歐空局EE10“和諧”衛(wèi)星：如何讓地球系統(tǒng)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(jié)，不難發(fā)現(xiàn)，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(jīng)被一些衛(wèi)星“看見”，然而這些觀測只能給出2D應力分布，和諧衛(wèi)星的設計者則通過將這些微小尺度過程與環(huán)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(wèi)星（Harmony）用戶研討會。該衛(wèi)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(wèi)星的設計，瞄準地球系統(tǒng)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(wèi)星技術概要，在圖1中給出。

圖1 和諧項目2顆衛(wèi)星（哨兵-1為共同組網(wǎng)衛(wèi)星）的主要技術指標和地面系統(tǒng)概覽（和諧2顆衛(wèi)星為太陽同步極地軌道，軌道設置與哨兵-1衛(wèi)星相同，軌道高度693 km，交點地方時18：00；和諧衛(wèi)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(tǒng)包括衛(wèi)星測控和運行中心、數(shù)據(jù)接收和處理中心，和哨兵-1衛(wèi)星地面系統(tǒng)協(xié)同運行，并共同開展應用）

和諧項目的2顆衛(wèi)星的重量，均在300 kg以內(nèi)，按照國際上流行的衛(wèi)星劃分，屬于小型衛(wèi)星。和諧項目的設計特點，一是與在軌的哨兵-1衛(wèi)星同步飛行、協(xié)同觀測，更加充分發(fā)揮了哨兵-1 SAR設備的功能；二是兩顆和諧衛(wèi)星通過圍繞哨兵-1衛(wèi)星的兩種位相工作方式的轉(zhuǎn)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(wèi)星的主要發(fā)力點

和諧衛(wèi)星的設計，其科學創(chuàng)新和意義，主要是以地球環(huán)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(fā)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(xiàn)象的內(nèi)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(jié)，不難發(fā)現(xiàn)，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(jīng)被一些衛(wèi)星“看見”（圖2），然而這些觀測只能給出2D應力分布，和諧衛(wèi)星的設計者則通過將這些微小尺度過程與環(huán)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(lián)系最為緊密的可見現(xiàn)象，非云莫屬。和諧衛(wèi)星為了能更好地監(jiān)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(huán)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(huán)境條件下演繹的形態(tài)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(fā)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(shù)，和諧衛(wèi)星以雙星伴哨兵衛(wèi)星的配置和選擇不同的觀測模態(tài)，用簡單的立體幾何原理，反推關鍵云參數(shù)（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(wèi)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(fā)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(lián)系在一起。

2 冰雪圈

和諧衛(wèi)星針對地球冰雪圈的探測，主要發(fā)揮星上載荷和雙星位置優(yōu)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(zhì)平衡的結果。其中的變化有相對慢和快的節(jié)奏，其中相對慢的變化，是典型的氣候變化驅(qū)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(wèi)星已經(jīng)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(wèi)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(wèi)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(wèi)星研發(fā)團隊認為，冰的垂直流動，是解決冰雪圈質(zhì)量變化和冰動力學，以及冰川突變的關鍵所在。為此，和諧衛(wèi)星瞄準數(shù)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(fā)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(fā)，向大氣中排放大量水汽等物質(zhì)，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(jīng)被納入地球系統(tǒng)模擬需要考慮和解析的要素之中。

如前所述，和諧衛(wèi)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(fā)過程的監(jiān)測。如前所述，為了對固體地球開展有效探測，和諧衛(wèi)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(wèi)星針對不同的固體地球過程，利用“立體聲”和XTI模態(tài)開展觀測

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

4 和諧衛(wèi)星有望實現(xiàn)“一（組）星”多圈層、千米精度探測

如前所述，兩顆和諧衛(wèi)星攜帶的多通道、多角度熱紅外儀器，主要通過兩顆衛(wèi)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(tài)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)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(wèi)星兩次改變位相工作方式，實現(xiàn)快、慢觀測兼顧

和諧衛(wèi)星將在5年的設計壽命期里，兩顆衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星近距離編隊飛行實現(xiàn)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(wèi)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(wèi)星在“哨兵-1”之前飛行，另一顆衛(wèi)星尾隨“哨兵-1”。兩顆和諧星與“哨兵-1”衛(wèi)星軌道相同，位相前后分別相差50 s，到哨兵衛(wèi)星的距離將在350～400 km。三顆衛(wèi)星在相同軌道上的不同位置對同一目標觀測，實現(xiàn)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(wèi)星利用視線之間的角度多樣性，用不同衛(wèi)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(wèi)星可實現(xiàn)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(yōu)化SAR圖像的輻射質(zhì)量，也可以對它們進行處理實現(xiàn)沿雷達視線方向的地表瞬時速度測量。通過把兩顆衛(wèi)星獲取的沿視線方向速度矢量結合起來，就可以實現(xiàn)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(wèi)星和哨兵-1衛(wèi)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(wèi)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(qū)域提供海面溫度，以輔助SAR對海洋表面的觀測。兩顆和諧衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星SAR載荷將從略微不同的角度觀察地表，這使得兩顆衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星要實現(xiàn)設計功能面臨很多技術挑戰(zhàn)

一些挑戰(zhàn)有工程上的，如需要發(fā)射裝置使兩顆星能在一個單獨發(fā)射器單元里被送入既定軌道；衛(wèi)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(zhì)量和體積的約束；確?！吧诒?1”的松散編隊飛行和兩顆“和諧”衛(wèi)星之間的近距離編隊飛行安全等。一些挑戰(zhàn)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(shù)據(jù)量）范圍內(nèi)為所有科學目標服務，并考慮哨兵-1觀測的現(xiàn)實情況；還需設計多普勒（地表速度）觀測系統(tǒng)，包括彈性變形控制等配合和諧衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理等。還有一些挑戰(zhàn)是技術實現(xiàn)方面的，如克服和諧雙星上的SAR時鐘與哨兵-1衛(wèi)星時鐘不同步帶來的問題；要實現(xiàn)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(jīng)在軌的哨兵-1衛(wèi)星任務密切相關，還需要考慮在成本和進度限制內(nèi)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(xiàn)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(wèi)星技術已經(jīng)成熟

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

已經(jīng)確定了一些需要在和諧任務后期進一步發(fā)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(wèi)星引入創(chuàng)新的觀測技術（多靜態(tài)SAR、多視角TIR），但該項目依然可以通過成熟的技術實現(xiàn)，并從以前的任務和正在開發(fā)的任務中獲得大量遺產(chǎn)。目前和諧衛(wèi)星正在進行的預開發(fā)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(tài)同步解決方案。

4.4 和諧衛(wèi)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(fā)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(jīng)過5年以上的時間實施。這一看似緩慢的研發(fā)節(jié)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(yè)務能力更新的最佳節(jié)奏。這些可以從已經(jīng)完成、正在實施和將要發(fā)射的EE1-EE9項目中得到驗證。

過去十年中，EO發(fā)生了重大變化，借助EE項目，ESA繼續(xù)扮演了推動歐洲乃至全球EO卓越和創(chuàng)新，帶來了有益于科學和社會的新發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)分析和人工智能驅(qū)動的數(shù)字革命中走在了前端，成為不可小覷的力量。從EE10和諧衛(wèi)星理念的新意和一些細節(jié)，可以得到很多啟發(fā)。

首先，一顆“神設計”衛(wèi)星或改變交叉學科面貌。和諧衛(wèi)星的設計理念，是找尋控制地球系統(tǒng)的應力并將其變化規(guī)律全面展示出來。例如，在海氣耦合領域，和諧衛(wèi)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(shù)化方案以及數(shù)據(jù)驅(qū)動兩個方面，改進天氣、氣候和海洋動力模擬技術，更多高質(zhì)量的分析預報產(chǎn)品則是突破后的收獲。

此外，和諧衛(wèi)星的設計是用類同揭露本質(zhì)。地球是一個高度動力化的系統(tǒng)，能量和物質(zhì)的運輸和交換受多種過程和反饋機制的調(diào)節(jié)。如果不充分考慮小規(guī)模過程，就無法理解或模擬地球系統(tǒng)。和諧衛(wèi)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(xiàn)對動力過程細節(jié)的揭露。

最后，和諧星具有燈塔意義。和諧衛(wèi)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(wèi)星遙感界。其中，與“主衛(wèi)星”協(xié)同觀測，實現(xiàn)放大主衛(wèi)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(wèi)星與其他觀測協(xié)同（如計劃中的ESA與NASA合作，研發(fā)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(nèi)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(zhì)量的科學產(chǎn)品。和諧項目在技術上被認可，且已經(jīng)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.