃于上世紀(jì)80年代末啟動，但只發(fā)射了一組試驗性質(zhì)的衛(wèi)星。后來，海軍天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)與空軍陸軍天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)合并，成為聯(lián)合天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)計劃，以兼顧四大軍種的統(tǒng)一需求。聯(lián)合天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)衛(wèi)星采用雙星組網(wǎng)方式工作，可針對水面艦船、水下潛艇、飛行器和地面車輛進(jìn)行偵察和監(jiān)視，功能非常多樣。

俄羅斯的宇宙系列也有諸多可圈可點(diǎn)之處。蘇聯(lián)的宇宙電子型海洋監(jiān)視衛(wèi)星系列衛(wèi)星始發(fā)于1974年，主要用于探測、識別和跟蹤艦船，迄今為止已發(fā)40余顆。

1988年，蘇聯(lián)終止雷達(dá)型衛(wèi)星發(fā)射后，主要通過電子型海洋監(jiān)視衛(wèi)星執(zhí)行海上偵察任務(wù)。它的工作壽命早期為數(shù)月，目前為2年以上，有效載荷為電子偵察接收機(jī)。

1990年3月，蘇聯(lián)發(fā)射了宇宙-2060電子型海洋監(jiān)視衛(wèi)星。其后在海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)的前后幾個月里，又發(fā)射了3顆電子型海洋監(jiān)視衛(wèi)星，從而使其海洋監(jiān)視衛(wèi)星的數(shù)量達(dá)到6顆，達(dá)到歷史最高記錄。該星座由6顆衛(wèi)星組成，隨時間的推移能夠工作的衛(wèi)星逐年減少。據(jù)報道，現(xiàn)在只有1顆1997年12月15日發(fā)射的“宇宙-2347”衛(wèi)星仍在工作。

海洋水色衛(wèi)星是對海洋水色要素（如葉綠素、懸浮沙和可溶性的黃色物質(zhì)等）和水溫及其動態(tài)變化的探測，有效載荷通常選用靈敏度高、信噪比高、光譜分辨率高、波段多、帶寬窄的海洋水色掃描儀。

美國海星衛(wèi)星于1997年8月1日發(fā)射，又稱軌道觀測-2衛(wèi)星，主要用于海洋水色觀測、海洋生物和生態(tài)學(xué)研究，為美國地球探測計劃提供全球環(huán)境觀測數(shù)據(jù)。

另外，土衛(wèi)星是美國、日本和加拿大聯(lián)合研發(fā)的對地觀測衛(wèi)星，主要用來觀測地球氣候變化。該衛(wèi)星搭載的有效載荷中，分辨率成像光譜儀可以獲取海面溫度和海洋水色信息。

Aquarius衛(wèi)星是美國宇航局發(fā)展的對地觀測衛(wèi)星，原名為“上午星”，不知道美國宇航局出于什么原因，后來將其改名為水衛(wèi)星。水衛(wèi)星的主要任務(wù)是對地球上的水循環(huán)進(jìn)行全方位的觀測，可以獲取海洋溫度和海洋水色信息。該衛(wèi)星于2002年5月4日發(fā)射，現(xiàn)仍在軌運(yùn)行。

印度發(fā)展的專用海洋衛(wèi)星包括Oceansat-1和Oceansat-2，用于海洋環(huán)境探測，包括測量海面風(fēng)場、葉綠素濃度、浮游植物以及海洋中的懸浮和沉淀物。Oceansat-1是印度遙感衛(wèi)星系統(tǒng)中首顆用于海洋觀測的衛(wèi)星，于1999年5月26日發(fā)射，2010年8月8日退役。Oceansat-2衛(wèi)星于2009年9月23日發(fā)射，目前在軌運(yùn)行

海洋觀測衛(wèi)星是日本的第一個地球觀測衛(wèi)星系列，又稱桃花衛(wèi)星，共發(fā)射了2 顆。第一顆是試驗型海洋觀測衛(wèi)星，用于測量海洋水色、海面溫度和大氣水汽含量，第二顆則用于觀測海洋洋流、海面溫度、海洋水色等。

▲ 美國Aquarius衛(wèi)星

海洋衛(wèi)星的未來發(fā)展趨勢

目前，在國際上列入發(fā)射計劃的海洋衛(wèi)星中，出現(xiàn)了一批新型一體化的海洋遙感載荷。例如，SWOT高度計衛(wèi)星，其主載荷在傳統(tǒng)雷達(dá)高度計基礎(chǔ)上增加了高頻的Ka頻段雷達(dá)干涉儀，測高精度將達(dá)到1.5～3厘米，空間分辨率達(dá)到0.5～1公里，因而SWOT既滿足了海洋動力現(xiàn)象的高精度觀測，還能夠觀測陸地水體的變化，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)雷達(dá)高度計在觀測中尺度或亞中尺度海洋動力現(xiàn)象中的不足。

未來，海洋衛(wèi)星微波遙感載荷將向高頻、多頻、多極化等方向發(fā)展。

早期的海洋水色遙感器、雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)都沒有經(jīng)過定標(biāo)，雷達(dá)高度計衛(wèi)星也沒有精密定軌載荷，這些情況都嚴(yán)重影響了海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

定量化應(yīng)用是海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)。由海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)生產(chǎn)的葉綠素、懸浮泥沙、海溫、海面高度、海面風(fēng)場、海浪場等遙感產(chǎn)品，都屬于定量化反演應(yīng)用的范疇。目前，在國際上海洋衛(wèi)星都已經(jīng)建有定標(biāo)與真實性檢驗場，專門用于海洋遙感載荷的定標(biāo)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的真實性檢驗，如用于雷達(dá)高度計絕對定標(biāo)的定標(biāo)場就有美國的Harvest石油平臺、法國南部的科西嘉島和希臘的加夫多斯島3個專用定標(biāo)檢驗場。

未來，天基海洋偵察監(jiān)視體系的趨勢非常明確。面對大量的各型大中型水面艦艇和核潛艇，尤其是無人化、智能化海上作戰(zhàn)單元的大量運(yùn)用，以及越來越多的遠(yuǎn)洋活動，海上戰(zhàn)場將更加依賴于天基海洋偵察監(jiān)視體系。由此，安全、穩(wěn)定、精確、高效的天基海洋偵察監(jiān)視體系，將成為未來的建設(shè)重點(diǎn)。