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蓝色国土的“守望者”——“海洋二号”卫星技术创新和应用成果回眸

时间:2015年06月09日 信息来源:《中国航天》2015第4期 点击: 【字体:




2014年8月,设计寿命为3年的我国“海洋二号”卫星迎来在轨稳定运行三周年。目前,该卫星仍然在稳定运行。3年多来,该卫星与“海洋一号”卫星相互配合,分别以微波、光学两种观测手段,进行海洋动力环境监测与海洋资源探测,构成了空间立体监测系统,进一步完善了我国海洋立体监测体系,大幅提升了我国对地观测卫星的调查和监测能力,在服务国民经济建设中发挥着重要作用。这标志着我国海洋卫星研制技术实现了新跨越, “海洋”系列卫星体系初步形成。


一、全方位开展技术创新,“海上神眼”树丰碑


3年多时间的在轨稳定运行,验证了“海洋二号”卫星研制中的多项技术创新成果,标志着我国海洋卫星观测精度、测定轨精度和星地激光高速数据传输等都达到国际先进水平。这些成果提升了我国卫星的研制能力和水平,彰显了我国卫星关键核心部件自主研发能力,促进了我国卫星研制生产信息化水平的提升。

“海洋二号”是由中国空间技术研究院抓总研制的我国首颗获取海洋动力环境信息的对地遥感卫星,它的研制难度之大、复杂程度之高都是前所未有的。在研制过程中,科技人员始终坚持自主创新,突破了高精度有效载荷、精密测定轨等关键技术,在多个技术领域填补了国内空白并达到国际先进水平,创造了我国卫星研制的多项第一,实现了我国卫星研制技术的新跨越。



    国际上唯一的全天候、全天时天基综合数据获取卫星


“海洋二号”装载了雷达高度计、微波散射计、微波辐射计和校正辐射计等多种主、被动新型微波遥感载荷,是目前国际上唯一一颗可全天候、全天时同步获取全球海面高度、有效波高、海面风场、海面风速、海面温度、大气水气含量、云中液水含量等多种遥感数据的卫星,其综合观测能力和性能指标达到了国际先进水平。该卫星每天可观测全球近90%区域的海面风场,捕捉全球海上风暴,并确定强度、位置和结构,是目前世界上在轨运行的重要海洋微波遥感综合观测卫星,其观测数据有效地弥补了国际上同类微波遥感卫星数据的不足,不仅开创了我国卫星遥感新领域,而且在全球对地观测体系中发挥了重要作用。


    首次实现国产卫星高精度测定轨技术的新跨越


“海洋二号”是我国首颗有精密定轨要求的卫星。由于用户对该卫星有重力场、大地水准面测量等任务需求,为实现这个任务要求,需要准确获取卫星轨道参数才能满足高精度雷达高度计测量,这对卫星及数据处理提出了更多的要求。为此,“海洋二号”通过星上激光
角反射器等多种高精度的定轨设备,与地面先进的测定轨方法和技术相结合,满足了用户的要求,从而实现了我国测定轨技术的新跨越,同时也表明我国卫星测定轨精度达到了国际先进水平。


    首次实现星地双向激光通信


该卫星在轨工作期间,成功地完成了与地面激光通信终端之间的星地激光通信试验,这是国际上首次成功地实施低轨卫星与地面站之间“星地、地星双向激光通信”。根据这一试验,该卫星可获得我国卫星光通信系统在轨空间运行状态参数,以及光在大气中远距离传输分布的数据采集分析;空间背景光噪声测试数据采集和存储分析;光束到达角起伏漂移测试数据采集存储分析等。星地双向激光通信试验成功突破了我国卫星高速数传技术的瓶颈,成为我国卫星高速动态实时激光通信技术发展的一个里程碑。


    创造了目前国内卫星大扰动下高精度姿态控制姿态稳定度最高的记录


该卫星配置了两个旋转载荷,其旋转部分占整星重量的10%,通过对星上各挠性部件的频率控制、旋转载荷转动稳定性及静动平衡的控制,并采用全新的整星动量管理技术,在轨实现了旋转载荷不问断工作情况下的高精度姿态控制,使该卫星成为目前国内姿态稳定度最高的卫星,确保了各综合观测的微波遥感载荷及激光通信的在轨稳定工作,为各载荷的测量精度、精密定轨及星地激光通信试验的成功实施奠定了基础。


    平台产品百分之百“国产货”,打破了我国平台产品受制于人的局面


该卫星实现了平台产品全部自主研制,特别是新一代星敏感器、三浮陀螺和X波段行波管放大器等关键设备首次在星上应用,且运行稳定,各项技术达到或优于国外同类产品,从而打破了我国卫星平台产品受制于人的局面,为后续卫星设计提供了备选产品,有力地促进了产品创新和研制能力的提升。


    首次全面采用航天器数字集成技术,促进了我国卫星研制信息化水平的提升


该卫星在研制过程中,着力推进卫星平台标准化、通用化设计工作。首次全面采用航天器数字集成设计系统,搭建了卫星数字化总体设计应用平台,实现了卫星设计、生产、试验协同工作,大大缩短了研制生产周期,有效地促进了我国卫星研制生产信息化水平的提升。

此外, “海洋二号”卫星还首次突破了大型非对称高精度动静平衡控制技术;在整星电磁兼容的设计、控制和试验技术上取得重大突破,是目前国内天线最多的卫星⋯⋯一个个技术突破,一项项自主创新,成就了中国空间技术发展史上的又一杰作。



二、多领域服务海洋事业,“大洋神探”显神通


 

“海洋二号”卫星是一颗海洋动力环境卫星,也是世界上第一颗集散射计、辐射计、高度计等微波主、被动观测载荷于一体,可同时测量海面高度、海温、风速、波高的卫星。比如,通过卫星携带的雷达高度计、微波校正计、微波散射计、微波辐射计等有效载荷,可以探测海洋的海面风场、温度场、海面高度、浪场、流场等,从而获取全球海洋风矢量场和表面风应力数据及全球高分辨率大洋环流、海洋大地水准面、重力场和极地冰盖数据;利用卫星携带的遥感器可以确定海面高度;用多辐射通道、被动式微波技术测量海面微波辐射亮度温度,得到海面温度、反演风速等等。

“海洋二号”微波散射计覆盖从南纬88度至北纬88度的区域,雷达高度计可提供极地航线上西风带的大风速和浪高信息,可以为极地航行保驾护航; “海洋二号”雷达高度计和扫描微波辐射计能够识别出大洋中的锋面和中尺度涡,可以用来探测大洋渔场,为大洋捕鱼提供气象保障;“海洋二号”可以提供波高、海面高度等数据,可以为海上环境的保障和海洋学的研究提供重要的海洋动力环境信息⋯⋯。

该卫星具有确定海上风暴的强度、位置、方向和结构的能力,每天可以观测全球90%的区域,几乎可以捕捉到全球海域的所有气旋,
是目前在轨运行的唯一具有这一能力的海洋微波遥感卫星。

卫星扫描辐射计获取的西北太平洋海面温度数据于201 1年11月26日正式纳入国家海洋环境预报中心对外发布海洋环境信息的海洋环境预报系统中,每周通过CCTV一13频道对外发布。微波散射计获取的西北太平洋风场数据、雷达高度计测量的浪高和风速数据,已经加入到预报系统中对外发布。

3年多来, “海洋二号”作为多用途的卫星,所获得的高精度的数据产品已在海洋防灾减灾、海洋环境预报、基地航线保障、大洋渔业、海洋调查与资源开发、海洋军事保障、海洋科学及应用研究和国际合作等领域发挥了重要作用,极大地提升了我国海洋监管、海权维护和海洋科研的能力,标志着我国海洋卫星向着系列化及业务化的方向迈出了一大步,取得了显著的社会效益和经济效益。


    发现海洋灾害的“千里眼”


我国地处太平洋西岸,风暴潮、巨浪等海洋灾害十分严重,每年造成的经济损失为数十亿元,严重年份高达上百亿元。而“海洋二号”可以经济、方便地对大面积海域实现实时、同步、连续的风和浪的监测,提高海洋环境与灾害监测的预报和预警能力。

台风是世界上最严重的自然灾害之一,能够使沿海设施和百姓的生命财产受到极大的损害,而我国东南沿海是台风的重灾区和多发区。“海洋二号”可以同时获取海面风场、海面温度、海面高度等海洋动力环境参数,其中海面风场观测具有大尺度、全天时、全球观测的特点,一天可以覆盖全球90%以上的海域面积。此外,通过星上微波散射计和雷达高度计,能够及时监测到台风及其位置、方向、结构和移动路径、速度等要素,提高对台风风场和路径监测的准确性,大幅提高台风引起的风暴潮和海浪灾害的监测和预报水平,是应对台风灾害直接有效的监测手段。

2011年第20号热带风暴“榕树”于北京时间10月11日14时在菲律宾以东洋面生成, “海洋二号”过境时间为北京时间10月11日17时30
分,在第一时间捕捉到了该台风的位置及形态特征。

从2011年10月1日全部载荷开始工作起,“海洋二号”卫星已经陆续观测到39多来登陆西北太平洋的全部台风,取得了第一手的实况资
料和信息,为应对和防范台风等灾害发挥了重要作用。其中,2012年汛期监测到全部25次影响我国的台风,2013年汛期监测到全部31次影响我国的台风。此外,因其具有全球观测能力, “海洋二号”卫星也为国际上几次重大灾害提供了有力的数据支持。卫星数据产品已经在海洋预报单位和防灾管理部门投入了业务化应用。

在积极应对台风灾害的同时, “海洋二号”在海啸监测中也发挥了重要作用,为海啸监测预警提供了有力的数据支持。以印度尼西亚地震前后全球海域有效波高监测为例,2012年4月11日16时38分,印尼苏门答腊北部附近海域发生里氏8.5级地震。地震发生后, “海洋二号”卫星迅速利用数据对地震前后全球海域有效波高分布进行了监测分析和对比,表明地震前后全球范围内,特别是最有可能引发海啸的印度洋海域有效波高变化不超过1米,因此海啸预警取消。


    探测海洋环境的“预报员”


“海洋二号”可以通过全天候、全天时对全球海域进行连续观测,获取海表温度、海面风场、海面高度和有效波高等数据,向各级海洋预报部门进行实时分发,用作海洋预报部门的数值预报初始场资料。据初步统计,通过“海洋二号”数据的应用,已有效提高预报精度近10%。自2011年11月17日开始,卫星西北太平洋海域逐日海面温度产品纳入海洋环境预报系统,每周通过中央电视台新闻频道对外发布。此外,还为国家海洋环境预报中心每日提供当天过境的卫星海面风场、有效波高的数据及专题图用于台风风暴潮预报。

该卫星数据产品还可以用于对海洋环境的业务化监测。“海洋二号”高度计空间覆盖率高、覆盖面积大,用来分析大尺度海平面变化具有独特的优势。卫星获取的全球和我国近海高精度、大面积和高分辨率的潮汐变化信息,为潮汐预报、海平面监测业务工作提供了基础数据支撑,弥补了验潮站空间覆盖率低的缺陷,对扩大潮汐预报范围、改善海上潮汐预报精度、提高防灾减灾保障能力有着重要的意义;卫星携带的高度计获取的数据产品在大洋环流的监测中起着十分重要的作用,已在法国国家空间研究中心的多任务业务产品中得到应用。


    海洋渔业资源开发的“助推器”


“海洋二号”卫星获取的数据产品可以助力海洋渔业资源的开发利用。我国是一个海洋大国,海洋在我国社会经济和国防建设中的战略地位极为重要,海岸带的承载力和资源的可持续发展问题变得越来越突出。到目前为止,我国的40多个近海渔场,由于过度捕捞,衰竭现象十分严重。“海洋二号”可提供全球范围的海面温度、海面风场、海面高度、海流、中尺度涡等海洋动力环境信息,对渔场资源潜力做出科学估算,进行大洋渔场的环境监测,判别大洋渔场的分布和季节性变化,为制定渔业政策提供依据。同时,利用卫星数据制作的全球重点渔场::环境、渔情信息、渔场概率预报等产品,可以为大洋渔业提供渔场环境预报和渔情信息保障,解决了我国远洋渔业生产中渔场环境与渔情不明的“瓶颈”问题,提高了我国远洋渔业的综合效益,促进了我国远洋渔业的可持续发展。


    海洋军事和科考活动的“保护神”


“海洋二号”可以在保障海上军事活动中发挥重要作用。该卫星获取的海洋动力环境数据具有极高的军事应用价值,为海上军事环境保障和军事海洋学研究提供了重要的海洋动力环境信息。比如,“海洋二号”为“远望号”测量船提供了海洋环境信息保障,确保了交会对接任务期间海上测控任务的顺利完成;卫星的数据产品在亚丁湾护航、东海军演、黄岩岛巡航、钓鱼岛巡航等多次军事活动和海洋维权行动中发挥作用,为任务的圆满完成做出了重要贡献。

该卫星还为南极科考提供了重要支撑。南极科考途中,工作人员需要穿越西风带,这个区域常年盛行西风,气旋一个接着一个,以往主要依靠卫三星云图提供相关信息,从某种程度上说,科考船穿越西风带多靠运气。而“海洋二号”获得的数据产品可以覆盖南北纬82度以内的全部区域,海面风场产品可覆盖至南北纬88度,其提供的西风带的大风速和浪高信息,可以为科考航行提供支持,在极地航线保障方面发挥了重要作用。,在极地航线保障方面发挥了重要作用。


    国际交流与合作应用广泛


“海洋二号”是目前世界上最主要的一颗在轨运行的综合性海洋动力环境卫星,备受相关国家和国际组织的关注。我国有关部门已与法国国家空间研究中心建立了数据交换链路,并与澳大利亚气象局开展了合作。2012年8月,国家海洋局与欧洲气象卫星应用组织签订了关于海洋卫星数据应用与交换合作的谅解备忘录。在此基础上,双方在数据共享、数据处理、定标检验等方面展开合作,并已开展了数据交换工作,中方提供了“海洋二号”的微波散射计和雷达高度计数据。此外, “海洋二号”高度计产品已应用于法国国家空间研究中心的业务高度计多任务系统AVISO中,散射计产品已被欧洲气象卫星应用组织用于中期数值同化预报业务中,也在美国国家海洋与大气管理局(NOAA)对台风“桑迪”的监测中发挥了重要作用。“海洋二号”资料产品已在国际海洋业务应用系统中业务化运行,经过评价,其产品质量达到了国际同类产品的先进水平。



三、建设海洋强国,海洋卫星在呼唤


海洋卫星的发展历史可以追溯到1962年。迄今为止,国际上已先后发射了10多个系列的数十颗海洋观测卫星。今天,发达国家对海洋卫星资料的应用,领域不断拓展、技术日趋提高,已经从定性向定量、从试验性应用向业务应用方向发展,进入了对海洋卫星资料的全面应用阶段。海洋卫星在推动经济发展、维护海洋权益、海洋环境保护和保证军事行动等方面,发挥了十分重要的作用。

2002年5月1 5日,我国第一颗海洋卫星“海洋一号”A星成功发射,结束了我国没有海洋卫星的历史,标志着我国海洋卫星遥感与应用技术迈入了一个崭新阶段。2007年4月11日,我国第二颗海洋卫星“海洋一号”B星发射成功。其成功发射和应用,使我国的卫星海洋水色遥感业务得以持续保持。国家海洋局利用“海洋一号”B星遥感数据,在海洋生物资源调查、海洋环境监测等领域开展了广泛应用,取得了可喜的成果。

截至目前,我国已发射3颗海洋卫星,其中2颗是“海洋一号”系列卫星,1颗是“海洋二号”系列卫星。与发达国家相比,我国的海洋卫星还处于起步阶段。我国海洋卫星的设计寿命与欧、美一些国家相比也有较大差距,而且也无法做到像欧、美等发达国家的连续发射,对海洋进行长时间、不间断的观测。从卫星的型谱化发展上看,我国的海洋卫星还仅有海洋水色和海洋动力环境卫星两个系列,专用海洋雷达卫星系列尚未建立,难以适应在恶劣海况下对海上溢油等灾害应急、海洋权益维护、海域和海岛监管等监测的需求。这些差距都意味着我国的海洋卫星事业发展依然任重而道远。特别是,为适应我国东海、南海海洋权益保护和海上斗争的需要,维护我国海洋国土安全,更加呼唤着加快我国海洋卫星的发展。

为实施海洋强国战略,推动我国海洋事业的发展,促进国民经济建设,我国政府确定了发展我国海洋卫星事业发展的总体思路:建立
起一整套海洋卫星体系,逐步形成我国以卫星为主导的立体海洋空间监测网。发展目标是:建立由多颗卫星组成的海洋水色、海洋动力、海洋监视监测3个卫星系列,积极开展国际技术交流与合作,不断提升卫星在轨运行的可靠性和业务化应用水平,实现海洋卫星和卫星海洋应用的持续稳定发展,为我国海洋经济发展和国家海洋安全提供必要的技术支撑和保障。通过3个系列海洋卫星的发射和投入运行,并与我国发射成功的气象卫星、资源卫星等系列对地遥感卫星一起,构成我国长期稳定运行的海洋卫星观测体系。

在目前上天的海洋卫星中,尤以携带星载合成孔径雷达的海洋卫星技术最为先进。由于合成孔径雷达卫星可以全天候、全天时地对全球海洋进行高分辨率成像观测,因此,它的发射上天引起了世界海洋界的高度重视。

继“海洋一号”和“海洋二号”卫星系列之后,我国正在实施“海洋三号”海洋监视监测卫星的研制。相对于“海洋一号”和“海洋二号”系列来讲, “海洋三号”卫星系列是一种综合卫星,可以获取时间同步的海洋水色和动力环境信息,每天在运行时间上,与前两类卫星错开以实现互补。该卫星同时配备针对海洋特点的多频段、多极化、多分辨率的合成孔径雷达,实现对海洋环境的动态监测。

采用“资源二号”卫星平台研制的“海洋三号”海洋监视监测卫星采用合成孔径雷达技术,
可以实现全天时、全天候海面目标与环境监测,将主要用于探测海上目标和对海洋环境进行实时监测,获取海洋浪场、海面风速场、内波、海冰和溢油等信息,为海洋监察执法、海岸带调查、海洋资源调查开发、海洋环境监测保护、海洋权益维护等提供服务。

十几年来,我国海洋卫星从无到有,实现了海洋卫星研制技术和应用的跨越式发展,走出了具有中国特色的发展海洋卫星和推动海洋卫星应用业务型发展的道路。展望未来,随着“海洋一号”、“海洋二号”后续补充星和“海洋三号”系列的发射,由多个系列海洋卫星的投入应用,海洋卫星必将在我国由海洋大国向海洋强国迈进的进程中发挥更加重要的作用。


 

(作者:庞丹 潘晨 紫晓)
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