國外海洋衛星發展綜述

海洋在天氣和氣候變化中扮演著重要角色。通過海洋衛星對海洋進行監測在維護海洋權益、軍事保障、資源調查、環境監測和災害預測等方面有重要作用。

民用海洋衛星從功能上一般可以分為兩類：海洋水色衛星和海洋動力環境衛星；也有一些衛星屬于綜合觀測型海洋衛星，即可以同時具備海洋水色和動力環境監測功能。軍用海洋衛星主要分為電子型海洋監視和雷達型海洋監視衛星。海洋水色衛星主要用于探測海洋水色要素，如葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、有色可溶有機物等，此外也可獲得淺海水下地形、海冰、海水污染以及海流等有價值的信息。海洋動力環境衛星主要用于獲得海面風場、海面高度場、浪場、海洋重力場、大洋環流和海表溫度場等海洋動力環境參數。

海洋衛星的靈魂是用于海洋觀測的有效載荷，主要包括海洋水色成像儀、微波輻射計、微波散射計、雷達高度計和合成孔徑雷達等。有的衛星只攜帶一種載荷，有的衛星攜帶多種載荷。

1 美國海洋衛星的發展

美國海洋水色衛星

美國海洋水色衛星的有效載荷通常是多光譜掃描儀或成像儀。繼1978年美國雨云－7（Nimbus－7）衛星的海岸帶水色掃描儀（CZCS）觀測數據的成功應用之后，海洋水色成為衛星重要的觀測內容。

1997年8月1日，美國發射了專用的海洋水色衛星—“海洋星”（Seastar），后重命名為軌道觀測－2（OrbView－2），星上唯一有效載荷為海洋觀測寬視場遙感器（SeaWiFS），其空間分辨率為1.13km，幅寬2800km，有8個工作波段。

美國于1999年12月和2002年5月發射的“土”（Terra）衛星和“水”（Aqua）衛星是“地球觀測系統”（EOS）的重要組成部分。這兩顆衛星均攜帶了中分辨率成像光譜儀（MODIS），該光譜儀有36個通道，其分辨率為250m、500m、1km。

對于水色成像儀，通常認為雨云－7衛星攜帶的海洋水色掃描儀為第一代，海洋觀測寬視場遙感器為第二代，中分辨率成像光譜儀為第三代，因為其分辨率最高，工作波段數量最多。

2019年，美國將發射“氣溶膠、云和生態學”先導星（PACE），該衛星將搭載更先進的海洋水色成像儀（OES）。隨后發射的“氣溶膠、云和生態學”（ACE）衛星也將攜帶水色成像儀。美國計劃2020后發射“沿海和空氣污染地球靜止衛星探測項目”（GEO-CAPE）衛星，將具有300m的空間分辨率，可用于海洋水色觀測。

美國海洋動力環境衛星

美國海洋動力環境衛星所攜帶的微波輻射計是被動式的微波遙感器，它本身不發射電磁波，而是通過被動地接收被觀測場景輻射的微波能量來探測目標的特性；微波散射計、雷達高度計和合成孔徑雷達則都屬于主動雷達系統。微波散射計利用不同風速下海面粗糙度對雷達后向散射系數的響應間接地反演海表風場信息；雷達高度計利用來自衛星正下方的脈沖回波特征分別測量海面高度、有效波高及海面風速；合成孔徑雷達利用衛星運動綜合成大尺度的天線陣的原理，將沿軌跡單天線發射與接收的信號通過數據處理，提高被探測目標的空間分辨率，以獲得海面的二維圖像。

雨云－7衛星

“土”衛星

“水”衛星

（1）以微波輻射計為主要載荷的海洋動力環境衛星

通常，用于海洋觀測的微波輻射計工作于6.6～37GHz、89GHz等探測頻段，采用一定入射角的圓錐掃描方式進行對地掃描觀測。美國2002年發射的“水”衛星攜帶先進微波掃描輻射計-E（AMSR-E），該儀器由日本提供。先進微波掃描輻射計-E在6.9～89GHz范圍內有5個工作頻點（6.925GHz、10.65GHz、18.7GHz、23.8GHz、36.5GHz和89GHz），都具有雙極化方式，空間分辨率5.4～56km，幅寬1445km。

使用水平和垂直極化的微波輻射計無法進行海面風向測量，而全極化微波輻射計可以測量海面風場（風速、風向）的豐富信息，若頻率向下延伸到L頻段，還可進行海水鹽度和土壤濕度的測量。2003年1月，美國軍方成功發射了“克羅里斯”（Coriolis）衛星，攜帶風微波輻射計（WindSat），其代表著微波輻射計向全極化方向發展。風微波輻射計工作在6.8GHz、10.7GHz、18.7GHz、23.8GHz和3 7.0 G H z等5個頻點，共有2 2個通道，其中10.7GHz、18.7GHz和37.0GHz通道是全極化的，6.8GHz和23.8GHz通道為雙極化（垂直極化和水平極化）。風微波輻射計采用1.8m直徑偏置拋物反射面天線。

2 0 1 1年，美國發射了與阿根廷合作開發的科學應用衛星－D（S A C－D），其“寶瓶座”（Aquarius）載荷由美國航空航天局下屬噴氣推進實驗室（JPL）研制，它由工作在1.413GHz的L頻段推掃式偏振微波輻射計和工作在1.26GHz的散射計組成，用于探測海表鹽度。它的探測原理是應用微波輻射計觀測海水的亮溫，再通過亮溫與鹽度的關系，應用算法進行鹽度反演，就可以從微波輻射計得到的亮溫數據中反演出海水的鹽度。國際上統一的認識是選擇頻率為1.4GHz的L頻段作為鹽度遙感的首選頻段，因在這一頻段，亮溫對于海水鹽度的變化比較敏感。散射計的作用是對輻射計進行校正。

（2）以微波散射計為主要載荷的海洋動力環境衛星

微波散射計通常工作于Ku或C頻段，采用一定入射角的圓錐掃描方式進行觀測。1978年，美國發射了世界上第一顆專用“海洋衛星”（Seasat），它的有效載荷海洋衛星微波散射計（SASS）首次證明了微波散射計可以對海洋表面的風矢量進行測量。該衛星僅在軌工作了99天。

在海洋衛星微波散射計基礎上，美國航空航天局于20世紀90年代初研制了名為美國航空航天局散射計（NSCAT）的微波散射計，并安裝在日本先進地球觀測衛星－1（ADEOS－1）上；該衛星于1996年8月發射，工作10個月后失效。為了保證數據連續性，美國航空航天局于1999年6月發射了“快速散射計”（QuikScat）衛星，攜帶海風散射計（SeaWinds）。

美國和歐洲微波散射計參數

（3）以雷達高度計為主要載荷的海洋動力環境衛星

在海洋動力環境衛星中，以雷達高度計為主要載荷的衛星也稱為海洋地形衛星。美國在70年代和80年代初發射的“天空實驗室”（Skylab）、地球軌道測地衛星-3（Geos－3）和“海洋衛星”上進行了高度計試驗。

美國海軍于1 9 8 5年發射了“測地衛星”（Geosat），它是美國首顆業務化海洋地形衛星，高度計由最初的米級提高到厘米級測量精度。1998年又發射了“測地衛星后繼”（GFO）衛星，測高精度從7cm提高到3.5cm，2008年該衛星停止運行。

1992年8月，美國發射了美、法聯合研制的“托佩克斯/海神”（Topex/Poseidon）衛星，星上裝載兩臺高精度高度計，它的成功發射與運行，是衛星測高技術的一次飛躍。該衛星攜帶的約翰-霍普金斯大學應用物理實驗室研制的測高精度2.4cm的雙頻雷達高度計和法國國家空間研究中心（CNES）提供的海神－1（Poseidon－1）高度計，另外還搭載了美國航空航天局研制的托佩克斯微波輻射計（TMR）。2005年，“托佩克斯/海神”衛星停止運行，運行時間13年。利用該衛星的海面高度數據，研究人員推測出全球平均海平面以每年3.2mm的速度上升。

2001年12月和2008年6月，美國又分別發射賈森－1（Jason-1）和賈森－2海洋衛星，它們與“托佩克斯/海神”衛星位于同一軌道，賈森－1搭載海神－2高度計和賈森微波輻射計（JMR），賈森－2搭載了海神－3高度計和先進微波輻射計（AMR）。海神－1為單頻固態雷達高度計；而海神－2和3為雙頻固態雷達高度計，測高精度相同，其使用雙頻的目的主要是削弱電離層延遲的影響。此外，美國還規劃了賈森－3海洋衛星。

對于海洋地形衛星，定軌精度尤其是徑向精度是制約衛星測高精度的關鍵因素之一。海洋測高衛星一般采用衛星激光測距（SLR）、星基多普勒軌道確定和無線電定位組合系統（DORIS）和“衛星定位系統”（GPS）多項測定軌技術。

美國計劃在2016年后發射新一代海洋衛星，即“地表水與海洋地形”（SWOT）衛星，采用干涉合成孔徑雷達和常規高度計相結合的方式，獲得高時空分辨率，將具備120km幅寬，2cm測高精度。

美國軍用海洋衛星

美國軍用海洋衛星有“海洋監視衛星系統”（NOSS），它是電子偵察型海洋監視衛星，主要任務是為美國海軍執行海洋廣域監視，可以監視對方艦隊（或陸上雷達）的位置、航行方向或速度?！昂Ｑ蟊O視衛星系統”共發展了三代：第一代有基本型和改進型兩種，其中第一組衛星屬于試驗型衛星，于1971年12月14日發射；第二代從1990年6月－1996年5月共發射了4組衛星；第三代從2001年9月－2011年4月共發射了5組。

2 歐洲海洋衛星的發展

歐洲致力于發展綜合觀測型海洋衛星。1991年7月歐洲航天局（ESA）發射歐洲遙感衛星－1（ERS－1），1995年發射歐洲遙感衛星－2，2001年發射了“歐洲遙感衛星”系列的后續衛星，即環境衛星－1（EnviSat－1）。這幾顆衛星均為海洋、陸地環境綜合觀測類衛星，現均已壽終正寢。

歐洲遙感衛星－1有效載荷主要包括有源微波儀器（AMI）、雷達高度計－1（RA－1）、沿軌掃描輻射計與微波探測器－1（ATSR－1）等。歐洲遙感衛星－2比前者增加了全球臭氧監測試驗（GOME）儀器，用于測量大氣化學成分；并對沿軌掃描輻射計與微波探測器－1進行了改進。有源微波儀器有兩種模式：合成孔徑雷達成像和微波散射計測風，后者的風速測量精度為2m/s。沿軌掃描輻射計與微波探測器包含微波輻射計（ATSR-M）和紅外輻射計（IRR）兩種儀器。

環境衛星－1主要攜帶先進合成孔徑雷達（ASAR）、雷達高度計－2（RA－2）、微波輻射計（MWR）、先進沿軌掃描輻射計（AATSR）、中分辨率成像光譜儀（MERIS）等。在海洋觀測方面，先進合成孔徑雷達用于波浪、海面風場、海流的觀測；雷達高度計－2的測高精度接近同期美國“托佩克斯/海神”衛星水平；中分辨率成像光譜儀是一臺海洋水色成像儀，分辨率300m；先進沿軌掃描輻射計既用于海洋觀測也用于陸地觀測。該衛星于2012年5月停止運行。

此外，歐洲的“氣象業務”（Metop）衛星攜帶有先進風散射計（ASCAT），可用于海風監測。

2009年11月，歐洲航天局成功發射了“土壤濕度和海洋鹽度”（SMOS）衛星，它是陸地環境和海洋動力學綜合觀測類衛星。其有效載荷為綜合孔徑微波成像輻射計（MIRAS），它是典型的二維綜合孔徑微波輻射計，利用了干涉式綜合孔徑成像技術，工作在L頻段（1.4GHz），采用Y型天線陣列稀疏方案，每根臂長達4.5m，整個系統含69副天線和接收機單元，以及5000個數字相關器，是目前復雜程度最高的綜合孔徑輻射計系統，其空間分辨率35km，幅寬約1000km。

“地表水與海洋地形”衛星在軌示意圖

歐洲十分重視極地海冰的科學研究，2010年4月歐洲航天局成功發射冷衛星－2（CryoSat－2），該衛星采用雷達高度計測量海洋冰蓋厚度變化，尤其是對極地冰層和海洋浮冰進行精確監測，研究全球變暖影響。冷衛星－2主要有效載荷包括合成孔徑干涉雷達高度計（SIRAL），對于極地冰層的平均測高精度為每年0.17cm，對于浮冰的平均測高精度為每年3.3cm。

為了保持“環境衛星”失效后海洋高度數據的連續性，法國航天局（CNES）于2013年2月25日成功發射了法國、印度合作研制的“薩拉爾”（SARAL）新一代海洋衛星，該衛星的平臺由印度研制，星載雷達高度計（AltiKa）由法國研制，是世界上首臺Ka頻段雷達高度計，其工作帶寬為500MHz，帶寬比賈森－1、2等衛星的Ku/C頻段高度計提高30%，因此可以提升測高精度。

未來，歐洲將發射哨兵－3（Sentinel－3）衛星，該衛星是歐洲“哥白尼”計劃的重要組成部分，它運行在太陽同步軌道，主要負責海洋、陸地和冰層的近實時監測，預計運行時間達到15～20年。

哨兵－3衛星包括哨兵－3A和3B兩顆完全相同的衛星，這兩顆衛星將提供2天的重訪時間，3h內就可以提供海洋和陸地信息產品。星載海洋和陸地彩色成像光譜儀（OLCI）繼承“環境衛星”上的中分辨率成像光譜儀，提供海洋水色數據；海洋和陸地表面溫度輻射計（SLSTR）繼承了“環境衛星”的先進沿軌掃描輻射計，提供海表溫度；Ku/C雙頻合成孔徑雷達高度計（SRAL）繼承了“環境衛星”的雷達高度計，提供海表、冰層地貌等。該衛星軌道精度3cm，雙頻合成孔徑雷達高度計測高精度3cm。

3 蘇聯/俄羅斯海洋衛星的發展

民用海洋衛星的發展

蘇聯/俄羅斯曾經研制專用的“海洋”（Okean）系列衛星，1999年7月發射了該系列衛星的最后一顆，即海洋－O。

當前，俄羅斯計劃發展氣象、海洋綜合觀測衛星星座，其最新一代“流星”（Meteor）極軌氣象衛星系列的第三顆為專用的海洋衛星，即流星－M3。未來還規劃了其改進型流星－MP。

流星－M 3具備采用主動相控陣天線的多模式雷達（A P A A），分辨率1～5 0 0 m，幅寬10～750km；還帶有Ku頻段微波散射計，分辨率25km，幅寬1800km；4通道可見光波段沿岸掃描儀，分辨率80m，幅寬800km；8通道可見光波段水色掃描儀，分辨率1km，幅寬3000km。流星－M3預計于2015年發射。而其改進型的第一顆，即流星－MP1衛星預計在2016年發射。

軍用海洋衛星的發展

“雷達型海洋監視衛星”（RORSAT）和“電子型海洋監視衛星”（EORSAT）構成蘇聯/俄羅斯海洋監視衛星系統，兩種衛星組網工作?！袄走_型海洋監視衛星”主要通過電子偵察手段探測海上目標的位置、航向和航速，并根據電子信號特性分析輻射源的類型，進而判斷艦船的型號。

蘇聯1965－1969年發射了5顆試驗型“雷達型海洋監視衛星”，其中第5顆衛星發射失敗；從1967年12月27日開始發射實用型“雷達型海洋監視衛星”，1967－1989年共進行了32次發射，其中1次發射失敗。

最開始“雷達型海洋監視衛星”采用化學電池，從70年代初開始使用星載核反應堆，雖然有一系列防護措施，該衛星仍發生過多次核污染事故。

冷衛星－2

歐洲哨兵－3衛星示意圖

法印聯合研制的“薩拉爾”衛星

“雷達型海洋監視衛星”采用平均軌道高度約2 5 0 k m、傾角6 5°的低地球軌道。衛星質量3800kg，核反應堆和用于攜帶核反應堆進入廢棄軌道的推進器總質量1250kg。核反應堆燃料為高濃縮鈾-235，質量約30kg?！袄走_型海洋監視衛星”裝有1部星載雷達，地面分辨率35m，順軌方向覆蓋區域約為450km。

目前，蘇聯/俄羅斯共發展了兩代“電子型海洋監視衛星”，第一代衛星代號為US-P，第二代衛星代號為US-PM。US-P衛星從1974年12月24日首次發射至1991年1月18日末次發射，共發射了37顆。US-PM從1993年3月30日首次發射至2006年6月25日末次發射，共發射了13顆。目前，俄羅斯沒有海洋監視衛星在軌運行，但正在全力研制新一代的介子-NKS（Pion-NKS）衛星，以接替US-PM衛星。

4 日本海洋衛星的發展

日本是島國，維護海洋權益是其國家根本利益之一，因此十分重視海洋衛星的發展。早在1987年，日本發射了海洋觀測衛星－1a（MOS－1a，又稱“櫻花”衛星）。1990年日本發射了海洋觀測衛星－1b，該衛星由日本宇宙開發事業團（NASDA）負責運營，日本三菱電機公司研制。這兩顆衛星分別于1995年11月和1996年4月停止運行。

日本于1996年8月17日發射了先進地球觀測衛星－1（ADEOS－1）,其中水色掃描儀（OCTS）比海洋觀測寬視場遙感器更先進。2 0 0 2年1 2月1 4日發射的先進地球觀測衛星－2裝載全球成像儀（G L I），其性能與中分辨率成像光譜儀相類似，另一個主載荷為先進微波掃描輻射計－E（AMSR－E）

2012年5月，日本成功發射了全球變化觀測任務-W1（GCOM-W1，又稱“水珠”衛星）。該衛星主有效載荷為先進微波掃描輻射計－2，它是美國航空航天局“水”衛星搭載的先進微波掃描輻射計－E的下一代，觀察降雨量、水蒸氣、海風及海表溫度等。先進微波掃描輻射計－2空間分辨率15km，幅寬1450km。

此外，日本計劃發射的全球變化觀測任務-C系列衛星還將搭載第二代全球成像儀（SGLI），用于陸地及海洋水色觀測。

5 印度海洋衛星的發展

“海洋衛星”（OceanSat）是印度發展的專用海洋衛星，包括海洋衛星－1和2兩顆，用于海洋環境探測，包括測量海面風和海表層，觀測葉綠素濃度，監控浮游植物增加，研究大氣氣溶膠和海水中的懸浮、沉淀物，海洋衛星－2還可用于研究季風和中長期天氣變化。

海洋衛星－1是“印度遙感衛星”（IRS）中首顆用于海洋觀測的衛星，之前稱為印度遙感衛星－P4，于1999年5月發射，2010年8退役，在軌壽命11年。海洋衛星－2于2009年9月發射。前者有效載荷為海洋水色監測儀（OCM）、多頻率掃描微波輻射計（MSMR）；后者有效載荷為海洋水色監測儀－2和掃描散射計（SCAT）。

6 韓國海洋衛星的發展

2010年6月，韓國成功發射了第一顆地球靜止軌道衛星，即通信、海洋與氣象衛星－1（COMS－1），用于朝鮮半島及周邊區域的氣象和海洋觀測。通過該衛星，韓國可以最快約8min的間隔傳輸氣象和海洋觀測信息，從而提升氣象預報的準確度和海洋資源的利用效率。該衛星搭載了法國、韓國合作研制的地球靜止海洋水色成像儀（GOCI），其空間分辨率為500m，幅寬2500km，譜段為400～900nm。該成像儀可監測朝鮮半島周邊海洋環境和海洋生態，還提供海岸帶資源管理和漁業信息等。地球靜止海洋水色成像儀是世界首個靜止軌道海洋水色遙感器。

未來，韓國還將發射通信、海洋與氣象衛星－2，搭載空間分辨率為250m的地球靜止海洋水色成像儀改進型，其主要改進是可進行全球海洋水色觀測。

7 海洋衛星的特點

1）海洋水色衛星遙感器的信噪比和靈敏度比陸地衛星高數倍。海洋衛星上的中分辨率成像光譜儀觀測海洋水色的通道信噪比為880，而最新的陸地衛星－8（Landsat－8）的業務型陸地成像儀（OLI）信噪比為130。

2）海洋衛星需要細分波段，波段多而狹窄。海洋衛星上的中分辨率成像光譜儀波段寬度為1 0～1 5nm，而業務型陸地成像儀的波段寬度為20～200nm。這對海洋衛星的光譜儀提出個更高的設計要求。

US-P衛星外形圖

3）海洋衛星有效載荷類型多，各有效載荷需電磁隔離。綜合觀測型海洋衛星一般攜帶光學成像類儀器、微波主動散射計、被動輻射計、雷達高度計或合成孔徑雷達，如此多的光電設備集成在一個平臺內，對整星的電磁兼容性要求高。

4）海洋測高衛星軌道定位精度要求高。

5）現階段的海洋衛星時間分辨率無法滿足需求。觀測海洋要求全天候全天時探測，海面風場、浪場、潮汐、風暴潮、溢油、漂浮海冰等，這些現象變化時間短，覆蓋區域大。目前低軌道海洋衛星還難以滿足這些觀測要求。未來靜止軌道海洋衛星將解決這一問題，但靜止軌道海洋微波遙感器研制難度較大。

6）合成孔徑雷達在海洋觀測中的應用逐漸成熟。目前，國外已經發射多顆具有合成孔徑雷達的衛星，這類衛星可用于高分辨率的軍事偵察、測繪，還可用于海洋觀測。合成孔徑雷達在海洋上的應用涉及高分辨率海洋表面風場的反演、洋流監測、海洋內波的測量、海洋表面波的測量、淺海水深測量、海冰監測和船只監測。

8 結束語

美國海洋衛星的發展呈多樣化趨勢，既發展如“海洋星”、“賈森”這樣的海洋專用衛星，也發展如“水”衛星這樣的海洋環境綜合觀測型衛星，還通過國際合作，在別國衛星上搭載美國海洋觀測類有效載荷。在海洋觀測領域，美國的觀測手段最全面，已形成綜合的海洋觀測衛星體系。

歐洲主要發展海洋環境綜合觀測型衛星，并在海洋遙感技術上有創新性，在世界范圍內首次發射了星載綜合孔徑微波輻射計、Ka頻段雷達高度計，代表歐洲的微波遙感技術在海洋觀測領域的應用較為領先。俄羅斯目前的海洋衛星數量少，未來致力于發展氣象海洋綜合觀測類衛星星座。日本微波掃描輻射計的研制水平較高，日本和美國的數顆海洋衛星先后搭載了日本制造的先進微波掃描輻射計系列。

我國周邊國家，如印度的海洋衛星發展較早，而韓國、法國合作的“通信、海洋與氣象衛星”系列攜帶了世界首個靜止軌道海洋水色遙感器，在海洋觀測領域起到重要作用。