我国海洋水色卫星发展回顾、现状及展望

我国海洋水色卫星发展回顾、现状及展望

●文|航天东方红卫星有限公司张可立白照广王丽丽一、引言海洋占全球面积70%以上，蕴含着丰富的资源，对人类生存与发展具有巨大的影响，伴随着人类科学水平的不断进步，针对全球海洋环境、海洋资源的观测与探索也在不断开展当中。从上世纪70年代开始，借助于卫星大幅宽、高时效特点的空间海洋遥感观测成为人类探索海洋信息的重要手段，美国、欧洲、俄罗斯等世界主要航天国家或地区，在海洋卫星领域不断发展，目前已具备相当高的水平。全球海洋观测根据不同观测要素可分为水色观测、动力学观测和海洋监测三大领域。其中海洋水色观测领域主要通过获取全球海洋的水体光谱、温度等特性，反演获取海洋水体叶绿素、悬浮颗粒物、有机物浓度等信息，应用于海洋资源调查、污染监控、海温预报、赤潮、绿潮调查、水质监测、海冰监测、海岸带植被监测等诸多领域。我国于2002年、2007年陆续发射了海洋一号卫星A星（HY-1A）和海洋一号卫星B星（HY-1B）2颗海洋水色遥感卫星，取得了丰富的科研成果和重要的社会经济效益。近年来，我国对于海洋权益保护、海洋资源开发、海洋经济建设和海洋环境保护等领域的作用日益重视，十七大报告中明确提出“建设海洋强国”战略，十八大报告中更是提出了“加快海洋强国建设”的奋斗目标。为与国家海洋强国战略目标、“一带一路”建设目标相匹配，在“十三五”期间我国海洋遥感卫星领域快速发展。不久的将来，我国后续新型海洋遥感卫星将陆续入轨服役，将进一步增强我国海洋水色遥感业务化、连续化能力，提升我国海洋遥感水平发展。二、海洋水色遥感的特点自然界中，水体表面反射率水平较低，以最大反射率波段绿光波段为例，一类水体反射率大都小于5%。水体反射太阳辐射后携带水体次表层信息，受到大气的吸收、散射和路径辐射等影响，进入卫星载荷视场并成为最终遥感器获取的辐射信息，此时的水体信息夹杂大气路径辐射，水体信息较弱，因此海洋水色遥感必须确保良好的成像质量，才能够满足定量化应用的需求。海洋水色遥感具有如下的技术特点：1）高信噪比。由于水体较低的反射率特性，水色载荷必须具备高辐射灵敏度特性，高信噪比特性，才能更为准确地监测出水体辐射能量的变化特性。2）窄谱段、精准的光谱响应标定。水体光谱曲线特性决定了其特征峰对应波段宽度较窄，为识别出这些特征，要求水色载荷的波段设置谱段较窄。因此，在进行水色载荷设置时必须严格把控光谱分辨率指标以及波段稳定特性。3）准确的辐射定标精度。进入海洋水色遥感载荷入瞳处的辐射能量中水体信息只占到10%左右，很大一部分来自大气路径辐射以及水体辐射经大气作用后的能量。因此，为避免水体信息淹没于辐射定标信息误差中，对辐射定标精度有着严格的要求。4）低偏振灵敏度。太阳辐射经过水体表面镜面反射、大气辐射传输路径中的多次散射，到达水色载荷入瞳处的辐射具备明显的偏振特性。因此，要求水色载荷偏振灵敏度尽可能低，以避免仪器本身产生的辐射能量误差。5）低杂散光影响。水色载荷在进行水体观测时，在其光路设计中可能会有杂散光进入视场内，这些杂散光会使得载荷观测辐亮度与实际目标真实辐亮度之间存在差异。因此，相比陆地观测载荷来说，水色载荷必须做到更低的杂散光值，在设计时需要进行严格的杂光抑制设计。6）高动态范围，具备饱和恢复能力。为观测低反射率变化的水体特性，水色载荷通常具备高灵敏度特性，然而受云、陆地亮目标的影响，高灵敏度的水色载荷在这些地区容易饱和，因此载荷应具较高的动态范围和快速饱和恢复能力，减少云层对相邻水体观测要素的影响。7）快速重访的能力。海洋水体是四维动态变化的被观测对象，为及时获取海洋水色、水温等观测要素信息，要求水色遥感载荷应通过大幅宽设计满足快速覆盖能力，或通过灵活的机动模式实现对某些特定区域的快速重访能力，同时还应通过组网等方式，实现不同光照条件下的海洋水色数据的获取能力。三、国内海洋水色遥感卫星发展回顾我国海洋水色遥感卫星的发展起步于上世纪90年代。1997年6月，我国第一颗海洋卫星——海洋一号正式立项。该卫星作为试验型业务卫星，采用了当时较为先进的CAST968小卫星平台，有效载荷包括1台10谱段海洋水色扫描仪和1台4谱段海岸带成像仪，其中水色扫描仪采用45°扫描镜+K镜消旋+4元探测器并扫+机械制冷技术，海岸带成像仪采用4谱段分镜头方案，卫星运行在798km的太阳准同步轨道上，可实现全球海洋水色数据3天获取的能力，其总体技术指标与当时国际同类水色遥感卫星相当。2002年5月15日，HY-1A卫星顺利发射升空，至此结束了中国没有海洋卫星的历史。卫星在轨运行685天，成像约1900轨。期间获取的海洋环境数据在海洋资源开发与管理、海洋环境保护与灾害预警、海洋科学研究及国际与地区间海洋合作等多个领域取得了可喜的成果。2005年7月，作为HY-1A的业务星，HY-1B卫星正式立项。2007年4月11日，HY-1B卫星成功发射。HY-1B卫星相对A星将水色仪观测幅宽增加到3000km，使得卫星重复观测周期由3天提升到1天，海岸带成像仪光谱分辨率也由80nm提升至20nm，水色光谱信息更加精细，使得卫星遥感图像中水色层次更加丰富，成像质量明显好于A星。HY-1B卫星在轨稳定运行了8年10个月，超期服役5年10个月。在轨期间卫星共成像19233轨，水色扫描仪红外波段通道累计工作约6800h，可见光波段通道累计成像约3400h，海岸带成像仪累计成像约2370h。地面应用系统共获取卫星采集的原始数据8.84TB，生产各级各类数据产品达65.5TB。向海洋管理部门、科研院所、大专院校、业务部门以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）等国外研究机构共50家单位进行分发，累计分发数据量达86.57TB。HY-1B卫星业务运行期间所获取的海洋遥感数据在海洋资源开发与管理、海洋环境监测与保护、海洋灾害监测与预报、海洋科学研究和国际与地区合作等领域发挥了重要作用，为我国经济发展做出了应有的贡献，发挥了积极作用。HY-1B卫星发射后，我国近10年来没有再发射海洋水色遥感领域专用卫星。随着HY-1B卫星2016年的退役，我国国产海洋水色遥感业务已经断档，且国产化海洋水色遥感数据与目前国际先进海洋遥感产品的水平存在一定差距，新型国产海洋水色卫星的研制势在必行。为此在“十三五”期间，我国规划发展了两型专用海洋水色遥感卫星，一型是为了尽快解决国产海洋遥感业务无星可用处境而研制的后续业务星，另一型是为实现我国国产水色卫星技术性能和应用能力达到国际先进水平而研制的新一代海洋水色观测卫星。四、我国海洋遥感卫星发展现状HY-1B卫星的后续业务星（见图1），其研制目的有两个，一是要接替已退役的HY-1B卫星，尽快满足国产化海洋水色遥感业务连续性观测需求；二是针对业务化和定量化应用进行能力提升。业务卫星采用了CAST2000小卫星平台，两颗星上下午组网运行，单颗卫星配置了水色水温扫描仪、海岸带成像仪、紫外成像仪和定标光谱仪等4台光学载荷和1台AIS接收机载荷。相对HY-1B卫星，业务卫星的研制具有如下特点：1）优化了轨道设计，海岸带成像仪重访周期从7天提高到3天，采用水色水温扫描仪全球全天时开机和双星组网等方式，提升全球覆盖能力和数据获取能力；2）水色水温扫描仪基本指标不变，但海岸带成像仪在幅宽增加的同时，分辨率从250m提升至50m；3）增加星上定标与紫外成像能力，具备从紫外、可见光到红外谱段的多光谱成像能力，采用同平台在轨交叉定标的方式提升载荷定标精度；4）配置AIS系统，可提供多方位的海洋监测与管理手段；5）具备±20°俯仰成像能力，有效减小太阳耀斑的影响；6）寿命提升到5年，多种安全模式的设计，保证卫星在轨长期、稳定工作。HY-1B卫星的后续业务卫星于2016年6月正式立项，目前正在紧张的研制过程当中，计划2018年发射。卫星的发射在尽快填补我国国产化海洋水色业务断档的同时，卫星成像质量、成像能力相比HY-1B卫星也将有进一步的提升。五、我国海洋水色遥感卫星后续发展为使我国海洋水色综合探测能力和水色产品应用等方面实现跨越式提升并跻身国际领先水平，2016年我国正式启动了新一代海洋水色观测卫星（见图2）的论证和预研工作。卫星总体和用户瞄准国际海洋观测领域前沿，以IOCCG推荐观测指标为蓝本，确定了整星工程目标和载荷配置、主要技术指标。卫星配置了新一代望远系统整体旋转式水色水温扫描仪、具备在轨谱段可编程能力的中分可编程成像光谱仪以及分辨率更高的新型海岸带成像仪，是一颗指标全新定义、设计升级换代、功能全面提升的海洋水色专用遥感卫星，其先进性主要表现在以下几个方面：1）水色遥感产品种类更加全面、丰富。卫星可输出40余个不同水色遥感波段，全面覆盖了从紫外到中/长波红外所有水色遥感相关波段，并增加了荧光峰、分裂窗及多种大气校正波段；具备在轨谱段编程能力，可获取全球海洋水体连续光谱信息，同时还可获得大气、植被、污染物等数据产品，探测领域可覆盖全球各类水体目标，服务用户从单一海洋用户拓展到海洋、国土、环保、大气、交通等多用户，产品应用广度和深度跨越式提升。2）水色遥感产品的质量和数据获取能力成倍提升。新一代海洋水色观测卫星载荷采用了望远系统整体旋转技术、在轨波段可编程技术、低杂光低偏振光学系统、高灵敏度国产化探测器等多项全新的载荷设计技术，卫星的信噪比、偏振灵敏度、杂光抑制、动态范围等海洋探测的关键指标大幅提升，同时首次具备了在轨全光路太阳定标功能，使产品质量达到了国际先进水平。同时探测能力大幅提升，载荷数据下传量是HY-1B卫星的100倍，海洋一号业务星的3倍，使我国水色遥感信息获取能力跨越式提升。3）综合技术指标同步国际水平。卫星在谱段配置、载荷信噪比、光谱范围与光谱分辨率、在轨定标精度等方面与美国国家极轨业务环境卫星系统（NPOESS）、哨兵-3A（SENTINEL-3A）等卫星指标相当，卫星综合应用能力优于国际同类卫星。六、结束语我国海洋水色遥感卫星从无到有，至今已走过近20年历程，实现了我国卫星海洋遥感的跨越式发展，走出了具有中国特色的道路。展望未来，随着后续包括海洋水色在内的多个系列海洋卫星的研制和投入应用，我国海洋卫星技术和海洋卫星应用技术将得到飞速发展，并有望达到国际先进水平，将对实现建设海洋强国目标发挥重大作用。[1]马兴瑞，张永维，白照广.中国海洋一号卫星技术方案[J].航天器工程，2003，12(3).[2]刘建强，王其茂，林明森，等.中国海洋一号卫星数据应用成果与潜力[J].航天器工程，2003，12(3).[3]张永维，白照广，王丽