我国新一代海洋水色观测卫星的跨越发展之路
leejiafu
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2024-1-24 22:15
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分类专栏：海洋科普
11月16日，我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭，成功将新一代海洋水色观测卫星科研星发射升空。卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功，标志我国海洋水色系列卫星正式升级到第二代观测体系。海洋水 ...
11月16日，我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭，成功将新一代海洋水色观测卫星科研星发射升空。卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功，标志我国海洋水色系列卫星正式升级到第二代观测体系。海洋水色系列卫星是以可见光和红外成像观测为手段的海洋遥感卫星，主要用于海洋水色、水温、海岸带观测。新一代海洋水色卫星科研星是继我国2002年、2007年陆续发射海洋水色科研试验卫星（HY-1A/B）和水色观测业务卫星（HY-1C/D）之后，我国第5颗海洋水色卫星，是具有全球观测能力的卫星。我国海洋水色遥感卫星从无到有，至今已走过20多年历程，实现了我国卫星海洋遥感的跨越式发展，走出了具有中国特色的倚天瞰海之路。
新一代海洋水色观测卫星发射现场。
2002年5月15日，我国自行研制的HY-1A卫星成功发射，结束了我国没有海洋卫星的历史，在国内外产生重大影响，极大地推动了海洋立体监测体系和空间对地观测体系的发展。2007年4月11日，HY-1B卫星发射，实现了由试验型卫星向业务服务型卫星的转化。海洋水色观测卫星数据在水质监测、海域使用动态监视监测、海洋生态区监测、海洋渔业资源调查、浒苔监测、极地科考、海温和海冰预报等应用方面已取得了长足的进步，特别是在近海海洋环境综合调查与评价中，通过充分利用卫星遥感技术实现了对海岸带、海岛的综合调查，使海洋卫星遥感的应用成果获得了重要的社会经济效益。我国在2012年、2013年分别提出了《陆海观测卫星业务发展规划》和《国家民用空间基础设施中长期发展规划》，计划发射2颗新一代海洋水色观测卫星，其中一颗作为科研星，另一颗作为业务星。双星上、下午组网运行，要求突破海洋水色水温扫描仪旋转光学系统及扫描成像技术瓶颈，扩展观测谱段，提高海洋水色观测精度，进一步增强我国海洋水色遥感业务化、连续化能力，提升我国海洋遥感发展水平。自然资源部是新一代海洋水色观测卫星的牵头用户部门，主用户部门包括生态环境部、交通运输部、中国气象局等，分别负责各自应用系统建设和运行；国家航天局负责新一代海洋水色观测卫星工程组织管理、重大事项组织协调和发射许可审批；自然资源部国家卫星海洋应用中心（以下简称海洋卫星中心）负责地面系统建设、运行以及海洋应用；中国航天科技集团航天东方红卫星有限公司和中国运载火箭技术研究院分别负责卫星系统和运载火箭系统抓总研制。2014年9月，新一代海洋水色观测卫星作为国家民用空间基础设施中长期发展规划首批启动的科研星项目之一，完成了先期攻关阶段立项评估工作。研制新一代海洋水色观测卫星的背后，面临多项技术难点。为提高新一代海洋水色观测卫星的在轨寿命，需要保证转动机构的高可靠性，但仅载荷就有多套转动机构。以海洋水色水温扫描仪为例，既要保证所有的转动机构在运行时不会相互干扰，还要考虑红外成像的制冷问题。卫星研制团队组织专家针对转动部件和制冷机开展了生产过程专项复查，对相关单机的寿命试验情况进行了专项检查，并对相关加速试验方案的拆解方案进行了多次评审。最终，研制团队对历次审查中专家提出的16大项目共148个问题和意见进行了详细书面答复并完成问题闭环。
新一代海洋水色观测卫星效果图
在人们眼中，海洋主要是蓝色的。然而，真正的水色可能包含了从可见到近红外甚至短波红外等更微妙的波长混合。海洋水色卫星可以捕捉到人眼无法分辨的水色差异，科学家可根据海洋水色卫星从太空中监测到的由海洋表面反射的阳光波长，作进一步的科学研究，这对于了解海洋、保护海洋有着重要意义。新一代海洋水色观测卫星科研星是我国空间基础设施规划首批启动的科研卫星，同时也是一颗具有宽覆盖能力、多谱段探测能力、高光谱分辨率的新型海洋水色光学卫星。该卫星从提升天地一体化水平入手，瞄准国际海洋观测领域前沿，确定了整星工程目标、载荷配置和主要技术指标。卫星配置了新一代望远系统整体旋转式水色水温扫描仪，具备在轨谱段可编程能力的中分可编程成像光谱仪以及分辨率更高的新型海岸带成像仪，是一颗指标全新定义、设计升级换代、功能全面提升的海洋水色专用遥感卫星。作为新一代陆海界“观测手”，新一代海洋水色观测卫星科研星搭载的海岸带成像仪，能够提高陆海边界区域各种观测要素的观测精度。其中，海岸带成像仪拥有9个谱段，用1个全色谱段和8个多光谱谱段同时守望蓝色海域，能够将海岸带区域的陆地和浅海目标“看”得一清二楚。此外，它对杂散光的抑制能力好，观测的景物亮暗动态范围大，因此，海洋水色、陆地生态、极地冰川等各种目标都可以“看”得明明白白，可谓“独具慧眼”。该卫星还搭载了可360度旋转扫描的水色水温扫描仪，首次采用了望远镜整体旋转的扫描成像技术，实现对地球、太阳、深空的360度全景“看”，进而用这些观测数据来更好地标定对地成像的精准度，确保8年在轨寿命期内数据稳定。此外，水色水温扫描仪5秒即能“看”遍大半个中国，其采用的大像元探测技术能适应不同明暗光线，强光、弱光下均可拍摄高清图像，还能同时探测18个谱段，观察海水的不同颜色和热辐射，赤潮、绿潮、悬浮泥沙、海表温度等都可“尽收眼底”。新一代海洋水色水温扫描仪的空间分辨率较上一代提升了1倍，谱段数量、偏振灵敏度抑制水平提高了近1倍，杂光抑制水平则提高近3倍，综合性能位居世界前列。新一代海洋水色观测卫星科研星将与在轨运行的 HY-1C/D卫星相互配合。C星采用上午降轨成像，D星则采用下午升轨成像，两星组成了我国首个海洋民用业务卫星星座，具备全球水色水温探测覆盖能力。新一代卫星的加入，则进一步提高了重访能力。新一代海洋水色观测卫星科研星为我国第40次南极考察保驾护航。公开资料显示，海洋卫星中心对“雪龙”号船载系统进行了软硬件设备升级改造。改造后的“雪龙”号具备接收处理新一代海洋水色观测卫星等卫星数据的能力，这将极大提升“雪龙”号在极地冰区航行的保障水平。海洋水色卫星可为我国主要航道、海上热点地区、重要港口等提供及时的遥感信息服务，并为海洋环境监测与保护、渔业资源合理开发与利用、河口海湾与航道监测和治理、海洋污染监测和防治、海岸带资源调查和开发以及海洋科技研究、全球变化研究等领域提供重要的数据信息。新一代海洋水色观测卫星科研星水色遥感产品种类更加全面、丰富。卫星可输出40余个不同水色遥感波段，全面覆盖了从紫外到中长波红外所有水色遥感相关波段，并增加了荧光高度、分裂窗及多种大气校正波段；具备在轨谱段编程能力，可获取全球海洋水体连续光谱信息，同时还可获得大气、植被、污染物等数据产品；探测领域可覆盖全球各类水体目标，服务用户从单一海洋用户拓展到自然资源、环保、大气、交通等多用户，产品应用广度和深度跨越式提升。水色遥感产品的质量和数据获取能力成倍提升。新一代海洋水色观测卫星科研星采用了多项全新的载荷设计技术，卫星的信噪比、偏振灵敏度、杂光抑制、动态范围等海洋探测的关键指标大幅提升，同时首次具备了在轨全光路太阳定标功能，使产品质量达到了国际先进水平。同时，探测能力大幅提升，载荷数据下传量是 HY－1B卫星的100倍，HY-1C/D卫星的8倍，使我国水色遥感信息获取能力跨越式提升。综合技术指标同步国际水平。新一代海洋水色观测卫星科研星在谱段配置、光谱范围与光谱分辨率、在轨定标精度等方面与美国国家极轨业务环境卫星系统、哨兵-3等卫星指标相当，卫星综合应用能力优于国际同类卫星。当前，HY-1C/D卫星的水平已经达到了国外第二代卫星的水平，而新一代海洋水色观测卫星科研星则与国际第三代水色卫星水平相当。虽然起步晚，但我国在海洋观测卫星领域已经实现了“并跑”，有些领域已经达到了领先水平。新一代海洋水色观测卫星科研星只是更高的起点。下一步，海洋卫星中心将紧紧围绕自然资源调查监测、国土空间规划、海洋防灾减灾、海洋经济发展、海洋督察等业务需求，进一步构建完善技术支撑体系，进一步强化遥感监测产品服务，基于国产自主海洋卫星数据，用好其他卫星数据资料，持续深化海洋卫星遥感业务化应用，切实发挥好海洋卫星对自然资源业务的支撑作用。海洋卫星中心党委书记、主任林明森介绍新一代海洋水色观测卫星。
2002年5月15日，山西太原卫星发射中心轰鸣声响彻云天，HY-1A卫星搭乘长征四号乙运载火箭发射升空。自此，我国填补了海洋卫星领域的空白，实现了我国海洋卫星“零”的突破，也开启了 HY-1卫星系列发展的新纪元。 HY-1A卫星是我国自主研发的第一代海洋水色卫星，星上装载有海洋水色水温扫描仪和海岸带成像仪，主要用于海洋水色、水温环境要素探测，为我国海洋生物资源开发利用、河口港湾的建设和治理、海洋污染监测和防治、海岸带资源调查和开发以及全球环境变化研究等领域服务。 HY-1A卫星的成功发射使我国跻身于世界海洋空间观测强国之列。在轨运行期间，HY-1A卫星获取了大量水色遥感探测数据，探测范围覆盖了全球海域，在我国海洋权益维护、海洋资源开发、海洋环境监测、海洋灾害预报等方面发挥了重要作用。2012年，HY-1A卫星星地一体化系统及其应用项目获得年度海洋工程科学技术奖特等奖。
2007年4月11日，我国第二颗海洋水色卫星——HY-1B卫星搭乘长征二号丙运载火箭成功发射。HY-1B卫星星上载荷同样为海洋水色水温扫描仪和海岸带成像仪。与 HY-1A卫星相比，B卫星的观测能力和探测精度得到了进一步提高。 此外，研制团队结合国内最先进的卫星工程研制经验，专门针对 HY-1B卫星开展了可靠性提升，首次采用最低功耗模式进行设计，并采用了国内独有的、专为小卫星设计的太阳帆板驱动机构，有效提高了卫星在轨设计寿命，同时最大程度地保证了 HY-1B卫星在轨运行的稳定与可靠。HY-1B卫星设计寿命由 A卫星的两年提高为三年，而其实际在轨寿命达到了9年零10个月，成为我国小卫星领域有名的“寿星”。
2018年9月7日，第三颗海洋水色卫星——HY-1C卫星成功升空，拉开了我国民用空间基础设施中长期发展规划海洋业务卫星的序幕。 HY-1C海洋水色水温扫描仪1天时间就能覆盖全球所有区域随着 HY-1A/B卫星的退役，HY-1C卫星承担起我国海洋水色观测的使命。C卫星搭载了海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪、紫外成像仪、星上定标光谱仪、船舶自动识别系统等5大载荷，可实现对全球海洋水色的长期、连续、稳定探测，并支撑海洋环境信息保障、海洋预报减灾、海岛海岸带动态监测与海域使用管理、全球变化数据服务等业务。 自成功发射以来，HY-1C卫星在远洋渔业（巴布亚新几内亚金枪鱼渔场）海域水色、水温监测，黄东海浒苔覆盖面积、分布范围及漂移方向实时监测，海冰、赤潮、溢油、森林火灾、围填海监测，可可西里盐湖的封冻结冰监测中都作出了突出贡献。此外，2019年8月，HY-1C卫星为我国第10次北极科学考察任务提供了海冰密集度、海冰分布范围和海冰覆盖面积等观测数据，该卫星出色的极地航线服务保障能力为此次北极科考顺利进行提供了高效环境信息。
2020年6月11日，HY-1D卫星踏上征程。 HY-1D卫星和 HY-1C卫星组成我国首个海洋民用业务卫星星座。D卫星与 C卫星成功组网后，将实现双星上、下午组网观测，填补中国海洋水色卫星下午无观测数据的空白。双星组网每天可获取两幅全球海洋水色水温遥感图，大幅提高对全球海洋水色、海岸带资源与生态环境的有效观测能力。双星组网可使每天观测频次与获取的观测数据提高一倍：上午被太阳耀斑影响的海域，下午观测能避开耀斑影响；上午被云层覆盖的观测海域和未被观测的区域，下午有机会得到弥补。双星组网观测也标志着中国跻身国际海洋水色遥感领域前列。 此外，HY-1D卫星上配置5个载荷，其中海洋水色水温扫描仪可用于探测全球海洋水色要素和海面温度场，海岸带成像仪可用于获取海岸带、江河湖泊生态环境信息，紫外成像仪可用于近岸高浑浊水体大气校正精度，定标光谱仪可用于监测水色水温扫描仪可见光近红外谱段和紫外成像仪在轨辐射稳定性，船舶自动识别系统可用于获取大洋船舶位置信息。 
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