面向極地航運的衛星觀測技術發展研究

于志同 黃 彥 胡洛佳 馬 蓉 肖 鵬 程 曉*

（1.中國空間技術研究院 錢學森空間技術實驗室 北京 100094；2.中山大學 測繪科學與技術學院 珠海 519082；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）珠海 519000）

0 引言

南北兩極是全球資源、能源開發潛在的戰略儲備地，對我國未來發展和國家利益具有重要意義[1-2]。在全球變暖背景下，極地氣候與環境變化顯著，為極地開發與治理帶來新的發展機遇，特別是北極航道開通、北極油氣資源管道和環北極公路鐵路建設已提上日程[3]。從全球競爭角度來看，極地正面臨或即將面臨新一輪地緣利益爭奪，國際社會對極地保護和開發給予了高度關注[4]。我國極地開發戰略部署也已拉開序幕，科學認識極地、開發極地和保護極地，符合我國共筑“人類命運共同體”的長遠目標。

北極航道為中國戰略通道的開辟提供了新的路徑，可成為“冰上絲綢之路”，使我國到達歐美國家和地區的航線大幅縮短，節省時間、距離和經濟成本[5]。然而，我國是北極域外國家，現場實地觀測極為困難，獲得近實時、高分辨率海冰數據是保障航道安全的關鍵途徑。極地海冰的快速變化在改變極地海洋環境的同時，也給全球地緣政治格局帶來了復雜和深遠的影響，極地航線開發及爭奪愈發白熱化。

開展極地海洋空間規劃，需要充分了解相關海域的水文地質、氣候變化、資源分布、生態環境和生物多樣性等相關信息。兩極地區極端氣候條件對規劃所需數據的可獲得性、精確性和完整性等提出了更高的技術要求[6-7]。因此，我國迫切需要加大對極地海洋環境衛星技術的研發投入，提高極區數據獲取和采集能力，借助星上智能處理、星船/地一體化設計，提高破冰船、科考船、商船等船舶以及艦艇的實地航運能力，保障相關設備在極寒、可視性差、岸基站點不足、通信及導航能力有限等環境下的精確運行。當前，國內外沒有專門針對極地觀測和通信需求的極地衛星觀測系統，尤其缺乏針對極地連續觀測的高軌衛星和計劃[7]。因此，我國亟需發展極地天基探測體系，滿足高頻次立體探測需求，切實保障極地航行安全、形成自主的極地海洋環境探測能力，推進我國進入、開發和利用極地，參與全球環境治理。

1 面向極地航運發展的衛星觀測需求

隨著極地活動逐年增加，海工裝備設計、船舶破冰與航道開發等對遙感衛星技術的需求越來越高。通過文獻整理、現場調研、專家研討等，當前極地環境探測的衛星技術需求呈現以下特點：

（1）需求迫切，涉及政治、經濟、文化和安全等領域；

（2）觀測要素多樣，動態、靜態皆有，并涉及多學科；

（3）時效性、分辨率和觀測精度要求高，覆蓋范圍寬，對星地/船系統設計提出了明確要求；

（4）高頻次探測與長時間序列積累要統一，要求衛星系統穩定運行。

針對破冰科考、極地救援、航線開發等極地航運需求，要發展海冰觀測衛星，主要觀測海冰覆蓋、密集度、厚度與運動等，所需載荷包括高時空分辨的光學、合成孔徑雷達（synthetic aperture radar,SAR）、激光和雷達高度計，以期實現對極地海冰實時或近實時監測。同時，研發具有一定冰層穿透和測量能力的新型載荷（例如低頻段的干涉成像雷達），具備大幅寬、全極化、多波段及高頻次能力的合成孔徑雷達（SAR），解決海冰類型、冰間水道和海面風場等探測不足或缺失，重點突破低頻雷達電離層傳播特性和對信號的影響、電磁波在不同傳播介質中的傳輸機理和衰減特性、冰面或表面雜波散射特性和干擾抑制技術，以及適應干涉雷達測量的極地衛星軌道控制和測量技術。此外，研發高分辨、多波段、多極化方式的星載微波散射計，用于海冰類型、覆蓋及海冰風場等參數的監測，與主動SAR 載荷數據在時空分辨率上互為補充；高分辨率、多波段星載微波輻射計，用于積雪深度、海冰密集度與海冰類型等的測量；高時間分辨率極區衛星高度計，用于海冰厚度和海面風場等參數的觀測。

今后的極地海洋衛星數據將直接提供給終端用戶（比如商船、科考船與救援裝備等），以更好地保障極地航運安全。遙感圖像空間分辨率要求優于百米、十米級甚至米級，時間分辨率需達到半日、甚至小時級。極地衛星需具備高時空分辨率和精細化探測能力，比如光學衛星載荷空間分辨率優于50 m（1 000 以上信噪比）可滿足區域定量化遙感探測和應用需求，具備米級或亞米級分辨率的載荷可實現對重點區域海上目標（艦船、冰面設施）的精細化識別及動態跟蹤。

面向極地航運未來發展，我國亟需大力發展對極地冰凍圈的天基探測技術，特別是提升用于海冰快速變化與冰下觀測的載荷能力，解決在高緯度冰區組網觀測的短板；擴展南北極實時觀測網絡，提升我國在兩極地區的觀測與通導能力，實現自主可控、實時傳輸、高穩定性的極地衛星系統構建。

2 國內外極地衛星觀測技術現狀

2.1 技術現狀

應用于極地環境要素探測的衛星載荷主要分為6 種類型（如圖1 所示），包括SAR、雷達散射計、高度計、重力儀、微波輻射計和光學傳感器（包括可見光、近紅外和熱紅外）。

圖1 在軌和計劃發射的極地環境要素探測衛星（http://globalcryospherewatch.org）

大尺度的連續極地觀測主要依賴星載微波傳感器，包括微波輻射計和散射計，基于此類數據已業務化生產逐日海冰密集度、類型和運動產品[7]；目前計劃發射的搭載微波輻射計的衛星包括美國的Weather System Follow-on-Microwave（WSF-M）、歐洲的Copernicus Imaging Microwave Radiometer（CIMR）和日本 的Global Observing SATellite for Greenhouse Gases and Water Cycle（GOSAT-GW）等。星載光學載荷被廣泛應用于海冰與冰蓋變化監測，已積累近50 年連續觀測數據[7]，目前計劃發射的主要是Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）、Landsat 等衛星系列的后續星，如The Joint Polar Satellite System-2/3（JPSS-2/3）Visible/Infrared Imager/Radiometer Suite（VIIRS）、Landsat-9 等。SAR 衛星是當前天基極地環境要素觀監測的主要發展方向，被廣泛應用于高分辨率海冰分類、漂移、冰架崩解、融化和高程監測[7]，目前計劃發射的星載SAR 計劃包括日本的L 波段Advanced Land Observing Satellite-4（ALOS-4）、歐 洲 的Copernicus L-band Synthetic Aperture Radar（ROSE-L）、美國的L 和S 波段NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar（NISAR）、意大利的X 波段COSMO-SkyMed 二代（CSG-2），以及我國的HY-3 系列等。高度計則為精確測定極地冰蓋高程和海冰厚度提供了新的監測手段[7]，目前在軌的衛星高度計包括美國的ICESAT-2 和歐洲的CryoSat-2，后續歐洲將發射CRISTAL衛星。

當前大部分主被動探測衛星可用于冰川、海冰和積雪等極地環境要素的監測，但其中光學衛星受制軌道傾角和幅寬等因素限制，對于極點周圍等區域尚不能完全覆蓋。由于天氣、光照和任務規劃等因素的影響，光學遙感衛星也并未形成極地上空全天時、全天候工作和業務化運行能力；同時，現有的高空間分辨率或高光譜分辨率影像的幅寬較窄。此外，光學數據無法用于被積雪覆蓋的海冰分類。

使用主動觀測的SAR 衛星雖然具備穿云破霧的高分辨率極地觀測能力，且對積雪覆蓋的海冰分辨更具優勢，但受制于能量分配和任務規劃等因素影響，現階段在極地上空獲取的數量較少，而且單軌15 min 左右的超長開機時間，對衛星的任務規劃依然是不小的挑戰。此外，現有的SAR 衛星主要工作在L 波段以上，對冰層的穿透能力有限，并不具備較厚冰層的透視觀測能力，現階段對冰厚和水下物質的估算僅依靠算法反演實現[8]。

微波傳感主要的問題是空間分辨率不足。搭載高度計載荷的衛星具備全天時、全天候獲取高分辨率海冰立體觀測能力，但是受制于幅寬、能源分配和任務設計等因素影響，尚未獲得極地區域的高精度、長時間、時空連續觀測數據?？偟膩碚f，SAR是當前國內外天基極地環境要素觀測的主要載荷發展方向。

近年來發展的星載SAR 利用電磁波極化、頻率和相位等特性進行多維度觀測，可極大拓展SAR極地應用的廣度和寬度。國內外星載SAR 囊括了Ku、X、C、S、L、P 等頻段（如下頁圖2 所示），極化方式也由單極化向多極化和全極化發展，國外近年來的大部分星載SAR 計劃和我國GF-3 衛星均實現了全極化。

圖2 國內外已發射和規劃中的主要SAR 衛星

發展干涉SAR 技術獲取相位信息，采用雙/多 基SAR 或者雙天線SAR 系統（例如TerraSAR-X/ TanDEM-X 雙基SAR），以及單顆衛星重軌或同一軌道面上多星組網重復觀測（如ERS-1/2 和Sentinel-1 星座）；另外，極化干涉衛星也是發展方向，如ALOS 系列、RadarSat-2 等[9]。如下頁圖3 所示，近20 多年來通過發射大帶寬信號和波束掃描（聚束和滑動聚束模式）模式，星載SAR衛星在距離向和方位向的分辨率從初期的百米提升至亞米級；通過二維波束掃描模式（如Sentinel-1 的TOPS 模式等）幅寬從數公里提高到數百公里；同時采用了一系列關鍵技術以突破傳統模式下分辨率與成像幅寬無法同時提高的瓶頸[10]。此外，發展低成本、易部署的輕小型SAR 衛星星座也是近年來的重要發展方向，目前已在軌運行的包括美國的Capella 系列、芬蘭的ICEYE 系列、英國的NovaSAR-S 系列等，我國也發射了海絲一號（HISEA-1）等輕小型衛星。

圖3 SAR 發展趨勢示意

總之，SAR 衛星信息從單一到豐富，空間分辨率從低到高，測繪幅寬從窄到寬，重訪周期從長到短，發射成本從高到低，這一系列發展趨勢使得其對極地環境要素觀監測的能力大幅提高，實現極地觀測的業務化運行SAR 衛星是國際極地天基監測的主要發展方向。

2.2 短板分析

極地地區緯度高，存在極晝、極夜現象，還被氣溫低、氣候條件惡劣、常年被冰雪所覆蓋甚至冰凍等自然條件限制，并且極少有參照物。遙感衛星是極地研究中的重要天基手段，盡管載荷類型多樣，但仍未形成極地上空全天時、全天候工作和業務化運行能力，且數據連續性和實時性無法滿足。對于我國而言，國產“高分”、“資源”衛星系列以及“風云”、“海洋”系列，可以分別在小尺度和大尺度上提供極地遙感觀測數據，但除風云三號衛星、京師一號衛星外，大部分國產衛星在極區不具備常態化、業務化工作能力[7]。

光學遙感衛星在極區難以獲得持續、全覆蓋的觀測數據。就我國而言，包括商業衛星系統在內，現有的遙感衛星系統均為服務于中低緯度區域的衛星系統，沒有專門用于極區的遙感衛星系統；對北極區域上空，系統一般不開機，以節省能源消耗。此外，北極的極夜難以滿足陸地觀測系列中的光學觀測衛星（特別是高分辨率觀測衛星）正常工作的光照需求。在北極的惡劣氣候條件下，一般的光學載荷基本不能正常工作，并且對云頂和覆蓋陸地的冰雪不易區分。

隨著輻射計、散射計和SAR 傳感器的發展，支持了一系列針對極地的衛星觀測計劃，但仍存在技術上的短板。微波輻射計和散射計由于較大的掃描寬度，通常能做到每日重復或重訪，但其空間分辨率通常在10 km 以上。目前各國提供的海水密集度、海水類型、海水漂移產品主要采用該類傳感器，但考慮到較低的分辨率，故無法滿足北極航道精細監測與航道決策需求。

SAR 傳感器分辨率通常能在20 m 以內，但重訪周期較長。為了提高重復率及縮短重訪周期，通常采用掃描模式或/及增加衛星數量的方式。如歐空局Sentinel-1A/B 雙星星座能提供6 日重復及全球雙極化5×20 m 覆蓋能力；加拿大RADARSAT Constellation Mission（RCM）三星星座可對加拿大海域提供50 m 分辨率每日覆蓋能力，并且提供更為先進的全極化和緊縮極化觀測模式（circular transmitting linear receiving,CTLR），目前處于世界領先水平；而我國的高分三號SAR 衛星運行于29日重復軌道，不能滿足北極航道監測需求。

發展輕小型SAR 衛星星座是近年來的重要發展方向。此類衛星以目標識別、干涉測量等為主要需求，通常僅提供單極化觀測模式，對于散射特征較為復雜且變化快速的地物等存在識別困難等問題。此外，小型SAR 多以條帶模式與聚束模式為主，部分衛星也提供掃描模式，但掃描寬度均不超過100 km，難以滿足某些特定任務大面積快速全覆蓋的觀測需求。再者，目前的小型 SAR 衛星受限于星載平臺能源方面影響，每軌工作時間較短，通常不超過 3 min，而大型 SAR 衛星的發展則更多面向長工作時間與多模式方向。大型衛星在掃描與極化方面具備多樣觀測模式，具備較長的每軌工作時間，對不同任務均可作出響應，如RCM 具備全極化9 種觀測模式，每軌工作時長可達15 min。大型衛星的多種模式在極化、分辨率以及掃描寬度方面作出取舍以滿足各類觀測任務的需求。我國SAR 衛星在北極區域上空可以正常工作，且其觀測的信息直接服務于我國在北極區域的日常活動，但受到衛星平臺能力的制約，我國SAR 衛星在北極區域上空需要關機，以節省衛星平臺的能源消耗。

3 極地衛星技術發展趨勢與建議

3.1 極地衛星技術及裝備攻關重點

（1）衛星體系設計方面

地球觀測衛星由于軌道限制無法獲取極地中心區信息，從而造成常年的海冰中心區觀測空白，加大了全球變化監測的不準確和不確定性。若我國發展的極區環境觀測衛星采用過極地中心的軌道，將在世界上首次填補這一空白，大大增強我國在全球變化觀測上的話語權。建議我國極區觀測衛星體系充分調研國外對于極區探測的計劃，對標國外在軌衛星以及預研衛星極區觀測技術，分析國際發展極區觀測的衛星體系建設思路，結合我國已有海洋水色、海洋動力和海洋監測三大海洋衛星系列建設現狀，開展極區觀測衛星體系建設。

（2）載荷專項技術方面

世界各國一直在發展極地微波遙感載荷技術，主要有2 個方面：一方面通過高精度的微波輻射計載荷測量冰雪當量，用于全球變化研究；另一方面，國際積極發展新體制SAR 載荷技術，針對極地航道監測與冰雪等探測要素，國外優先發展多頻段多極化的SAR 載荷，并利用分布式小衛星進行組網，對極地進行微波測繪。目前我國在軌和在研的微波遙感載荷尚未有以極地航道和冰雪為主要觀測要素的載荷，同時受制于軌道因素，不能對極地地區進行全覆蓋，因此不能滿足極地觀測的需求。考慮到目前國家對極地觀測的迫切需求與國際微波遙感載荷技術的發展趨勢，急需開展極地微波遙感載荷的發展規劃研究，掌握極地微波遙感領域的核心技術，為后續引領極地微波遙感領域奠定基礎。利用極地高分辨率大面陣凝視相機技術對極區進行觀測，可以極大滿足我國極區氣象和環境監測、資源觀測、國家安全及經濟活動監測的需求。

3.2 極地衛星觀測技術前沿

極地海域艦船安全航行受到多年冰、冰山、冰蓋崩解等冰情的影響，其中極地海冰年際分布變化大，并且海冰運動無規律可循，是造成極地航道艦船通行的主要安全隱患。因此，亟需快速獲取兩極地區冰情并準確規劃航線，從而保障艦船在高緯度冰區的安全航行。這對極地觀測衛星提出了大幅寬、高重訪的要求，至少需要在1～ 2 日內覆蓋極區主要航道，為艦船航行制定航線規劃。同時，觀測數據應具備區分多年冰和新冰的能力，且能夠有效捕獲海冰漂移狀態，并對靜態海冰出水高度進行估算，保障水面艦船航行安全。此外，需星艦協同工作，數據經星上快速處理后直接下傳艦船，為測量船提供基礎測繪數據和實時冰情監測數據，在提高時效性的同時保障艦船航行安全。

3.2.1 冰凍圈高分辨率主被動微波觀測技術研究

以冰川快速變化監控與預測、冰基底物質分類與分辨、積雪覆蓋與凍土變化、海冰快速檢測與分類等科學問題為牽引，揭示電磁波與冰凍圈關鍵要素相互作用機理，提出天基分布式綜合孔徑穿冰雷達系統及多波段綜合孔徑探測儀系統方案，突破低頻電磁波電離層誤差補償、分布式主被動高分辨率信號處理、極區冰凍圈環境要素主被動微波綜合處理等關鍵技術，開發綜合處理解譯軟件，研制相關主被動微波探測原理樣機，開展機載/地面探測試驗及應用研究，最終形成天基冰凍圈主被動微波立體觀測技術體系，為國家極地戰略及應對全球變化提供支撐。

技術研究方向如下：

（1）分布式綜合孔徑主被動微波探測載荷總體設計技術；

（2）面向分布式體制下的低頻信號處理技術；

（3）基于主被動探測數據的綜合處理應用技術。

3.2.2 天地一體化極地探測研究

將天基、?；?、空基、地基等多種極地探測手段和數據進行綜合，在地面開展綜合極地環境應用和通導遙天基任務分析，提升極地環境探測、航道保障、科學考察等綜合應用能力。

技術研究方向如下：

（1）融合天基系統的海上應用新模式研究；

（2）通信、導航、遙感衛星極地聯合體系構架設計以及星間、星地、星船多元信息傳輸技術；

（3）天地一體化多手段數據融合技術。

3.2.3 智能任務規劃分析研究

未來在極地海量（千顆）航天器和有限的測控資源場景下，當應急任務產生時，綜合考慮任務緊急程度、衛星能力、測控資源等多維信息和約束條件，采用智能優化方法對航天器的任務進行科學規劃，并對多個相關方實施調度，為合理規劃子系統和調度執行子系統提供技術保障與支撐。在多任務約束條件限制下，既要在給定時間區間內對潛在競爭的多個任務進行平衡或取舍，又需要統籌協調全空域測控系統，為選定的觀測任務合理分配資源和時間，最大化可執行任務序列的收益并且最小化擾動測度。

3.2.4 基于深度學習的多源信息融合技術研究

未來極地空間綜合服務衛星是具備多載荷、多功能的衛星，其應用需要開展多源信息技術融合。因此，多源異構信息融合技術主要是進行多源信息的優化提取、轉化、存儲、關聯和融合，而為了實現對空間信息的綜合與一體化應用，應提供統一、高效、便捷的數據信息支撐，滿足指揮調度與服務系統需求。

3.3 措施建議

（1）急需建設我國自主極地天基觀測系統

面向極地新領域，應盡快提出并實施具有中國特色的“極地天基觀測系統”，打造我國自主的極地遙感-通信-導航一體化、空-天-地-海協同的立體觀測體系，提供自主產權的全球變化觀測數據，為極地信息獲取、資源開發和安全保障提供支撐，積極應對氣候變化和服務構建人類命運共同體。

（2）加快發展極地立體探測技術，服務冰上絲綢之路

針對當前極地海冰快速變化、冰下立體觀測等方面存在的衛星技術短板，應大力發展原創性衛星載荷，推動構建我國冰衛星系統，為極地地區發展提供獨特的觀測手段，有效補充匱乏的冰川/冰蓋三維立體探測、海冰快速變化和凍土凍融狀態監測等觀測數據，形成水循環全鏈路觀測、冰凍圈全覆蓋觀測及長時間連續觀測能力，支撐我國冰上絲綢之路建設和極地強國戰略。

（3）面向極地前沿，積極謀劃國際合作

關注國際天基觀測計劃的銜接“空窗期”，與國際社會共同努力保持長期與連續的極地觀測，發展地面接收站及外場定標，制定更高觀測能力的極地天基觀測發展規劃，特別是針對極地航運、科考救援及資源開發等，推進天-空-地-海融合，泛在互聯、云端同化的立體多維和高分辨率的極地監測平臺，為我國承擔大國責任、參與全球海洋和氣候環境治理提供核心技術支撐。