歐洲哥白尼計(jì)劃的現(xiàn)狀和未來

文|李俊杰 陳衛(wèi)榮 孫學(xué)嬌

中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心

哥白尼計(jì)劃（Copernicus Programme）是歐盟的地球觀測計(jì)劃，旨在觀測地球及其環(huán)境，提供利用衛(wèi)星觀測和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的信息服務(wù)，造福所有歐洲公民，被譽(yù)為地球上空的歐洲之眼（Europe's eyes on Earth）。歐洲聯(lián)盟委員會(huì)（EC）管理該方案，與歐盟（EU）成員國、歐洲航天局（ESA）、歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（EUMETSAT）、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、歐盟機(jī)構(gòu)和墨卡托海洋（Mercator Océan）合作實(shí)施。

哥白尼計(jì)劃由3 個(gè)部分組成：1）空間部分，哨兵系列衛(wèi)星和相關(guān)的地面系統(tǒng)，以及其他衛(wèi)星的貢獻(xiàn)任務(wù)；2）現(xiàn)場測量部分，提供海洋、大陸表面和大氣層信息的地面和空中數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)；3）服務(wù)部分，開發(fā)和管理服務(wù)，并向用戶和公眾提供。哥白尼計(jì)劃所提供的信息服務(wù)是免費(fèi)的，用戶可以公開獲取，歐洲認(rèn)為該計(jì)劃是迄今為止最雄心勃勃的對地觀測計(jì)劃。

一、哥白尼計(jì)劃的目標(biāo)和歷史沿革

哥白尼計(jì)劃是一個(gè)對地觀測計(jì)劃，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全球、連續(xù)、自主、高質(zhì)量、大范圍的地球觀測能力，提供準(zhǔn)確、及時(shí)和易于獲取的信息，以改善環(huán)境管理，了解和減輕氣候變化的影響，并確保公民安全。

哥白尼計(jì)劃的前身是全球環(huán)境與安全監(jiān)測（GMES），該計(jì)劃于1998 年提出，2012 年更名為哥白尼計(jì)劃。哥白尼計(jì)劃選擇哥白尼的名字，是在向一位偉大的歐洲科學(xué)家致敬，哥白尼通過對星空的觀測，提出日心說，改變了我們對宇宙的看法。

哥白尼計(jì)劃遵循分階段的方法從研發(fā)轉(zhuǎn)向運(yùn)營服務(wù)，2008 年至2010 年間分階段投入使用，最初的運(yùn)行始于2011 年，2014 年開始全面運(yùn)行。

二、對地觀測任務(wù)衛(wèi)星和數(shù)據(jù)

哥白尼計(jì)劃龐大的對地觀測系統(tǒng)有3“多”：衛(wèi)星多、載荷多和任務(wù)多，形成了全面的、成體系的對地觀測系統(tǒng)，其衛(wèi)星和數(shù)據(jù)分為專門的哨兵任務(wù)和貢獻(xiàn)任務(wù)（CCMs）。

1.哨兵任務(wù)

ESA 當(dāng)前開發(fā)的哨兵（Sentinel）任務(wù)衛(wèi)星（見圖1）有6 類，包括Sentinel-1、Sentinel-2、Sentinel-3、Sentinel-4、Sentinel-5P/5、Sentinel-6，用于陸地、海洋和大氣監(jiān)測的雷達(dá)和超光譜成像。每個(gè)哨兵任務(wù)都基于兩顆衛(wèi)星的星座，以滿足衛(wèi)星重訪的覆蓋要求，為所有哥白尼服務(wù)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集。

圖1 哨兵家族衛(wèi)星示意圖（來自ESA）

哨兵任務(wù)的目標(biāo)如下：

Sentinel-1：雷達(dá)觀測任務(wù)，提供用于陸地和海洋服務(wù)的全天候晝夜雷達(dá)成像，同時(shí)可用于地表形變監(jiān)測；Sentinel-1A 于2014 年4 月發(fā)射，Sentinel-1B 于2016 年4 月發(fā)射并在2022 年8月失效。

Sentinel-2：高分辨光學(xué)陸地觀測任務(wù)，寬幅高分辨率雙星多光譜成像，為美國陸地衛(wèi)星（Landsat）和法國斯波特衛(wèi)星（SPOT）任務(wù)的數(shù)據(jù)連續(xù)性和增強(qiáng)而設(shè)計(jì)，用于哥白尼計(jì)劃的陸地和安全業(yè)務(wù)；Sentinel-2A 于2015 年6 月發(fā)射，Sentinel-2B 于2017 年3 月發(fā)射。

Sentinel-3：中分辨陸地和海洋觀測任務(wù)，為海洋和陸地應(yīng)用（如海洋水色、海洋和陸地表面溫度、海面和陸冰地形、植被產(chǎn)品等）提供地球觀測數(shù)據(jù)，2 顆Sentinel-3 衛(wèi)星可在兩天內(nèi)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，在不到3 小時(shí)的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)交付產(chǎn)品；Sentinel-3A 于2016 年2 月發(fā)射，Sentinel-3B 于2018 年4 月發(fā)射。

Sentinel-4：靜止軌道大氣觀測任務(wù)，提供大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品（如臭氧、二氧化硫、氣溶膠光學(xué)厚度等），支持歐洲上空的空氣質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)測，這些數(shù)據(jù)將以高空間分辨率每小時(shí)生成一次；衛(wèi)星預(yù)計(jì)2024 年發(fā)射。

Sentinel-5P/5：近地軌道全球大氣觀測任務(wù)，提供大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品（如臭氧、二氧化氮、二氧化硫、甲烷和氣溶膠光學(xué)厚度等），提供全球空氣質(zhì)量監(jiān)測服務(wù)；Sentinel-5P 于2017 年10 月發(fā)射，Sentinel-5 預(yù)計(jì)2025 年發(fā)射。

Sentinel-6：繪制海平面圖任務(wù)，量化和監(jiān)測全球和區(qū)域海平面變化和海平面上升率，以支持海洋氣象學(xué)和海洋學(xué)業(yè)務(wù)服務(wù)；Sentinel-6A 于2020年11 月發(fā)射，Sentinel-6B 預(yù)計(jì)2025 年發(fā)射。

2.貢獻(xiàn)任務(wù)

哥白尼計(jì)劃除了專用的哨兵衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)外，還有哥白尼貢獻(xiàn)任務(wù)，超過30 顆貢獻(xiàn)任務(wù)衛(wèi)星提供補(bǔ)充數(shù)據(jù)，同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，以確保滿足一系列觀測要求。

貢獻(xiàn)任務(wù)包括來自歐盟成員國及哥白尼計(jì)劃參與國的商業(yè)任務(wù)運(yùn)營商、商業(yè)超高分辨率（VHR）光學(xué)和雷達(dá)任務(wù)運(yùn)營商、新興的歐洲任務(wù)運(yùn)營商，這些運(yùn)營商將其部分?jǐn)?shù)據(jù)提供給哥白尼計(jì)劃。貢獻(xiàn)任務(wù)活動(dòng)的重點(diǎn)是及時(shí)提供超高分辨率的光學(xué)和雷達(dá)數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)源類型正在逐步擴(kuò)大，還包括其他新興的商業(yè)數(shù)據(jù)（如熱紅外、高光譜和大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)），以滿足不斷變化的用戶需求。圖2 是哥白尼計(jì)劃貢獻(xiàn)任務(wù)衛(wèi)星概覽圖，其中有中國的商業(yè)衛(wèi)星高景一號(hào)（Superview-1）。

圖2 哥白尼計(jì)劃貢獻(xiàn)任務(wù)衛(wèi)星概覽圖（來自ESA）

三、數(shù)據(jù)和信息服務(wù)

哥白尼計(jì)劃的數(shù)據(jù)和信息是通過一組服務(wù)提供給用戶，大多數(shù)用戶可在線獲取。哥白尼計(jì)劃目前每天可提供16TB 的數(shù)據(jù)，是世界上最大的空間數(shù)據(jù)提供商。哥白尼計(jì)劃的數(shù)據(jù)和信息主要通過以下兩種方式對外提供服務(wù)：一是哥白尼數(shù)據(jù)空間生態(tài)系統(tǒng)，主要提供對地觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品，也提供基于數(shù)據(jù)衍生的信息；二是哥白尼服務(wù)，面向6 大應(yīng)用領(lǐng)域提供專業(yè)信息服務(wù)，包括土地、海洋、大氣、應(yīng)急、安全和氣候變化。

1.哥白尼數(shù)據(jù)空間生態(tài)系統(tǒng)（Copernicus Data Space Ecosystem）

用戶可使用瀏覽器或API 接口通過該生態(tài)系統(tǒng)（2023 年1 月啟用）瀏覽和訪問來自哥白尼哨兵衛(wèi)星的大量開放和免費(fèi)的對地觀測數(shù)據(jù)，包括最新和存檔的哨兵圖像；此外用戶也可以通過歐盟委員會(huì)資助的5 個(gè)基于云的平臺(tái)（也被稱為哥白尼數(shù)據(jù)和信息訪問服務(wù)，DIAS）獲取哨兵數(shù)據(jù)；哥白尼數(shù)據(jù)空間生態(tài)系統(tǒng)提供一系列工具支持用戶訪問、查看、使用、下載和分析數(shù)據(jù)。

哥白尼數(shù)據(jù)空間生態(tài)系統(tǒng)特色主要有：1）全球最大的對地觀測數(shù)據(jù)提供者，提供對地觀測數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)和下載能力；2）提供一系列數(shù)據(jù)處理工具，從對地觀測數(shù)據(jù)中提取客觀信息并進(jìn)行公共、私人或商業(yè)活動(dòng)；3）繁榮的生態(tài)系統(tǒng)，提供來自公共、商業(yè)和科學(xué)服務(wù)供應(yīng)商的數(shù)據(jù)、服務(wù)和應(yīng)用；4）一個(gè)可惠及機(jī)構(gòu)用戶、科研、商業(yè)部門以及地球上的每個(gè)公民的服務(wù)。

2.哥白尼服務(wù)（Copernicus Service）

哥白尼服務(wù)提供的信息是通用的、標(biāo)準(zhǔn)化、多用途信息，其中許多是在國家或地區(qū)層面實(shí)施的，旨在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性。哥白尼服務(wù)的領(lǐng)域?yàn)槿缦? 個(gè)方面。

（1）土地（Land）

哥白尼土地監(jiān)測服務(wù)（CLMS）向歐洲和世界各地的廣大用戶提供有關(guān)土地覆蓋及其變化、土地利用、植被狀態(tài)、地表水循環(huán)和能量平衡的地理信息，支持在空間和城市規(guī)劃、森林和水資源管理、農(nóng)業(yè)和糧食安全、自然保護(hù)和恢復(fù)、農(nóng)村發(fā)展等方面的應(yīng)用。

（2）海洋（Marine）

哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務(wù)（CMEMS）為全球和歐洲區(qū)域海洋提供關(guān)于海洋和海洋生態(tài)系統(tǒng)的物理和生物地球化學(xué)狀態(tài)、可變性及動(dòng)態(tài)的定期和系統(tǒng)的參考信息，支持海洋資源、沿海及海洋環(huán)境和以安全為目標(biāo)的海洋應(yīng)用等。

（3）大氣（Atmosphere）

哥白尼大氣監(jiān)測服務(wù)（CAMS）提供關(guān)于地球大氣成分的連續(xù)數(shù)據(jù)和信息，支持健康、環(huán)境監(jiān)測、可再生能源、氣象學(xué)和氣候?qū)W等領(lǐng)域應(yīng)用。

（4）應(yīng)急（Emergency）

哥白尼應(yīng)急管理服務(wù)（Copernicus EMS）為參與自然災(zāi)害、人為緊急情況和人道主義危機(jī)管理的所有參與者提供及時(shí)準(zhǔn)確的地理空間信息。

（5）氣候變化（Climate Change）

哥白尼氣候變化服務(wù)（C3S）通過提供有關(guān)歐洲和世界其他地區(qū)過去、現(xiàn)在和未來氣候的權(quán)威信息來支持社會(huì)。

（6）安全（Security）

哥白尼安全應(yīng)用服務(wù)（CSS）旨在通過提供應(yīng)對歐洲安全挑戰(zhàn)的信息來支持歐盟政策，它改進(jìn)了三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的危機(jī)預(yù)防、準(zhǔn)備和應(yīng)對：邊境監(jiān)視、海上監(jiān)視和對歐盟外部行動(dòng)的支持。

圖3 為哥白尼土地監(jiān)測服務(wù)中，瑞典某地作物總生產(chǎn)力年度比較。

值得注意的是，哥白尼計(jì)劃的數(shù)據(jù)和信息服務(wù)是免費(fèi)的，哥白尼計(jì)劃生成的數(shù)據(jù)和信息（即哨兵任務(wù)數(shù)據(jù)和哥白尼服務(wù)信息），對用于商業(yè)或非商業(yè)目的的使用、復(fù)制和再分配，都沒有限制。機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司以滿足特定用戶需求為目標(biāo)，使用哥白尼數(shù)據(jù)和信息開發(fā)的增值服務(wù)，可以免費(fèi)或收費(fèi)。

四、成果和未來發(fā)展

2023 年是哥白尼計(jì)劃25 周年，哥白尼計(jì)劃已經(jīng)成為世界領(lǐng)先的地球觀測計(jì)劃，提供高質(zhì)量和及時(shí)的數(shù)據(jù)，幫助應(yīng)對關(guān)鍵的全球挑戰(zhàn)。截至2023 年6 月，哥白尼計(jì)劃有70.5 萬名全球注冊用戶，已發(fā)布6240 萬用戶級別產(chǎn)品，被下載了550PB 的數(shù)據(jù)。從2014 年開始，Sentinel-1、Sentinel-2、Sentinel-3 和Sentinel-5P 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品面向全球完全免費(fèi)和公開。

當(dāng)前的哨兵任務(wù)（Sentinel-1/2/3/4/5/6）是哥白尼計(jì)劃的核心,將補(bǔ)充發(fā)射Sentinel-1/2；為解決歐盟政策和哥白尼用戶需求方面的差距，提高哨兵衛(wèi)星的當(dāng)前能力，準(zhǔn)備研制第二代哥白尼（哥白尼2.0），ESA 目前正在研究6 個(gè)高優(yōu)先級候選擴(kuò)展任務(wù)：1）Sentinel-7（CO2M）：哥白尼人為二氧化碳監(jiān)測；2）Sentinel-8（LSTM）：哥白尼地表溫度監(jiān)測；3）Sentinel-9（CRISTAL）：哥白尼極地冰雪地形高度計(jì)；4）Sentinel-10（CHIME）：哥白尼環(huán)境監(jiān)測高光譜成像任務(wù)；5）Sentinel-11（CIMR）：哥白尼成像微波輻射計(jì)；6）Sentinel-12（ROSE-L）：哥白尼L 波段合成孔徑雷達(dá)。

五、總結(jié)

哥白尼計(jì)劃從服務(wù)用戶，支撐歐洲環(huán)境管理和安全需要出發(fā)，圍繞應(yīng)用需求，建立對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，結(jié)合地面、海洋和空中的現(xiàn)場測量，不僅提供類型多樣的全球?qū)Φ赜^測數(shù)據(jù)，還提供重點(diǎn)領(lǐng)域的信息服務(wù)，該計(jì)劃提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品和信息服務(wù)遵循完全開放和免費(fèi)的理念，而且產(chǎn)品級別從初級產(chǎn)品、高級產(chǎn)品到信息產(chǎn)品，滿足不同層次用戶的需要，廣受世界各地用戶的歡迎。

哥白尼計(jì)劃是雄心勃勃的對地觀測計(jì)劃，從當(dāng)前的成效來看也是造福全球具有世界影響力的對地觀測計(jì)劃。哥白尼計(jì)劃在使命愿景、數(shù)據(jù)產(chǎn)品、全球共享分發(fā)、信息應(yīng)用服務(wù)，推動(dòng)地球系統(tǒng)科學(xué)研究和遙感產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面值得學(xué)習(xí)和借鑒。