穿透蔽日陰云 識破廬山真容
——國外環境衛星發展概況

文/ 楊詩瑞

“不識廬山真面目，只緣身在此山中。”每天每時每刻，地球上的環境發生著生生不息的變化，但是身處地球上的人們卻難以對各種資源信息完成收集和觀察，尤其是有一些信息看不見、摸不著。

那么衛星是如何完成這樣高難度的“大局”觀測的呢？太空中的衛星們利用遙感器、對地觀測衛星收集并記錄地球大氣、陸地和海洋等觀測目標輻射、反射或散射的電磁波信息，再由信息傳輸設備發送回地面進行處理和加工，就可以獲取相應的信息，突破人們“身在廬山中”的迷茫。

▲ 軌道碳觀測衛星

風云探測一甲子

環境衛星是對地觀測衛星的重要應用，一般專門用于環境和災害監測。伴隨著對地觀測衛星的發展，環境衛星的隊伍也逐漸成長壯大。

早在1959 年，美國發射的先驅者-4 探測器在近地軌道就拍攝到了地球的云圖。不過真正利用衛星對地球環境進行長期觀測是從1960 年美國發射泰羅斯-1 衛星才開始的。

20 世紀70 年代，對地觀測衛星進入初步應用階段。1972 年，美國發射陸地衛星-1，標志著空間對地觀測進入實用階段，衛星圖像數據首次實現以數字形式直接傳輸。這一時期，全天候的微波遙感技術正成為對地觀測領域中的重要發展方向。

20 世紀80 年代至90 年代，對地觀測衛星有了很大的發展。1986 年2月，法國發射了斯波特-1 衛星，這是第一顆能在穿軌方向進行立體成像的衛星，首次采用推掃成像線性陣列遙感器，全色分辨率10 米。

1991 年7 月，歐空局發射了歐洲遙感衛星-1，它是一顆微波遙感衛星，采用合成孔徑雷達成像，空間分辨率為30 米。微波遙感衛星獲取的衛星數據，增進了人類對地球環境和氣候現象的認識，形成了多種業務應用，如海冰制圖和沿海地帶研究等。

近十余年來，對地觀測衛星開始向高空間分辨率和高光譜分辨率發展。1999 年，美國成功發射首顆攜帶中分辨率成像光譜儀的衛星——“土”衛星，歐空局和日本成功發射高光譜衛星。高光譜遙感器進入了航天遙感領域并不斷突破，高光譜成像技術成為21 世紀國際遙感界的熱點。

除此之外，進入21 世紀以來，全球高分辨率對地觀測技術也發展迅速，光學成像衛星的地面分辨率已達0.1米，雷達成像衛星的分辨率達到0.3 米，美國、法國、俄羅斯、以色列、日本和印度等多個國家也都已擁有本國獨立研制的高分辨率對地觀測衛星。

目前，全球共有220 余顆對地觀測衛星在軌運行，雷達成像衛星正逐步成為各國競相發展的熱點。雷達衛星具有穿透云霧，甚至部分植被和土壤的能力，具有全天候、全天時觀測能力，并能通過多頻、多極化、多入射角等手段提高對目標的識別能力，可以彌補光學衛星的不足。

▲ 歐洲遙感衛星-1

▲ “土”衛星

為了能夠全面觀測地球，美歐等國家和地區正在建立以地球觀測系統（EOS）和哥白尼計劃為代表的天、空、地一體化的綜合對地觀測系統，它能聯合各自分散的遙感力量，構建全面的、協調的、可持續的綜合對地觀測系統，并提供運營服務，實現最佳應用效益。

如今，國外民用對地觀測衛星保持穩定發展，商業對地觀測衛星系統持續補給，穩定運行、拓展應用，民商用對地觀測體系和能力日趨完備。

民用對地觀測衛星方面，各國持續穩步推進后續系統的建設與更新，在確保數據連續性的基礎上，積極發展實驗性小衛星技術，利用搭載發射、在國際空間站部署遙感載荷的方式（如美國“地球觀測系統”發射溫室氣體觀測載荷、意大利發展多光譜成像小衛星），在降低成本的同時，提高觀測與應用能力，逐步形成全球綜合地球環境監測體系。

商業對地觀測衛星方面，更多的商業對地觀測小衛星進入部署階段，在軌星座規模和類型穩定擴大，重點發展高重訪頻次能力，兼顧1 米級高成像分辨率，光學成像、雷達成像、射頻測繪等均具備較大應用潛力，對地觀測業務類型向多樣化拓展。

對地觀測的大用戶：美國環境衛星發展與應用

美國擁有數量最多的衛星，建成和發展了陸地衛星（LANDSAT）、地球觀測系統（EOS）、靜止軌道業務衛星系列（GOES）等一系列資源和環境探測衛星系統，在這一領域發揮著引領作用。

LANDSAT 是美國陸地遙感衛星項目的先驅，該系列衛星由美國宇航局和美國地質調查局共同管理，40 年來連續提供地球陸地表面粗略的、重復的多光譜數據，用于探測地球資源與環境。

LANDSAT 衛星承擔著調查地下礦藏、海洋資源和地下水資源，監測和協助管理農、林、畜牧業和水利資源的合理使用，預報農作物的收成，研究自然植物的生長和地貌，考察和預報各種嚴重的自然災害(如地震)和環境污染，拍攝各種目標的圖像，以及繪制各種專題圖等任務。在它的啟發下，各國產生了很多類似項目，如法國的地球觀測系統（SPOT）、俄羅斯的資源系列衛星和印度遙感衛星。

▲ LANDSAT-8 衛星

目前在軌的LANDSAT-8 于2013年發射，裝備有陸地成像儀和熱紅外傳感器（TIRS）。TIRS 是性能最好的熱紅外傳感器，用于收集地球熱量流失，了解觀測地帶的水分消耗，特別是干旱地區的水分消耗。

為統籌分散的遙感衛星資源，全面觀測地球，1991 年，美國宇航局發起地EOS 計劃，實施多學科（大氣、海洋、陸面、生物、化學等）綜合研究，加深對地球系統變化理解。

組成EOS 的是多個國家的主動空腔輻射計輻照度監視器衛星、“水”衛星、LANDSAT-7、賈森-1 等衛星。EOS 從單系列極軌空間平臺上對太陽輻射、大氣、海洋和陸地進行綜合觀測，獲取有關海洋、陸地、冰雪圈和太陽動力系統等信息；進行土地利用和土地覆蓋研究、氣候的季節和年際變化研究、自然災害監測和分析研究、長期氣候變率和變化以及大氣臭氧變化研究等，實現對大氣和地球環境變化的長期觀測和研究。

EOS 的首顆衛星“土”衛星攜帶5 種傳感器，能同時采集地球大氣、陸地、海洋等信息，幫助科學家認識全球氣候變化的起因和發展，了解地球氣候和環境的整體作用?！八毙l星收集關于地球水循環信息，包括海洋海水蒸發、大氣中的水蒸氣、云層、降水、土壤水分、海冰、陸冰，以及陸地上的積雪和冰的各種數據和信息，它的測量數據還包括輻射能通量、氣溶膠、覆蓋陸地的植被、浮游植物和海洋中的溶解有機物，以及空氣、土地和水溫等。

多管齊下的環境觀測：歐空局成員國環境衛星發展與應用

歐空局發展了多個重要的對地觀測衛星系列，涵蓋光學、雷達、高光譜等多種成像模式和不同分辨率，廣泛應用于環境監測。與此同時，法國、加拿大等也在開展本國對地觀測衛星建設。

環境衛星1 號于2002 年3 月發射升空，是歐洲最大的環境衛星。衛星搭載的合成孔徑雷達，可生成海洋、海岸、極地冰冠和陸地的高質量高分辨率圖像，研究海洋的變化，其他星載設備提供的數據，可用于研究地球大氣層及大氣密度。環境衛星1 號主要用于監視環境，對地球表面和大氣層進行連續觀測，供制圖、資源勘查、氣象及災害判斷之用。

哥白尼計劃是歐洲委員會和歐洲太空總署聯合倡議建設的，歐洲最重要的綜合對地觀測系統，由全球環境與安全監測計劃(GMES)發展而來。哥白尼計劃通過對歐洲及非歐國家現有和未來發射的衛星數據及現場觀測數據進行協調管理和集成，實現環境與安全的實時動態監測，為決策者提供數據，以幫助他們制定環境法案，或是對自然災害和人道主義危機等緊急狀況作出反應。

哨兵系列衛星構成該計劃的空間段，是一個高、中、低分辨率并存的遙感衛星體系，涵蓋光學成像、雷達成像、電子偵察、環境、預警等業務類型，具有不同觀測功能。2014 年，哨兵-1 發射，提供全天時、全天候雷達成像，用于陸地和海洋觀測。哨兵-2是多光譜高分辨率成像衛星，可提供植被、土壤和水覆蓋、內陸水路及海岸區域等圖像，還可用于緊急救援服務。哨兵-3 衛星攜帶多種有效載荷，用于高精度測量海面地形、海面和地表溫度、海洋水色和土壤特性，并支持海洋預報系統及環境與氣候監測。哨兵-4、哨兵-5 載荷分別搭載在第三代氣象衛星-S 和極地軌道氣象衛星上，用于大氣化學成分監測，哨兵-6 則主要用于海洋科學和氣候研究。

此外，法國持續發射SPOT 衛星系統，從1986 年發射SPOT-1 以來，接收、存檔全球衛星數據，提供了準確、豐富、可靠、動態的地理信息源，滿足了制圖、農業、林業、土地利用、水利、國防、環境、地質勘探等多個應用領域不斷變化的需要。2014 年6月，SPOT-7 成功發射，提供1.5 米全色和4 個波段的6 米多光譜圖像,具備長條帶、大區域、多點目標、雙圖立體和三圖立體等多種成像模式，為自然資源與農林環境監測等方面提供強大支撐。

▲ 哨兵-1 衛星

▲ 哨兵-5 衛星

加拿大國土面積廣闊，將對地觀測衛星作為優先發展項目，分別在1995年11 月和2007 年12 月發射雷達衛星-1、雷達衛星-2，用于海洋監測，災害管理及生態系統監測。2019 年6月，加拿大發射“雷達衛星星座任務”衛星，由3 顆小衛星組網協同運行，提供快速重訪和動態監測，能夠滿足加拿大對海上、國土、北極等區域特有的監視需求，極大增強環境監測能力。

百花齊放的環境觀測：其他國家環境衛星現狀

俄、日、印等國家也都在積極發展對地觀測衛星體系，提供環境監測能力。

俄羅斯正在積極恢復對地觀測衛星系統建設，處于能力恢復和提升期，目前主要在補充現有低地球軌道“流星”和地球靜止軌道“電子”氣象衛星星座。2016 年3 月，俄羅斯成功發射資源-P3和獵豹-M2 高分辨率光學對地觀測衛星，提供資源和環境監測能力。

日本將對地觀測列為航天重點發展對象，形成用于陸地觀測、氣象、溫室氣體、全球變化觀測等多個主打衛星系列，對地觀測能力較為先進，具有一定的在軌規模。1992 年，日本發射地球資源衛星-1，用于地球資源和環境監測。在此基礎上，日本發射先進陸地觀測-1 衛星，搭載日本、美國、法國等提供的8 個載荷，可全面調查地球環境和氣象變化，發展先進陸地觀測衛星和熱帶降雨測量衛星等，均提供環境監測能力。同時，日本也在積極發展商業對地觀測衛星，2019 年，日本東京大學發射快速國際科學實驗衛星，搭載瑞典、捷克等8個國家開發的科學儀器，用于地球觀測實驗和技術示范；日本初創企業Synspective 公司計劃發展由25顆小衛星組成的、能夠日夜及穿透云層成像并實現全球覆蓋的合成孔徑雷達觀測星座，將提供環境監測功能。

印度建立了高低軌搭配、譜段覆蓋完整（包括可見光、近紅外、中短波紅外、微波等多個波段）的對地觀測衛星體系。由資源衛星、海洋衛星、印度衛星系列組成的環境探測衛星體系，覆蓋了氣象環境探測、海洋環境探測和陸地資源觀測。1998 年，印度開啟“地球觀測系統”計劃，由國家自然資源管理系統規劃委員會進行協調與管理，發射的衛星包括印度遙感衛星系列、制圖衛星系列以及資源衛星、海洋衛星和雷達成像衛星系列等，衛星數據由國家遙感局統一接收和處理，廣泛用于環境監測和災害管理等領域。

除了主流航天力量，其他國家或地區中，以色列和韓國對地觀測衛星發展最好，提供環境監測能力。以色列從2000 年開始發展地球遙感觀測衛星光學成像衛星系統，應用于制圖、基礎設施規劃和監測、災害及環境監測、農業規劃等方面。2017 年8 月，以色列和法國聯合研制植被和環境監測微衛星發射成功，主要用于農業與生態研究領域，包括精準農業成像和環境探測等。

韓國持續研制并發射低軌道高分辨率光學和雷達成像的韓國多用途衛星系列以及海洋與環境衛星。2020 年2月，韓國發射全球首顆霧霾衛星千里眼2B 號，主要用于收集東亞地區霧霾和赤潮等環境和海洋數據。

▲ 加拿大雷達衛星-2

技術縱向深入，數量橫向鋪展

近些年來，國外對地觀測衛星和環境監測衛星等創新發展、升級換代，逐步形成立體、多維、高中低分辨率結合的全球綜合環境觀測體系，穩步提升技術與應用水平。各國高度重視并加快建設環境衛星系統，新一代環境探測衛星水平進一步提升，觀測譜段不斷拓展，空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率和觀測帶寬進一步提高，形成多種傳感器綜合集成的對地觀測系統；從單角度、單一模式的觀測跨越到多角度、寬視場、立體成像等多種觀測模式，進一步提高系統的可靠性、可用性。

與此同時，商業小衛星星座進行環境監測成為重要發展趨勢，并與大型環境監測衛星互相補充，在數量上形成了“橫向鋪展”的趨勢。在各國政策扶持下，航天初創公司不斷涌現并開始部署自己的商業小衛星星座，提供全球觀測數據，小型衛星、商業立方體星座與大型衛星系統相結合，為環境監測提供高效解決方案。

▲ 霧霾衛星千里眼2B 號

隨著航天技術的擴散，更多國家具備衛星研制能力，開始發展自己的對地觀測衛星，并廣泛應用于環境監測等方面。沙特阿拉伯、新加坡、埃及等國家已具備衛星研制能力?！鞍＜靶l星”系列持續發展，用于采集埃及周邊地區的圖像，進行礦物、水和其他資源評估，研究尼羅河上游情況以及災難管理等。阿聯酋、泰國、委內瑞拉、越南、智利等國家通過整星采購或國際合作，發展本國對地觀測衛星，服務于國內環境監測等領域。阿聯酋與加拿大合作研制天空觀測-1 衛星，搭載用于監測氣溶膠的多光譜光譜儀，能夠監測阿聯酋的二氧化碳和甲烷等溫室氣體。

另一方面，環境衛星的監測領域更廣，種類更多。美國宇航局主導的EOS 后續任務——“十年調查”，啟動更多新型環境探測任務，在2019 年發射軌道碳觀測-3 衛星，專用于溫室氣體探測，可獲取高精度、高空間分辨率的全球二氧化碳觀測數據。韓國也發射首顆霧霾衛星。美國政府部門啟動多個環境監測立方星任務。美國宇航局啟動“機會信號P 譜段研究”的立方星任務，開發天基土壤濕度測量技術，用于土壤濕度和雪測量，為早期洪水和干旱預警以及農作物產量預測提供幫助；美國環境保護基金會發展甲烷監測立方星，對來自50 個主要石油和天然氣地區、占全球產量80%的甲烷氣體排放進行監測；美國宇航局還計劃建造地球靜止沿海成像和監測輻射計，實現對自然和人為的沿海水域災害進行快速響應，有助于改善沿海生態系統的可持續性及其資源管理。環境衛星向更豐富、更廣闊、更多元、更深入的方向不斷發展，為人類環境保護、資源管理、抗災減災等方面提供有力支撐。