歐洲哥白尼計劃的現(xiàn)狀和未來

文|李俊杰 陳衛(wèi)榮 孫學嬌

中國資源衛(wèi)星應用中心

哥白尼計劃（Copernicus Programme）是歐盟的地球觀測計劃，旨在觀測地球及其環(huán)境，提供利用衛(wèi)星觀測和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的信息服務，造福所有歐洲公民，被譽為地球上空的歐洲之眼（Europe's eyes on Earth）。歐洲聯(lián)盟委員會（EC）管理該方案，與歐盟（EU）成員國、歐洲航天局（ESA）、歐洲氣象衛(wèi)星應用組織（EUMETSAT）、歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）、歐盟機構(gòu)和墨卡托海洋（Mercator Océan）合作實施。

哥白尼計劃由3 個部分組成：1）空間部分，哨兵系列衛(wèi)星和相關(guān)的地面系統(tǒng)，以及其他衛(wèi)星的貢獻任務；2）現(xiàn)場測量部分，提供海洋、大陸表面和大氣層信息的地面和空中數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡；3）服務部分，開發(fā)和管理服務，并向用戶和公眾提供。哥白尼計劃所提供的信息服務是免費的，用戶可以公開獲取，歐洲認為該計劃是迄今為止最雄心勃勃的對地觀測計劃。

一、哥白尼計劃的目標和歷史沿革

哥白尼計劃是一個對地觀測計劃，其目標是實現(xiàn)全球、連續(xù)、自主、高質(zhì)量、大范圍的地球觀測能力，提供準確、及時和易于獲取的信息，以改善環(huán)境管理，了解和減輕氣候變化的影響，并確保公民安全。

哥白尼計劃的前身是全球環(huán)境與安全監(jiān)測（GMES），該計劃于1998 年提出，2012 年更名為哥白尼計劃。哥白尼計劃選擇哥白尼的名字，是在向一位偉大的歐洲科學家致敬，哥白尼通過對星空的觀測，提出日心說，改變了我們對宇宙的看法。

哥白尼計劃遵循分階段的方法從研發(fā)轉(zhuǎn)向運營服務，2008 年至2010 年間分階段投入使用，最初的運行始于2011 年，2014 年開始全面運行。

二、對地觀測任務衛(wèi)星和數(shù)據(jù)

哥白尼計劃龐大的對地觀測系統(tǒng)有3“多”：衛(wèi)星多、載荷多和任務多，形成了全面的、成體系的對地觀測系統(tǒng)，其衛(wèi)星和數(shù)據(jù)分為專門的哨兵任務和貢獻任務（CCMs）。

1.哨兵任務

ESA 當前開發(fā)的哨兵（Sentinel）任務衛(wèi)星（見圖1）有6 類，包括Sentinel-1、Sentinel-2、Sentinel-3、Sentinel-4、Sentinel-5P/5、Sentinel-6，用于陸地、海洋和大氣監(jiān)測的雷達和超光譜成像。每個哨兵任務都基于兩顆衛(wèi)星的星座，以滿足衛(wèi)星重訪的覆蓋要求，為所有哥白尼服務提供強大的數(shù)據(jù)集。

圖1 哨兵家族衛(wèi)星示意圖（來自ESA）

哨兵任務的目標如下：

Sentinel-1：雷達觀測任務，提供用于陸地和海洋服務的全天候晝夜雷達成像，同時可用于地表形變監(jiān)測；Sentinel-1A 于2014 年4 月發(fā)射，Sentinel-1B 于2016 年4 月發(fā)射并在2022 年8月失效。

Sentinel-2：高分辨光學陸地觀測任務，寬幅高分辨率雙星多光譜成像，為美國陸地衛(wèi)星（Landsat）和法國斯波特衛(wèi)星（SPOT）任務的數(shù)據(jù)連續(xù)性和增強而設計，用于哥白尼計劃的陸地和安全業(yè)務；Sentinel-2A 于2015 年6 月發(fā)射，Sentinel-2B 于2017 年3 月發(fā)射。

Sentinel-3：中分辨陸地和海洋觀測任務，為海洋和陸地應用（如海洋水色、海洋和陸地表面溫度、海面和陸冰地形、植被產(chǎn)品等）提供地球觀測數(shù)據(jù)，2 顆Sentinel-3 衛(wèi)星可在兩天內(nèi)實現(xiàn)全球覆蓋，在不到3 小時的時間內(nèi)實時交付產(chǎn)品；Sentinel-3A 于2016 年2 月發(fā)射，Sentinel-3B 于2018 年4 月發(fā)射。

Sentinel-4：靜止軌道大氣觀測任務，提供大氣成分數(shù)據(jù)產(chǎn)品（如臭氧、二氧化硫、氣溶膠光學厚度等），支持歐洲上空的空氣質(zhì)量監(jiān)測和預測，這些數(shù)據(jù)將以高空間分辨率每小時生成一次；衛(wèi)星預計2024 年發(fā)射。

Sentinel-5P/5：近地軌道全球大氣觀測任務，提供大氣成分數(shù)據(jù)產(chǎn)品（如臭氧、二氧化氮、二氧化硫、甲烷和氣溶膠光學厚度等），提供全球空氣質(zhì)量監(jiān)測服務；Sentinel-5P 于2017 年10 月發(fā)射，Sentinel-5 預計2025 年發(fā)射。

Sentinel-6：繪制海平面圖任務，量化和監(jiān)測全球和區(qū)域海平面變化和海平面上升率，以支持海洋氣象學和海洋學業(yè)務服務；Sentinel-6A 于2020年11 月發(fā)射，Sentinel-6B 預計2025 年發(fā)射。

2.貢獻任務

哥白尼計劃除了專用的哨兵衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)外，還有哥白尼貢獻任務，超過30 顆貢獻任務衛(wèi)星提供補充數(shù)據(jù)，同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，以確保滿足一系列觀測要求。

貢獻任務包括來自歐盟成員國及哥白尼計劃參與國的商業(yè)任務運營商、商業(yè)超高分辨率（VHR）光學和雷達任務運營商、新興的歐洲任務運營商，這些運營商將其部分數(shù)據(jù)提供給哥白尼計劃。貢獻任務活動的重點是及時提供超高分辨率的光學和雷達數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)源類型正在逐步擴大，還包括其他新興的商業(yè)數(shù)據(jù)（如熱紅外、高光譜和大氣成分數(shù)據(jù)），以滿足不斷變化的用戶需求。圖2 是哥白尼計劃貢獻任務衛(wèi)星概覽圖，其中有中國的商業(yè)衛(wèi)星高景一號（Superview-1）。

圖2 哥白尼計劃貢獻任務衛(wèi)星概覽圖（來自ESA）

三、數(shù)據(jù)和信息服務

哥白尼計劃的數(shù)據(jù)和信息是通過一組服務提供給用戶，大多數(shù)用戶可在線獲取。哥白尼計劃目前每天可提供16TB 的數(shù)據(jù)，是世界上最大的空間數(shù)據(jù)提供商。哥白尼計劃的數(shù)據(jù)和信息主要通過以下兩種方式對外提供服務：一是哥白尼數(shù)據(jù)空間生態(tài)系統(tǒng)，主要提供對地觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品，也提供基于數(shù)據(jù)衍生的信息；二是哥白尼服務，面向6 大應用領(lǐng)域提供專業(yè)信息服務，包括土地、海洋、大氣、應急、安全和氣候變化。

1.哥白尼數(shù)據(jù)空間生態(tài)系統(tǒng)（Copernicus Data Space Ecosystem）

用戶可使用瀏覽器或API 接口通過該生態(tài)系統(tǒng)（2023 年1 月啟用）瀏覽和訪問來自哥白尼哨兵衛(wèi)星的大量開放和免費的對地觀測數(shù)據(jù)，包括最新和存檔的哨兵圖像；此外用戶也可以通過歐盟委員會資助的5 個基于云的平臺（也被稱為哥白尼數(shù)據(jù)和信息訪問服務，DIAS）獲取哨兵數(shù)據(jù)；哥白尼數(shù)據(jù)空間生態(tài)系統(tǒng)提供一系列工具支持用戶訪問、查看、使用、下載和分析數(shù)據(jù)。

哥白尼數(shù)據(jù)空間生態(tài)系統(tǒng)特色主要有：1）全球最大的對地觀測數(shù)據(jù)提供者，提供對地觀測數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)和下載能力；2）提供一系列數(shù)據(jù)處理工具，從對地觀測數(shù)據(jù)中提取客觀信息并進行公共、私人或商業(yè)活動；3）繁榮的生態(tài)系統(tǒng)，提供來自公共、商業(yè)和科學服務供應商的數(shù)據(jù)、服務和應用；4）一個可惠及機構(gòu)用戶、科研、商業(yè)部門以及地球上的每個公民的服務。

2.哥白尼服務（Copernicus Service）

哥白尼服務提供的信息是通用的、標準化、多用途信息，其中許多是在國家或地區(qū)層面實施的，旨在實現(xiàn)可持續(xù)性。哥白尼服務的領(lǐng)域為如下6 個方面。

（1）土地（Land）

哥白尼土地監(jiān)測服務（CLMS）向歐洲和世界各地的廣大用戶提供有關(guān)土地覆蓋及其變化、土地利用、植被狀態(tài)、地表水循環(huán)和能量平衡的地理信息，支持在空間和城市規(guī)劃、森林和水資源管理、農(nóng)業(yè)和糧食安全、自然保護和恢復、農(nóng)村發(fā)展等方面的應用。

（2）海洋（Marine）

哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務（CMEMS）為全球和歐洲區(qū)域海洋提供關(guān)于海洋和海洋生態(tài)系統(tǒng)的物理和生物地球化學狀態(tài)、可變性及動態(tài)的定期和系統(tǒng)的參考信息，支持海洋資源、沿海及海洋環(huán)境和以安全為目標的海洋應用等。

（3）大氣（Atmosphere）

哥白尼大氣監(jiān)測服務（CAMS）提供關(guān)于地球大氣成分的連續(xù)數(shù)據(jù)和信息，支持健康、環(huán)境監(jiān)測、可再生能源、氣象學和氣候?qū)W等領(lǐng)域應用。

（4）應急（Emergency）

哥白尼應急管理服務（Copernicus EMS）為參與自然災害、人為緊急情況和人道主義危機管理的所有參與者提供及時準確的地理空間信息。

（5）氣候變化（Climate Change）

哥白尼氣候變化服務（C3S）通過提供有關(guān)歐洲和世界其他地區(qū)過去、現(xiàn)在和未來氣候的權(quán)威信息來支持社會。

（6）安全（Security）

哥白尼安全應用服務（CSS）旨在通過提供應對歐洲安全挑戰(zhàn)的信息來支持歐盟政策，它改進了三個關(guān)鍵領(lǐng)域的危機預防、準備和應對：邊境監(jiān)視、海上監(jiān)視和對歐盟外部行動的支持。

圖3 為哥白尼土地監(jiān)測服務中，瑞典某地作物總生產(chǎn)力年度比較。

值得注意的是，哥白尼計劃的數(shù)據(jù)和信息服務是免費的，哥白尼計劃生成的數(shù)據(jù)和信息（即哨兵任務數(shù)據(jù)和哥白尼服務信息），對用于商業(yè)或非商業(yè)目的的使用、復制和再分配，都沒有限制。機構(gòu)和商業(yè)公司以滿足特定用戶需求為目標，使用哥白尼數(shù)據(jù)和信息開發(fā)的增值服務，可以免費或收費。

四、成果和未來發(fā)展

2023 年是哥白尼計劃25 周年，哥白尼計劃已經(jīng)成為世界領(lǐng)先的地球觀測計劃，提供高質(zhì)量和及時的數(shù)據(jù)，幫助應對關(guān)鍵的全球挑戰(zhàn)。截至2023 年6 月，哥白尼計劃有70.5 萬名全球注冊用戶，已發(fā)布6240 萬用戶級別產(chǎn)品，被下載了550PB 的數(shù)據(jù)。從2014 年開始，Sentinel-1、Sentinel-2、Sentinel-3 和Sentinel-5P 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品面向全球完全免費和公開。

當前的哨兵任務（Sentinel-1/2/3/4/5/6）是哥白尼計劃的核心,將補充發(fā)射Sentinel-1/2；為解決歐盟政策和哥白尼用戶需求方面的差距，提高哨兵衛(wèi)星的當前能力，準備研制第二代哥白尼（哥白尼2.0），ESA 目前正在研究6 個高優(yōu)先級候選擴展任務：1）Sentinel-7（CO2M）：哥白尼人為二氧化碳監(jiān)測；2）Sentinel-8（LSTM）：哥白尼地表溫度監(jiān)測；3）Sentinel-9（CRISTAL）：哥白尼極地冰雪地形高度計；4）Sentinel-10（CHIME）：哥白尼環(huán)境監(jiān)測高光譜成像任務；5）Sentinel-11（CIMR）：哥白尼成像微波輻射計；6）Sentinel-12（ROSE-L）：哥白尼L 波段合成孔徑雷達。

五、總結(jié)

哥白尼計劃從服務用戶，支撐歐洲環(huán)境管理和安全需要出發(fā)，圍繞應用需求，建立對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，結(jié)合地面、海洋和空中的現(xiàn)場測量，不僅提供類型多樣的全球?qū)Φ赜^測數(shù)據(jù)，還提供重點領(lǐng)域的信息服務，該計劃提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品和信息服務遵循完全開放和免費的理念，而且產(chǎn)品級別從初級產(chǎn)品、高級產(chǎn)品到信息產(chǎn)品，滿足不同層次用戶的需要，廣受世界各地用戶的歡迎。

哥白尼計劃是雄心勃勃的對地觀測計劃，從當前的成效來看也是造福全球具有世界影響力的對地觀測計劃。哥白尼計劃在使命愿景、數(shù)據(jù)產(chǎn)品、全球共享分發(fā)、信息應用服務，推動地球系統(tǒng)科學研究和遙感產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面值得學習和借鑒。