國外海洋衛星應用發展現狀及趨勢

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海洋衛星（Ocean satellite）是在氣象衛星和陸地資源衛星的基礎上發展起來的地球觀測衛星，按照功能可分為海洋動力環境衛星、海洋水色衛星和海洋監視監測衛星。

美國是世界上首個發展海洋衛星遙感技術的國家，目前，全球共有海洋衛星或具備海洋探測能力的對地觀測衛星近百顆。美國、歐洲、日本和印度等國家和地區均已建立了比較成熟和完善的海洋衛星系統。

海洋動力環境衛星

海洋動力環境衛星是對海面風場、海面高度、浪場、流場以及溫度場等動力環境探測的衛星，有效載荷通常是微波散射計、微波輻射計、雷達高度計等，并具有多種模式和多種分辨率。其所獲取的海面動力和海底拓撲資料，具有明顯的軍事價值。美國一般把這類衛星的資料置于五角大樓的控制之下，尤其是實時高精度資料控制嚴格，絕不向別國提供。

▲ TOPEX/Poseidon衛星和Jason-1.2衛星

美國于1978年發射了世界上第一顆海洋動力環境衛星SEASAT，主要任務是驗證利用海洋微波遙感載荷從空間探測海洋及有關海洋動力現象的有效性。該衛星由于電源系統發生故障，于當年11月21日正式宣告失敗。

1985年3月13日美國發射的海軍Geosat衛星的目標是為海軍提供高密度全球海洋重力場模型，以及進行海浪、渦旋、風速、海冰和物理海洋研究，獲得高精度的全球海洋大地水準面精確制圖，該衛星于1990年退役。

另外，TOPEX/Poseidon衛星是美國和法國合作研發的海面地形測量衛星，用于全球高精度海面高度的測量，進而觀測和了解潮汐以及大洋環流。1992年8月10日TOPEX/Poseidon衛星發射，2005年10月9日衛星停止運行，運行了13年的時間。

1988年7月5日，蘇聯第一顆實用型海洋衛星——Okean-01衛星發射成功。Okean系列海洋衛星共發展了4代，用途是對海表溫度、風速、海洋水色、冰覆蓋等進行觀測。目前，計劃2021年發射的俄羅斯Meteor-MN3衛星用于海洋觀測，主載荷有海洋水色掃描儀、X頻段SAR和微波散射計等，能夠提供海面風場、海冰類型等多類型海洋環境信息，設計壽命7年。

而MetOp衛星則是歐洲發展的首個極軌氣象衛星，包括MetOp-A、MetOp-B和 MetOp-C。2006年10月19日首次發射，MetOp系列衛星將至少運行到2020年。MetOp-A衛星上的先進甚高分辨率輻射計可用于獲取海面溫度和海冰信息，先進散射計可用于獲取全球的海面風場和海冰信息。

重力與穩態洋流探測器（GOCE）是歐空局獨立發展的地球動力學和大地測量衛星，是全球首顆用于探測地核結構的衛星。GOCE于2009年3月17日發射，能夠提供海洋重力場和海洋大地水準面的信息。

土壤濕度和海洋鹽度衛星（SMOS）是歐空局首顆用于監測全球土壤濕度和海洋鹽度的衛星。該衛星于2009年11月2日發射，目前仍在軌運行。

Jason系列衛星是法國國家空間研究中心和美國宇航局聯合研制的海洋地形觀測衛星，是TOPEX/Poseidon衛星的后繼星，用于海洋表面地形和海平面變化的測量。

2001年12月7日， Jason-1衛星發射。2008年6月20日，Jason-2衛星發射。目前，Jason-2衛星在軌正常運行。2016年1月17日，SpaceX公司成功發射Jason-3海洋觀測衛星，繼續開展全球海平面高度及其影響的研究任務。該衛星對全球變暖及近海岸1公里地區的海平面上升影響風速及洋流情況進行監測，而此前的衛星只能觀測距海岸10公里的區域。此衛星將對全球海面高度、熱帶氣旋進行監測，并為季節性和沿海預報提供支持。在其5年的任務執行期間，衛星數據也能應用于漁業管理和人類影響全球海洋問題的研究。

海洋監視監測衛星

海洋監視衛星主要用于探測、監視海上艦船和潛艇活動，是一種實時或近實時地偵收竊聽艦載雷達信號和無線電通信信號的偵察衛星。它能在全天候條件下監測海面，有效鑒別敵艦隊形、航向和航速，準確確定其位置，能探測水下潛航中的核潛艇，跟蹤低空飛行的巡航導彈，為作戰指揮提供海上目標的動態情報，為武器系統提供超視距目標指示，也能為本國航船的安全航行提供海面狀況和海洋特性等重要數據。同時，也能為水面艦船提供通信。

另外，海洋監視衛星還可以兼顧探測海洋的各種特性，例如海浪的高度、海流的強度和方向、海面風速、海水溫度和含鹽量及海岸的性質等，可為國民經濟建設服務。

在上世紀70年代，蘇聯發射了雷達型海洋監視試驗衛星——“宇宙198”，從此海洋監視衛星登上了歷史舞臺。

按照海洋監視衛星所攜帶的偵察、監視設備的不同和采用的偵察手段的不同，大體可分為電子偵察型海洋監視衛星和雷達型海洋監視衛星。前者又稱被動型海洋監視衛星，后者又稱為主動型海洋監視衛星，兩者相互配合協調工作。

美蘇兩國發展了一系列的海洋監視衛星。其中，美國海軍發展了海洋監視系統 ，又稱白云計劃。該計劃于20世紀60年代末啟動，直至1995年發射了最后一組衛星，歷時近30年，而最終為“天基廣域監視系統”所取代。

美國在冷戰時期的白云計劃包括“一流奇才”和“命運三女神”。后者能更形象地反映該系統各衛星的使命和工作原理。

大部分白云衛星系統都以1顆母衛星和3顆子衛星構成星座，通過特定鏈接方式進行連接，保持編隊方式飛行。在使用被動技偵手段時，各星座的子衛星在空間成直角三角形排列。白云系統共發展了試驗型、第一代、第一代改進型和新一代等衛星系列。

試驗型白云系統從1971年12月開始發射，其發射方式為“一箭四星”，堪稱是當時的最先進水平。其主要目的只是試驗和驗證白云系統的可行性和基本效能，其擔負的戰斗勤務任務是比較有限的。

第一代白云系統包括3組衛星，分別于1976年4月30日、1977年12月8日和1980年3月3日發射。3顆子衛星以三角構型繞主衛星運行，彼此間隔50～240公里。這一代衛星的運行壽命約3～5年，實際使用效能明顯強于試驗型，成為海洋普查和詳查/定位體系的有力構成部分。

▲ 美國海洋動力衛星發展歷程簡圖

在實施第一代白云系統試運行的同時，美國還研制飛弓雷達型海洋監視衛星，于1981年開始執行海軍海洋遙感衛星計劃，試圖使用一種重量更重、傾角更大的衛星，以同時兼顧國防和民用需要。但由于在技術上的風險和成本過高，飛弓項目最終于1986年下馬，其技術成果被轉用于后續的白云系統。

第一代改進型白云系統包括7組衛星，主要是在有限地改進衛星技術的基礎上，對之前已經到壽命周期的衛星實施替換。所有星座母星重達450千克，子星各重45千克。星上穩定與數據轉發系統比試驗性的第一代更加完善。

在冷戰結束前夕，美國又發射“白云-9”和“白云-10”兩個星座，分別發射于1988年9月5日和1989年9月6日。

冷戰結束前后，美國繼續對白云系統進行補充和發展，又至少發展了3組新型海洋監視衛星星座，其中前2組發射成功。

由于新一代白云衛星由大力神-4火箭發射，因此衛星本身質量和體積可進一步放大，其母星重量加大到7噸之多，而其間距也比之前幾代衛星加大，達到30～110公里的水平。

1990年6月，美國實施了新一代命運女神海洋監視衛星系統的第一次發射。其實這次發射是對即將到來的海灣戰爭作的臨戰準備，其中3顆子衛星經變軌后進入高1116公里、傾角63. 4°的軌道。1991年11月，白云系統又進行了第二次發射，代號為命運女神-12衛星星座，實際部署了USA-72、USA-74、USA-76和USA-77這四顆衛星。雖然美國在1993年8月2日還進行了第三次發射，但發射失敗。該系統已于1996年5月12日部署完畢。

新一代白云系統采用了新的設計基線，監視的范圍更大，達到7000 平方公里范圍，在一定條件下還可在108分鐘后重返監視目標。由4組衛星組成的系統，可對地球上40°～60°緯度的任何海洋區域，每天監視30次以上。

進入新世紀，美國海軍原計劃采用海軍天基廣域監視系統和空軍與陸軍天基廣域監視系統兩套系統，以分別適應各自偵察和監視需要。其中的海軍天基廣域監視系統計劃，用來接替白云系統。海軍天基廣域監視系統是紅外成像偵察衛星系統，而不同于白云系統的無線電信號偵察方式，該計劃于上世紀80年代末啟動，但只發射了一組試驗性質的衛星。后來，海軍天基廣域監視系統與空軍陸軍天基廣域監視系統合并，成為聯合天基廣域監視系統計劃，以兼顧四大軍種的統一需求。聯合天基廣域監視系統衛星采用雙星組網方式工作，可針對水面艦船、水下潛艇、飛行器和地面車輛進行偵察和監視，功能非常多樣。

俄羅斯的宇宙系列也有諸多可圈可點之處。蘇聯的宇宙電子型海洋監視衛星系列衛星始發于1974年，主要用于探測、識別和跟蹤艦船，迄今為止已發40余顆。

1988年，蘇聯終止雷達型衛星發射后，主要通過電子型海洋監視衛星執行海上偵察任務。它的工作壽命早期為數月，目前為2年以上，有效載荷為電子偵察接收機。

1990年3月，蘇聯發射了宇宙-2060電子型海洋監視衛星。其后在海灣戰爭爆發的前后幾個月里，又發射了3顆電子型海洋監視衛星，從而使其海洋監視衛星的數量達到6顆，達到歷史最高記錄。該星座由6顆衛星組成，隨時間的推移能夠工作的衛星逐年減少。據報道，現在只有1顆1997年12月15日發射的“宇宙-2347”衛星仍在工作。

海洋水色衛星是對海洋水色要素（如葉綠素、懸浮沙和可溶性的黃色物質等）和水溫及其動態變化的探測，有效載荷通常選用靈敏度高、信噪比高、光譜分辨率高、波段多、帶寬窄的海洋水色掃描儀。

美國海星衛星于1997年8月1日發射，又稱軌道觀測-2衛星，主要用于海洋水色觀測、海洋生物和生態學研究，為美國地球探測計劃提供全球環境觀測數據。

另外，土衛星是美國、日本和加拿大聯合研發的對地觀測衛星，主要用來觀測地球氣候變化。該衛星搭載的有效載荷中，分辨率成像光譜儀可以獲取海面溫度和海洋水色信息。

Aquarius衛星是美國宇航局發展的對地觀測衛星，原名為“上午星”，不知道美國宇航局出于什么原因，后來將其改名為水衛星。水衛星的主要任務是對地球上的水循環進行全方位的觀測，可以獲取海洋溫度和海洋水色信息。該衛星于2002年5月4日發射，現仍在軌運行。

印度發展的專用海洋衛星包括Oceansat-1和Oceansat-2，用于海洋環境探測，包括測量海面風場、葉綠素濃度、浮游植物以及海洋中的懸浮和沉淀物。Oceansat-1是印度遙感衛星系統中首顆用于海洋觀測的衛星，于1999年5月26日發射，2010年8月8日退役。Oceansat-2衛星于2009年9月23日發射，目前在軌運行

海洋觀測衛星是日本的第一個地球觀測衛星系列，又稱桃花衛星，共發射了2 顆。第一顆是試驗型海洋觀測衛星，用于測量海洋水色、海面溫度和大氣水汽含量，第二顆則用于觀測海洋洋流、海面溫度、海洋水色等。

▲ 美國Aquarius衛星

海洋衛星的未來發展趨勢

目前，在國際上列入發射計劃的海洋衛星中，出現了一批新型一體化的海洋遙感載荷。例如，SWOT高度計衛星，其主載荷在傳統雷達高度計基礎上增加了高頻的Ka頻段雷達干涉儀，測高精度將達到1.5～3厘米，空間分辨率達到0.5～1公里，因而SWOT既滿足了海洋動力現象的高精度觀測，還能夠觀測陸地水體的變化，有效彌補了傳統雷達高度計在觀測中尺度或亞中尺度海洋動力現象中的不足。

未來，海洋衛星微波遙感載荷將向高頻、多頻、多極化等方向發展。

早期的海洋水色遙感器、雷達衛星數據都沒有經過定標，雷達高度計衛星也沒有精密定軌載荷，這些情況都嚴重影響了海洋衛星數據精度和數據的應用。

定量化應用是海洋衛星數據應用的特點。由海洋衛星數據生產的葉綠素、懸浮泥沙、海溫、海面高度、海面風場、海浪場等遙感產品，都屬于定量化反演應用的范疇。目前，在國際上海洋衛星都已經建有定標與真實性檢驗場，專門用于海洋遙感載荷的定標和數據產品的真實性檢驗，如用于雷達高度計絕對定標的定標場就有美國的Harvest石油平臺、法國南部的科西嘉島和希臘的加夫多斯島3個專用定標檢驗場。

未來，天基海洋偵察監視體系的趨勢非常明確。面對大量的各型大中型水面艦艇和核潛艇，尤其是無人化、智能化海上作戰單元的大量運用，以及越來越多的遠洋活動，海上戰場將更加依賴于天基海洋偵察監視體系。由此，安全、穩定、精確、高效的天基海洋偵察監視體系，將成為未來的建設重點。