海洋－2衛(wèi)星及其應(yīng)用

張歡 王睿 賈旭 田賀祥 賈宏（中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部）

海洋－2衛(wèi)星是我國(guó)首顆用于海洋動(dòng)力環(huán)境探測(cè)的衛(wèi)星，于2011年8月成功發(fā)射，2012年3月正式投入使用。該衛(wèi)星工程研制突破了高精度有效載荷、精密測(cè)定軌等關(guān)鍵技術(shù)，在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了高觀測(cè)精度、高測(cè)定軌精度、星地激光高速數(shù)據(jù)傳輸、關(guān)鍵部件自主研制、航天器數(shù)字集成設(shè)計(jì)等五大能力提升。經(jīng)過(guò)在軌驗(yàn)證，海洋－2衛(wèi)星和星載設(shè)備工作穩(wěn)定，各項(xiàng)功能和性能滿(mǎn)足研制總要求，整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其觀測(cè)數(shù)據(jù)有效填補(bǔ)了國(guó)際同類(lèi)微波遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不足，在全球?qū)Φ赜^測(cè)體系中發(fā)揮著重要作用。

1 衛(wèi)星任務(wù)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的發(fā)展，海洋在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和軍事發(fā)展中的戰(zhàn)略地位越來(lái)越重要。為了獲取海洋動(dòng)力環(huán)境信息，監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋環(huán)境，中國(guó)空間技術(shù)研究院與國(guó)家海洋局合作研制了我國(guó)首顆海洋動(dòng)力環(huán)境探測(cè)衛(wèi)星—海洋－2衛(wèi)星。

海洋－2衛(wèi)星主要應(yīng)用目標(biāo)是監(jiān)測(cè)和探測(cè)海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候?qū)Ｃ骘L(fēng)場(chǎng)、海面高度場(chǎng)、浪場(chǎng)、海洋重力場(chǎng)、大洋環(huán)流和海表溫度場(chǎng)等重要海洋參數(shù)的監(jiān)測(cè)，提高災(zāi)害性海況預(yù)報(bào)水平，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)提供服務(wù)，為海洋科學(xué)研究、全球氣候變化提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，海洋－2衛(wèi)星還承擔(dān)著我國(guó)自主研制的行波管放大器在軌壽命飛行驗(yàn)證和星地激光通信試驗(yàn)兩項(xiàng)任務(wù)。

該衛(wèi)星于2007年4月立項(xiàng)進(jìn)入工程研制階段，經(jīng)歷方案、初樣、正樣的研制過(guò)程，于2011年5月出廠(chǎng)。2011年8月16日6：57，海洋－2衛(wèi)星由長(zhǎng)征－4B運(yùn)載火箭從太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。隨后，衛(wèi)星完成變軌及軌跡捕獲，成功定點(diǎn)到預(yù)定的軌道。經(jīng)過(guò)在軌測(cè)試，衛(wèi)星工作正常，觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)處理滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。2012年3月2日，在國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局組織下，衛(wèi)星正式由中國(guó)空間技術(shù)研究院移交到衛(wèi)星用戶(hù)—國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，開(kāi)展業(yè)務(wù)運(yùn)行。

2 海洋－2衛(wèi)星概況

海洋－2衛(wèi)星是一顆三軸穩(wěn)定的太陽(yáng)同步軌道傳輸型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，工作在降交點(diǎn)地方時(shí)為6：00的軌道，設(shè)計(jì)壽命3年。根據(jù)任務(wù)需求，衛(wèi)星在壽命初期軌道高度為970km，14天為1個(gè)回歸周期，2天即可實(shí)現(xiàn)對(duì)全球90%海面的觀測(cè)；在壽命末期，衛(wèi)星升至972km軌道高度，回歸周期調(diào)整為168天，實(shí)現(xiàn)對(duì)大地水準(zhǔn)面的精密測(cè)量。它在軌運(yùn)行處于連續(xù)工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全球海洋動(dòng)力環(huán)境的全天時(shí)觀測(cè)。在地面應(yīng)用站接收范圍以外時(shí)，衛(wèi)星將觀測(cè)數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)等記錄在星上存儲(chǔ)器中；在地面應(yīng)用站接收范圍內(nèi)時(shí)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)一起下傳到地面。

這顆衛(wèi)星使用“資源衛(wèi)星平臺(tái)”，包括結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、熱控、供配電、數(shù)據(jù)管理、測(cè)控、姿態(tài)及軌道控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個(gè)分系統(tǒng)。為完成海洋動(dòng)力環(huán)境探測(cè)任務(wù)，海洋－2衛(wèi)星配置了雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)、微波輻射計(jì)和校正輻射計(jì)4部微波遙感器，同時(shí)搭載了用于星地激光通信試驗(yàn)任務(wù)的激光通信終端。

海洋－2衛(wèi)星通過(guò)自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)衛(wèi)星遙感能力水平的五大提升。一是觀測(cè)產(chǎn)品精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；二是衛(wèi)星定軌精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；三是成功開(kāi)展星地高速激光通信試驗(yàn)；四是實(shí)現(xiàn)了部分關(guān)鍵部件自主研制，提升了我國(guó)衛(wèi)星關(guān)鍵核心部件自主研發(fā)能力的發(fā)展；五是通過(guò)采用航天器數(shù)字集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)，縮短了生產(chǎn)研制周期。

雷達(dá)高度計(jì)

衛(wèi)星上的雷達(dá)高度計(jì)是一種主動(dòng)微波遙感器，主要用于測(cè)量地球表面相對(duì)高度。其通過(guò)向海面垂直發(fā)射脈沖信號(hào)，分析回波特征，得到海面高度（SSH）和有效波高（SWH）、風(fēng)速等信息，經(jīng)過(guò)處理可獲得全球大地水準(zhǔn)面、重力場(chǎng)、海表面地形、海流、海浪、潮汐、海表面風(fēng)等動(dòng)力參數(shù)信息，同時(shí)還可獲得海冰含量、湍流邊界等海洋信息。

海洋－2衛(wèi)星在軌運(yùn)行圖

海洋－2衛(wèi)星上的雷達(dá)高度計(jì)采用Ku、C雙頻工作體制，Ku頻段是高度計(jì)主要觀測(cè)通道；C頻段主要用于電離層校正。結(jié)合精密定軌結(jié)果和地面數(shù)據(jù)處理，此衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)的海面高度產(chǎn)品精度達(dá)到了5～8cm，后續(xù)通過(guò)進(jìn)一步處理還有提升的空間，有效波高精度可達(dá)到0.4m，風(fēng)速精度2m/s。

微波散射計(jì)

衛(wèi)星上的微波散射計(jì)也是主動(dòng)微波遙感器，采用筆形波束圓錐掃描的工作體制，具有觀測(cè)幅寬大、無(wú)星下點(diǎn)盲區(qū)的特點(diǎn)，快速對(duì)全球海面進(jìn)行觀測(cè)，可同時(shí)探測(cè)風(fēng)向和風(fēng)速的星載遙感器。每天可覆蓋全球90%的海域，對(duì)海面風(fēng)速測(cè)量精度達(dá)到1.5m/s，風(fēng)向精度19.5°。

微波輻射計(jì)

衛(wèi)星上的微波輻射計(jì)是被動(dòng)的微波遙感器，采用圓錐掃描工作方式，根據(jù)海洋應(yīng)用需求選取了6.6GHz、10.7GHz、18.7GHz、23.8GHz和37GHz共5個(gè)頻段，以及9個(gè)極化通道測(cè)量海洋表面輻射亮溫度，觀測(cè)幅寬達(dá)到1600km，對(duì)海面溫度的觀測(cè)精度達(dá)到了1.0K，海面風(fēng)速精度1.5m/s，水汽含量精度1.2mm。

校正輻射計(jì)

衛(wèi)星上的校正輻射計(jì)也是微波輻射計(jì)的一種，與雷達(dá)高度計(jì)同程觀測(cè)，其通過(guò)對(duì)上層大氣液態(tài)水和水汽含量的測(cè)量，專(zhuān)門(mén)用于向雷達(dá)高度計(jì)提供同程大氣校正數(shù)據(jù)。探測(cè)頻率選擇包含大氣水汽吸收譜線(xiàn)和大氣窗通道的3個(gè)微波頻段，分別是18.7GHz、23.8GHz和37GHz，反演得到的濕對(duì)流層路徑延遲誤差優(yōu)于20mm。

海洋－2衛(wèi)星主要設(shè)備布局圖

衛(wèi)星精密定軌

海面高度是海平面相對(duì)于地心的高度，雷達(dá)高度計(jì)測(cè)量得到了衛(wèi)星與海平面間的距離，要得到海面高度，還需要得到衛(wèi)星相對(duì)于地心的精確位置，這就是精密定軌。為實(shí)現(xiàn)精密定軌，海洋－2衛(wèi)星配置了雙頻GPS、多普勒地球無(wú)線(xiàn)電定位系統(tǒng)（DORIS）和激光角反射器（SLR）等精密定軌設(shè)備，采用雙頻GPS和DORIS + SLR兩種精密定軌手段。海洋－2衛(wèi)星是國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)精密定軌航天器，事后處理的定軌誤差達(dá)到了2～3cm，將傳統(tǒng)的米級(jí)定軌精度突破到了厘米級(jí)，不僅為海洋－2衛(wèi)星的測(cè)高精度提升做出了貢獻(xiàn)，也在偵查、測(cè)繪等航天遙感領(lǐng)域具有重要意義。

星地激光通信試驗(yàn)

海洋－2衛(wèi)星搭載的激光通信終端是利用激光作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，完成與地面激光站捕獲跟蹤試驗(yàn)和星地雙向數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)任務(wù)，開(kāi)展環(huán)境對(duì)空間光通信影響研究工作，為衛(wèi)星空間光通信積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在軌測(cè)試期間，星地激光通信鏈路實(shí)現(xiàn)了快速捕獲、全鏈路穩(wěn)定跟蹤，并成功完成低速（20Mbit/s）和高速（252Mbit/s、504Mbit/s）的星地通信試驗(yàn)。這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)星地激光通信，為這項(xiàng)技術(shù)在航天領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3 衛(wèi)星應(yīng)用成果及前景

在軌測(cè)試期間，國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心通過(guò)地面應(yīng)用處理，從衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)反演得到了全球海面高度、有效波高、海面風(fēng)場(chǎng)、海面風(fēng)速、大氣水汽含量、云中液水含量、海面溫度等多種產(chǎn)品。測(cè)試結(jié)果表明，海洋－2衛(wèi)星各種產(chǎn)品均達(dá)到了世界先進(jìn)水平，使我國(guó)具備了獨(dú)立獲取全球海洋動(dòng)力環(huán)境信息的能力，大大提高了我國(guó)在國(guó)際海洋研究領(lǐng)域的話(huà)語(yǔ)權(quán)。

海洋－2南北極海面高度產(chǎn)品（數(shù)據(jù)時(shí)間2011年10月29日，單位：m）

海洋－2全天全球風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品

現(xiàn)階段，國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心已實(shí)現(xiàn)海洋－2衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品的業(yè)務(wù)制作和分發(fā)，并在海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、極地航線(xiàn)保障、大洋漁業(yè)和一些軍事研究中得到應(yīng)用，未來(lái)還將在海洋調(diào)查與資源開(kāi)發(fā)、維護(hù)海洋權(quán)益、海洋科學(xué)研究及應(yīng)用研究等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

4 海洋衛(wèi)星的未來(lái)發(fā)展

我國(guó)海洋衛(wèi)星分為海洋水色衛(wèi)星、海洋動(dòng)力環(huán)境探測(cè)衛(wèi)星和海洋雷達(dá)衛(wèi)星3個(gè)系列，海洋－2衛(wèi)星是海洋動(dòng)力環(huán)境系列的首發(fā)星。海洋水色系列的海洋－1衛(wèi)星已于2002年、2007年發(fā)射了2顆，其配置了海洋水色掃描儀和海岸帶成像儀2種載荷，用于獲取海洋水色水溫及海岸帶動(dòng)態(tài)變化信息，在軌運(yùn)行期間獲得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。海洋雷達(dá)衛(wèi)星將配置合成孔徑雷達(dá)，獲取海洋浪場(chǎng)、海面風(fēng)速場(chǎng)、風(fēng)暴潮漫灘、內(nèi)波、海冰和溢油等信息，并實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候海上目標(biāo)監(jiān)視和海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在“十二五”期間，將繼承已有海洋衛(wèi)星的技術(shù)基礎(chǔ)，發(fā)射后續(xù)的業(yè)務(wù)衛(wèi)星，并加快海洋雷達(dá)衛(wèi)星的研制，實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星連續(xù)在軌運(yùn)行，構(gòu)成空間立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)海洋資源和環(huán)境形成持續(xù)、穩(wěn)定的業(yè)務(wù)化數(shù)據(jù)獲取能力。