国外海洋卫星应用发展现状及趋势

Space Exploration - - 太空探索 - 文/ 王涛

海洋卫星(Ocean satellite)是在气象卫星和陆地资源卫星的基础上发展起来的地球观测卫星,按照功能可分为海洋动力环境卫星、海洋水色卫星和海洋监视监测卫星。

美国是世界上首个发展海洋卫星遥感技术的国家,目前,全球共有海洋卫星或具备海洋探测能力的对地观测卫 星近百颗。美国、欧洲、日本和印度等国家和地区均已建立了比较成熟和完善的海洋卫星系统。

海洋动力环境卫星

海洋动力环境卫星是对海面风场、海面高度、浪场、流场以及温度场等动 力环境探测的卫星,有效载荷通常是微波散射计、微波辐射计、雷达高度计等,并具有多种模式和多种分辨率。其所获取的海面动力和海底拓扑资料,具有明显的军事价值。美国一般把这类卫星的资料置于五角大楼的控制之下,尤其是实时高精度资料控制严格,绝不向别国提供。

美国于 1978年发射了世界上第一颗海洋动力环境卫星SEASAT,主要任务是验证利用海洋微波遥感载荷从空间探测海洋及有关海洋动力现象的有效性。该卫星由于电源系统发生故障,于当年11 月 21日正式宣告失败。

1985 年 3 月 13日美国发射的海军 Geosat卫星的目标是为海军提供高密度全球海洋重力场模型,以及进行海浪、涡旋、风速、海冰和物理海洋研究,获得高精度的全球海洋大地水准面精确制图,该卫星于1990 年退役。

另外,Topex/poseidon 卫星是美国和法国合作研发的海面地形测量卫星,用于全球高精度海面高度的测量,进而观测和了解潮汐以及大洋环流。1992 年8月 10 日 Topex/poseidon 卫星发射,2005 年 10 月 9日卫星停止运行,运行了13年的时间。

1988 年 7 月 5日,苏联第一颗实用型海洋卫星——Okean - 01卫星发射成功。Okean系列海洋卫星共发展 了 4代,用途是对海表温度、风速、海洋水色、冰覆盖等进行观测。目前,计划 2021年发射的俄罗斯 Meteor - MN3卫星用于海洋观测,主载荷有海洋水色扫描仪、X频段 SAR和微波散射计等,能够提供海面风场、海冰类型等多类型海洋环境信息,设计寿命7年。

而 Metop卫星则是欧洲发展的首个极轨气象卫星,包括Metop - A、Metop - B 和 Metop - C。2006 年10 月 19日首次发射,Metop系列卫星将至少运行到2020 年。Metop - A卫星上的先进甚高分辨率辐射计可用于获取海面温度和海冰信息,先进散射计可用于获取全球的海面风场和海冰信息。

重力与稳态洋流探测器(GOCE)是欧空局独立发展的地球动力学和大地测量卫星,是全球首颗用于探测地核结构的卫星。GOCE于 2009 年 3 月 17日发射,能够提供海洋重力场和海洋大地水准面的信息。

土壤湿度和海洋盐度卫星(SMOS)是欧空局首颗用于监测全球土壤湿度和海洋盐度的卫星。该卫星于2009 年 11月2日发射,目前仍在轨运行。

Jason系列卫星是法国国家空间研究中心和美国宇航局联合研制的海洋地形观测卫星,是 Topex/poseidon 卫星的后继星,用于海洋表面地形和海平面变化的测量。

2001 年 12 月 7 日, Jason-1 卫星发射。2008年 6 月 20 日,Jason-2卫星发射。目前,Jason-2卫星在轨正常运行。2016 年 1 月 17 日,Spacex公司成功发射Jason-3海洋观测卫星,继续开展全球海平面高度及其影响的研究任务。该卫星对全球变暖及近海岸1公里地区的海平面上升影响风速及洋流情况进行监测,而此前的卫星只能观测距海岸10公里的区域。此卫星将对全球海面高度、热带气旋进行监测,并为季节性和沿海预报提供支持。在其5年的任务执行期间,卫星数据也能应用于渔业管理和人类影响全球海洋问题的研究。

海洋监视监测卫星

海洋监视卫星主要用于探测、监视海上舰船和潜艇活动,是一种实时或近实时地侦收窃听舰载雷达信号和无线电通信信号的侦察卫星。它能在全天候条件下监测海面,有效鉴别敌舰队形、航向和航速,准确确定其位置,能探测水下潜航中的核潜艇,跟踪低空飞行的巡航导弹,为作战指挥提供海上目标的动态情报,为武器系统提供超视距目标指示,也能为本国航船的安全航行提供海面状况和海洋特性等重要数据。同时,也能为水面舰船提供通信。

另外,海洋监视卫星还可以兼顾探测海洋的各种特性,例如海浪的高度、海流的强度和方向、海面风速、海水温

度和含盐量及海岸的性质等,可为国民经济建设服务。

在上世纪70年代,苏联发射了雷达型海洋监视试验卫星——“宇宙198”,从此海洋监视卫星登上了历史舞台。

按照海洋监视卫星所携带的侦察、监视设备的不同和采用的侦察手段的不同,大体可分为电子侦察型海洋监视卫星和雷达型海洋监视卫星。前者又称被动型海洋监视卫星,后者又称为主动型海洋监视卫星,两者相互配合协调工作。

美苏两国发展了一系列的海洋监视卫星。其中,美国海军发展了海洋监视系统 ,又称白云计划。该计划于20世纪 60年代末启动,直至1995 年发射了最后一组卫星,历时近30年,而最终为“天基广域监视系统”所取代。

美国在冷战时期的白云计划包括“一流奇才”和“命运三女神”。后者能更形象地反映该系统各卫星的使命和工作原理。

大部分白云卫星系统都以1颗母卫星和3颗子卫星构成星座,通过特定链接方式进行连接,保持编队方式飞行。在使用被动技侦手段时,各星座的子卫星在空间成直角三角形排列。白云系统共发展了试验型、第一代、第一代改进型和新一代等卫星系列。

试验型白云系统从1971 年 12 月开始发射,其发射方式为“一箭四星”,堪称是当时的最先进水平。其主要目的只是试验和验证白云系统的可行性和基本效能,其担负的战斗勤务任务是比较有限的。

第一代白云系统包括3组卫星,分别 于 1976 年 4 月 30 日、1977 年12月8日和1980年3月3日发射。3颗子卫星以三角构型绕主卫星运行,彼此间隔50 ~ 240公里。这一代卫星的运行寿命约3 ~ 5年,实际使用效能明显强于试验型,成为海洋普查和详查/定位体系的有力构成部分。

在实施第一代白云系统试运行的同时,美国还研制飞弓雷达型海洋监视卫星,于 1981年开始执行海军海洋遥感卫星计划,试图使用一种重量更重、倾角更大的卫星,以同时兼顾国防和民用需要。但由于在技术上的风险和成本过高,飞弓项目最终于1986 年下马,其技术成果被转用于后续的白云系统。

第一代改进型白云系统包括7 组卫星,主要是在有限地改进卫星技术的基础上,对之前已经到寿命周期的卫星实施替换。所有星座母星重达450千克,子星各重45千克。星上稳定与数据转发系统比试验性的第一代更加完善。

在冷战结束前夕,美国又发射“白云-9”和“白云-10”两个星座,分别发射于 1988 年 9 月 5日和 1989 年9月6日。

冷战结束前后,美国继续对白云系统进行补充和发展,又至少发展了3组新型海洋监视卫星星座,其中前2组发射成功。

由于新一代白云卫星由大力神-4火箭发射,因此卫星本身质量和体积可进一步放大,其母星重量加大到7吨之 多,而其间距也比之前几代卫星加大,达到30 ~ 110公里的水平。

1990 年 6月,美国实施了新一代命运女神海洋监视卫星系统的第一次发射。其实这次发射是对即将到来的海湾战争作的临战准备,其中3颗子卫星经变轨后进入高1116公里、倾角63. 4°的轨道。1991 年 11月,白云系统又进行了第二次发射,代号为命运女神12卫星星座,实际部署了USA-72、USA-74、USA-76 和 USA-77 这四颗卫星。虽然美国在1993 年 8 月 2日还进行了第三次发射,但发射失败。该系统已于 1996 年5月 12日部署完毕。

新一代白云系统采用了新的设计基线,监视的范围更大,达到7000 平方公里范围,在一定条件下还可在108分钟后重返监视目标。由4组卫星组成的系统,可对地球上40°~ 60°纬度的任何海洋区域,每天监视30次以上。

进入新世纪,美国海军原计划采用海军天基广域监视系统和空军与陆军天基广域监视系统两套系统,以分别适应各自侦察和监视需要。其中的海军天基广域监视系统计划,用来接替白云系统。

海军天基广域监视系统是红外成像侦察卫星系统,而不同于白云系统的无线电信号侦察方式,该计划于上世纪80 年代末启动,但只发射了一组试验性质的卫星。后来,海军天基广域监视系统与空军陆军天基广域监视系统合并,成为联合天基广域监视系统计划,以兼顾四大军种的统一需求。联合天基广域监视系统卫星采用双星组网方式工作,可针对水面舰船、水下潜艇、飞行器和地面车辆进行侦察和监视,功能非常多样。

俄罗斯的宇宙系列也有诸多可圈可点之处。苏联的宇宙电子型海洋监视卫星系列卫星始发于1974年,主要用于探测、识别和跟踪舰船,迄今为止已发 40余颗。

1988年,苏联终止雷达型卫星发射后,主要通过电子型海洋监视卫星执行海上侦察任务。它的工作寿命早期为数月,目前为2年以上,有效载荷为电子侦察接收机。

1990 年 3月,苏联发射了宇宙 2060电子型海洋监视卫星。其后在海湾战争爆发的前后几个月里,又发射了3颗电子型海洋监视卫星,从而使其海洋监视卫星的数量达到6颗,达到历史最高记录。该星座由6颗卫星组成,随时间的推移能够工作的卫星逐年减少。据报道,现在只有 1 颗 1997 年 12 月15日发射的“宇宙-2347”卫星仍在工作。

海洋水色卫星是对海洋水色要素(如叶绿素、悬浮沙和可溶性的黄色物质等)和水温及其动态变化的探测,有效载荷通常选用灵敏度高、信噪比高、光谱分辨率高、波段多、带宽窄的海洋水色扫描仪。

美国海星卫星于1997年8 月 1 日发射,又称轨道观测-2卫星,主要用于海洋水色观测、海洋生物和生态学研究,为美国地球探测计划提供全球环境观测数据。

另外,土卫星是美国、日本和加 拿大联合研发的对地观测卫星,主要用来观测地球气候变化。该卫星搭载的有效载荷中,分辨率成像光谱仪可以获取海面温度和海洋水色信息。

Aquarius 卫星是美国宇航局发展的对地观测卫星,原名为“上午星”,不知道美国宇航局出于什么原因,后来将其改名为水卫星。水卫星的主要任务是对地球上的水循环进行全方位的观测,可以获取海洋温度和海洋水色信息。该卫星于 2002 年 5 月 4日发射,现仍在轨运行。

印度发展的专用海洋卫星包括Oceansat-1 和 Oceansat-2,用于海洋环境探测,包括测量海面风场、叶绿素浓度、浮游植物以及海洋中的悬浮和沉淀物。Oceansat-1 是印度遥感卫星系统中首颗用于海洋观测的卫星,于1999 年 5 月 26 日发射,2010 年8 月8日退 役。Oceansat-2 卫星于 2009年9月 23日发射,目前在轨运行

海洋观测卫星是日本的第一个地球观测卫星系列,又称桃花卫星,共发射了2 颗。第一颗是试验型海洋观测卫星,用于测量海洋水色、海面温度和大气水汽含量,第二颗则用于观测海洋洋流、海面温度、海洋水色等。

海洋卫星的未来发展趋势

目前,在国际上列入发射计划的海洋卫星中,出现了一批新型一体化的海洋遥感载荷。例如,SWOT高度计卫星,其主载荷在传统雷达高度计基础上增加了高频的Ka频段雷达干涉仪,测高精度将达到1.5 ~ 3厘米,空间分辨率达到 0.5 ~ 1公里,因而SWOT 既满足了海洋动力现象的高精度观测,还能够观测陆地水体的变化,有效弥补了 传统雷达高度计在观测中尺度或亚中尺度海洋动力现象中的不足。

未来,海洋卫星微波遥感载荷将向高频、多频、多极化等方向发展。

早期的海洋水色遥感器、雷达卫星数据都没有经过定标,雷达高度计卫星也没有精密定轨载荷,这些情况都严重影响了海洋卫星数据精度和数据的应用。

定量化应用是海洋卫星数据应用的特点。由海洋卫星数据生产的叶绿素、悬浮泥沙、海温、海面高度、海面风场、海浪场等遥感产品,都属于定量化反演应用的范畴。目前,在国际上海洋卫星都已经建有定标与真实性检验场,专门用于海洋遥感载荷的定标和数据产品的真实性检验,如用于雷达高度计绝对定标的定标场就有美国的Harvest 石油平台、法国南部的科西嘉岛和希腊的加夫多斯岛3个专用定标检验场。

未来,天基海洋侦察监视体系的趋势非常明确。面对大量的各型大中型水面舰艇和核潜艇,尤其是无人化、智能化海上作战单元的大量运用,以及越来越多的远洋活动,海上战场将更加依赖于天基海洋侦察监视体系。由此,安全、稳定、精确、高效的天基海洋侦察监视体系,将成为未来的建设重点。★

▲ Metop-a 卫星概念图

▲ Topex/poseidon 卫星和 Jason-1.2 卫星

▲美国海洋动力卫星发展历程简图

▲美国 Aquarius 卫星

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