美国地球系统观测台（ESO）计划介绍

姚前 甘永 光洁 侯伟真 张风丽 李正强

美国地球系统观测台（ESO）计划介绍

姚前1,2甘永3光洁*1侯伟真1张风丽1李正强1

（1 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100101）（2 中国科学院大学，北京 100049）（3 国家航天局，北京 100048）

作为美国宇航局（NASA）推动下一代地球科学的手段，地球系统观测台（ESO）将收集一系列地球不同层面的数据，用于深入研究地球系统各组成部分及其相互关系，从而获得对地球系统整体、三维的理解。文章对NASA逐步开展的地球系统观测台计划进行概括，分析了NASA规划ESO项目的科学目标、实施策略和工作重点，详细介绍了ESO首期任务中NASA与印度空间研究组织（ISRO）合作开发的NASA-ISRO合成孔径雷达系统（NISAR）的组成、部署、测量方式、数据产品和测量误差来源，并在此基础上介绍了NISAR航天器和子系统以及NISAR主要的应用领域，提出了对ESO计划的思考及从中得到的启示，以期对中国未来地球观测计划提供有价值的借鉴和参考。

地球系统观测台 地球系统 地球科学 美–印合成孔径雷达 空间遥感

0 引言

2021年5月，美国宇航局（NASA）正式公布了建立地球系统观测台（Earth System Observatory，ESO）的计划。ESO计划标志着NASA地球科学的复兴，将有效解决2018年美国《地球科学十年调查》[1]中专家组提出的关于地球表面和内部的相关问题，并为美国政府应对气候变化提供新思路。随着气候变化导致的极端天气事件的增加，预测和监测自然灾害的能力对于国家防灾减灾来说是不可或缺的。

ESO将成为先进星载地球观测系统的新架构，在地球大气、陆地、海洋和冰川相互作用过程的关键方面，为世界提供前所未有的了解[2]。根据ESO计划，首期任务将发射由NASA与印度空间研究组织（ISRO）联合开发的合成孔径雷达（NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar，NISAR），NISAR计划于2023年1月从印度东南部斯里赫里戈达岛（Sriharikota）的Satish Dhawan航天中心（SDSC）发射，进行为期 3年的科学观测，以满足NASA在生态系统、固体地球和冰冻圈方面的科学需求。

地球系统观测台代表了美国下一代对地观测研究的新方向，值得关注和开展针对性的研究。本文对ESO计划进行了概述，分析了NASA规划ESO项目的科学目标、实施策略和工作重点，详细介绍了ESO首期任务中NISAR卫星任务的详细规划和仪器特点，提出了对ESO计划的思考及从中得到的启示，以期对中国未来地球观测计划提供有价值的借鉴和参考。

1 计划目标和重点研究领域

1.1 科学目标

ESO由一系列卫星、仪器和任务组成，将收集重要的地球观测数据。这些观测将更好地揭示地球是如何以难以想象的规模在精确的改变。ESO计划推动科学发展的重点目标为美国政府关切的气候变化问题的应对。在过去的30年里，对地球气候变化的了解大多是建立在美国宇航局的卫星观测和研究基础上的。NASA新的地球系统观测台项目将扩展这项工作，为世界提供对地球气候系统全面新的了解，为减缓气候变化提供下一代关键数据[3]。ESO将深入了解气候变化的两个长期存在的不确定因素——云层和气溶胶，同时提供有关地球表面温度和化学过程变化的新发现[4]。除了应对气候变化，ESO计划还包括众多以对地探测研究为基础的科学目标：监测预防自然灾害，监测冰川和冰盖变化，维持生态系统平衡，支持灾害应对和恢复，指导推动农业新发展等。

1.2 实施策略

NASA将在未来十年内布置一系列由地球科学卫星构建的任务，作为ESO计划的一部分，这些任务主要用于收集在2018年美国《地球科学十年调查》中被确定为优先事项的气候和地质数据。每个任务本身都会提供重要的环境测量信息。综合起来，作为一个统一的观测台，在上述任务的协助下将实现对地球系统整体的、三维的理解。NASA还将设计一套新的以地球为中心的系列任务，以提供关键信息用于指导有关气候变化、减灾、扑灭森林火灾和改进实时农业进程的工作[5-7]。在ESO中，卫星的设计原则为协同工作、相互补充，以弥补卫星单独运行的不足，从而创建一个从岩石圈到大气圈的3D地球整体视图。ESO的建设目前正处在设计阶段，首期工作任务是利用NASA-ISRO合成孔径雷达（NISAR）对全球进行综合测量，以了解地表变化的原因和后果[8]。

1.3 重点领域

地球系统观测台遵循了2018年美国国家科学院、工程院和医学院发布的《地球科学十年调查》[1]中的建议，该调查列出的研究和观测指南目标远大，对ESO的顺利实施非常必要。

ESO的工作重点包括以下5个方面[8-10]：1）监测气溶胶变化。气溶胶是影响全球能量平衡的关键因素，其变化会给气候变化带来巨大的不确定性。2）监测云、对流和降水。它们是未来气候变化预测、空气质量预测和恶劣天气预测中最大的不确定性来源。3）观测大规模地表变化。用于干旱评估和预测，相关农业用水规划，以及应对自然灾害。4）系统认知地表生物学和地质学，掌握生态系统与大气、海洋和地球内部的碳、水、营养和能量流动规律，以了解气候变化如何影响粮食和农业、居住和自然资源。5）监测地表形变和变化，以更好地规避自然灾害，如地震、火山、海啸、滑坡等。

2 NISAR卫星任务概述

NISAR由NASA提供的L波段雷达（L-SAR）和ISRO提供的S波段雷达（S-SAR）组成，是双频、全极化雷达系统[11-17]。NISAR的发射轨道为太阳同步轨道，成像幅宽超过240km，每12d可以对全球进行一次完整覆盖，这使得研究人员能够创建时间序列干涉图像，并系统地绘制变化的地球表面[18-22]。NISAR卫星设计成三轴稳定，使用旋转的反作用轮来保持对准地球和太阳的方向正确。

NASA为NISAR任务提供了直径12m的可展开网格反射器、9m可展开臂架以及整个八角形仪器结构、一个高容量固态记录器（存储容量约为9Tbyte）、GPS接收器、传输速率为3.5 Gbit/s的Ka波段通信系统和一个工程有效载荷，以及协调ISRO航天器控制系统的指挥和数据处理系统。ISRO将提供航天器和运载火箭，以及安装在仪器结构上的S-SAR电子设备。

NISAR是NASA首次在全球范围内系统地研究固体地球、冰冻圈和生态系统的雷达任务[23-27]。它将测量冰川范围和地表形变、生态系统扰动和生物量，解释观测现象并提高基础科学认知，改善对生态系统变化、冰川消融以及自然灾害的预测与评估[28]。NISAR所有的科学观测数据都将免费向公众开放，以应对世界各地的灾害。NISAR任务除了满足NASA全部的科研需求外，还包含一系列与印度相关的应用需求，涉及到印度的农业生物量、喜马拉雅山的冰川以及印度沿海和近岸海洋[29]。NISAR雷达系统凭借全球观测模式、强穿透能力、高空间分辨率与时间分辨率，将提供持续可靠、空间密集的雷达数据，在未来十年甚至更久，将成为新时代探索地球变化的独特重要资源。

作为ESO计划首批任务的NISAR雷达系统将搭载在ESO观测台上，观测台的设计结构如图1所示，NISAR的仪器配置如图2所示，各项参数见表1。

图1 ESO观测站结构示意

图2 NISAR仪器配置示意

表1 NISAR系统参数

2.1 NISAR雷达系统

NISAR为摆扫式SAR扫描宽幅成像系统，将容纳两套全极化合成孔径雷达仪器。两套雷达被设计为独立的单元，通过发送信号到共享反射器，实现既可独立工作也可共同工作。NASA提供的L-SAR能够实现除极地地区外的全球陆地覆盖，ISRO将L-SAR和S-SAR结合一起进行观测，并将印度上空的模式冲突降至最低，提供更丰富的观测数据。

在NISAR任务中，由NASA喷气推进实验室（JPL）提供的L-SAR（波长24 cm）将在全球范围内使用，目前的任务观测场景要求仪器在每个轨道的平均运行时间为周期的45%～50%，每轨运行时间峰值高达70%。L-SAR沿轨道运行方向拥有7m空间分辨率、242km的幅宽，交叉轨道上拥有2～8m的空间分辨率（取决于观测模式）。L-SAR和S-SAR均被设计为阵列馈电型反射组块以此来实现扫描SAR宽幅测绘系统。L-SAR由24个L波段的发射或接收阵列单元组成，这些单元分成两行，每行12个。由ISRO提供的S-SAR（波长12 cm）是第二个雷达，由两行共48个（每行24个）S波段的发射或接收阵列单元组成。

（1）测量方式

NISAR的观测平台最突出的结构是安装在9m吊杆上的长12m的固定天线反射器。反射器由镀金丝状网制成，发射和接收的雷达信号将聚焦在反射器上。在传输时，雷达信号被发送到反射器上，反射器聚焦并将信号以一定角度反射到地球上，幅宽大于240km。由于运载火箭整流罩空间小，在NISAR系统多个组成部分部署12m长的天线，并将它扩展锁定到位的难度较高。NASA提供的反射器由Northrop Grumman公司在加州Carpinteria的宇航公司制造。雷达仪器和支撑反射器的吊杆安装在一个八角形仪器结构上。

NISAR将利用合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）和极化测量技术来测量固体地球、冰冻圈和生态系统的表面形变和变化。NISAR雷达系统对两个不同时间在同一场景上收集的雷达信号进行相干处理，从两个回波的相对相位的变化中得出表面形变大小。NISAR上的雷达仪器重复以InSAR的测量方式运行，利用重轨干涉测量获得陆地、山体和冰川表面在地震、构造变形、火山膨胀或冰盖运动等事件前后的形变量。

（2）雷达部署

NISAR卫星将被部署到747km高度的近极地太阳同步晨昏轨道上。航天器发射后，经过90d的调试，NASA将使用L-SAR进行至少3年的科学观测，而ISRO需要使用S-SAR进行5年的操作。如果该系统在任务期间没有用完其所有的燃料储备，观测时间可能进一步延长。在前3年的测量任务中，NISAR将在全球范围内以12d的升序和降序轨道观测地球陆地和冰雪覆盖的表面，平均每6d对地球采样一次。

（3）数据产品

NISAR数据产品将按级别进行组织，级别0是原始数据形式，级别3是衍生的科学产品。NISAR L0A产品是下传到科学数据系统（SDS）的原始数据和元数据，NISAR L0B产品是经过校准的雷达回波数据；NISAR L1级产品包括单视复数产品（Single Look Complex，SLC）、多视地距幅度图像（Multi-Look Detected，MLD）、去地平后的干涉图（Nearest-Time Interferogram，IFG）、解缠后干涉图（Nearest-Time Unwrapped Interferogram，UNW）和极化图像；NISAR L2产品是所有L1产品带地理信息的版本（MLD和IFG除外）。NISAR的SDS团队将生成L波段L0～L2产品，NISAR项目科学团队利用分布在全球的定标场生成L3级产品。

NISAR雷达数据产品的应用涉及固体地球、冰冻圈和生态系统三大领域。L1级产品（SLC、IFG、UNW）和部分L2级产品（SLC和UNW带地理信息的版本，简称GSLC和GUNW）将应用到固体地球变形和冰冻圈的科学研究领域。L1极化协方差矩阵（COV）、L2级产品GSLC和L2级极化协方差矩阵（GCOV）将应用到生态系统的研究领域。

（4）测量误差来源

NISAR雷达测量的误差来源包括仪器噪声、观测几何、散射方式或其他与传播效应相关的因素。极化误差源和干涉误差源是NISAR测量过程中主要的误差源。物体表面的辐射特性可以通过雷达后向散射截面表征。雷达接收到的散射回波能量取决于分辨率元件内散射体的详细排列及其电气特性，所以一般来说雷达散射截面取决于观察角度和环境条件。由于雷达图像是相干的，回波信号在空间上随机分布，表现出“散斑”特性，称之为散斑噪声。

雷达系统元件间的随机误差包括雷达系统中的加性热噪声、来自量化的乘性噪声、同信道和跨信道信号泄漏以及模糊度，这些噪声是在不同地点和时间接收脉冲回波造成的，但仍然显示在雷达数据中。除随机噪声误差外，极化测量中的其他主要误差来源包括：雷达系统延迟和损耗，天线方向图，或天线方向图指向的不确定性引起的随图像或时间变化的系统性振幅和相位波动。

干涉误差来源与极化类似，包括散斑、热效应和乘性噪声等。相位是干涉测量的基本参量，电磁波通过电离层和中性大气时会引起相位延迟，而电离层和大气层的状态会随时间快速变化，因此每次卫星不同时间过境时相位延迟是不一样的，需要进行校正。NISAR在科学运营期间，至少要进行为期3年的观测，基于其快速重访周期获得的长而密集的时间序列对削弱误差具有重要作用。

2.2 航天器和子系统

协调各子系统之间的技术接口是NASA-ISRO伙伴关系的一个重点关注领域。ISRO提供传统的航天飞行器总线，起固定作用的八角形仪器结构与总线相连。航天飞行器包括中央指挥和数据处理、上行和下行链路、推进和姿态控制所需的所有系统。大型太阳能阵列附着在航天飞行器上，在发射时折叠起来，并在航天器到达轨道时展开。太阳能阵列为所有子系统提供电力，包括L波段和S波段雷达，它们在轨运行需要大量的电力。

航天器总线的姿态和轨道控制子系统（AOCS）旨在解决几个关键的科学功能：1）在任务的整个生命周期内，航天器必须沿着相同的轨道飞行，误差在500m范围内；2）AOCS必须能够控制整个观测台的姿态指向一个固定的角度位置，在轨道上的任何给定点处于一个相对理想的轨道和天底位置；3）雷达卫星必须能够旋转并保持从轨道平面两侧观察地球的姿态。

对于轨道控制，NISAR确保有足够的燃料在选定的轨道高度上运行至少5年。NISAR的推进系统足够灵活，可以每隔几天执行必要的小型轨道控制机动，以维持严格的轨道管理要求。

NISAR基线科学观测计划要求每天多达26Tbyte的雷达数据收集、下行和处理。该计划推动航天器Ka波段通信系统设计，以适应高带宽要求[30]。NASA将提供一个高容量、高速固态记录器和高速率Ka波段有效载荷通信子系统来管理收集大量数据[31]。

为确保轨道定位和机载定时的准确，NASA用GPS接收器增强了ISRO航天器的能力，向航天器和雷达设备提供GPS时间信息和1脉冲/s的信号[32]。此外，NASA还提供用于吊杆和天线部署的点火系统，以及监测和控制NASA系统的有效载荷数据系统，并处理所有NASA系统和ISRO航天飞行器之间的通信。

2.3 NISAR应用领域

（1）固态地球：地震、火山和山体滑坡

当今社会自然灾害频发，严重威胁着人类的生命和财产安全。强烈的地震会使地面出现断层和裂缝；火山喷发危及全球许多地区，并会扰乱航空飞行；山体滑坡会摧毁房屋和道路，从而引发灾难。正确应对自然灾害需要在灾难引发之前监测、测量和了解这些缓慢移动的过程。地表的动态变化可以反应区域地质变化的潜在信息，NISAR能够监测地表小于1cm的形变，这可以较好地减轻和应对地震、火山和山体滑坡带来的危害。地震和震后断层瞬变滑动、火山和滑坡变形以及地壳流体运移引起的局部沉降和隆升在全球范围内时有发生，监测和量化瞬态变形在提高人类对地质构造、岩浆的地下运动、火山喷发和滑坡的理解方面发挥着重要作用。许多火山喷发都是由地下移动的岩浆引起的地表变形造成的，然而岩浆运动并不总是会导致喷发，NISAR对火山变形的系统测量有助于阐明原因。同样，山体滑坡存在间歇性移动，并且在灾难性时刻来临之前，岩土滑动速度会出现由缓慢到逐渐增大的现象，NISAR将能够监测和清查缓慢移动的山体滑坡，从而更好地了解滑坡运动变化和触发大规模运动的原因。

（2）生态系统：生物量、扰动、农业和洪水

由于洪水、干旱、野火、飓风、龙卷风和虫害等事件的加剧，世界正在经历前所未有的气候变化。随着全球人口的不断增长，这些影响在粮食、能源和生存空间等方面对生态系统和景观逐渐施加压力。为了打造可持续的未来，了解自然资源管理与生态系统之间的关联是必要的。NISAR雷达数据将解决植被和生物量的分布问题，以了解陆地生态系统和碳源（Carbon Source）与碳汇（Carbon Sink）的变化和趋势，并表征和量化由生态扰动和恢复导致的变化。NISAR雷达能够利用微波进行成像，波束能够穿透森林冠层，并在大量树木的茎和枝中散射。NISAR将确定包括全球低生物量和再生森林在内的各种生物群落的植被生物量，将监测识别因火灾、森林砍伐等扰动造成的森林结构和生物量的改变，并表征扰动后生物量恢复的变化。粮食的生产与供应决定人类的生存发展，为了能够更好地指导政策与决策，及时透明地监测农业趋势和状况具有重大意义。由于缺乏季节性洪水潮起潮落的信息，河道和湿地的健康状况很难被评估出来，NISAR雷达系统将提供稳定可靠的有关全球生物量、扰动、农业和洪水的周期性观测数据，这将成为观察全球有关生态环境的一个新基础。

（3）冰川动力学：冰盖、冰川和海冰

冰盖和冰川是海平面上升的最大贡献者，当前全球的海冰覆盖面积正急剧减少，若不加以控制，在下个世纪，海平面可能上升几十厘米，甚至超过1m。自1978年卫星开始持续对地观测以来，发现北极海冰变薄，从以多年生冰盖为主转变为季节性冰盖，海冰面积在夏末减少了近30%。格陵兰岛和南极洲许多地区周围出口冰川的流速显著增加，某些情况甚至增加了一倍以上，这导致冰川和冰盖边缘每年减少数十米。流失的大部分冰川充当内部冰的支撑，失去支撑会加剧冰盖的不稳定性，引起海平面更快地上升。NISAR将提供时空的综合观测，以表征和了解冰盖和冰川动态。其中通过测量格陵兰岛和南极冰盖随时间变化的趋势，确定南极洲边界随时间变化的位置，并将监测支撑冰架的范围和稳定性。海冰是地球冰冻圈系统的另一个组成部分，它正在迅速变化，并影响全球气候。包括 NISAR在内的多颗卫星对海冰范围、运动、浓度和厚度的综合观测，将提高人类对海冰、海洋和大气之间相互作用以及对海冰未来的变化的理解。NISAR对北极和南极冰盖上冰运动的观测，将能够对两个极地的气候强迫进行全面的检查。NISAR雷达的强穿透性、大条带观测以及短暂的重访周期，将能够在更好的时空尺度上研究雪和冰川的全球分布与变化趋势。

3 结束语

NASA即将建立的地球系统观测台具有划时代的意义，它标志地球科学的再次崛起。现如今，地球表面和植被覆盖范围正大范围地发生动态变化，ESO计划从全球范围测量这些变化，将使科学研究取得突破性进展，并对社会产生重要影响。它将NASA任务的理念从纯粹的科学驱动扩展到包含社会效益的应用。可以预见，未来几年随着ESO计划的推进，将会有更加广泛的科学社区和学者参与到ESO的建设应用。NASA布署的地球系统观测台计划将为地学界补充丰富的科学级卫星数据，不但为地球科学的持续发展注入活力，还将改善人类对地球的理解。

未来随着在气候变化、减灾防灾、生态建设等方面的应用需求不断增加，卫星对地观测将具有更好的发展空间，将会成为全球应对气候挑战等共同问题的主要技术手段。在中国航天科技日新月异的重要时期，积极跟踪并认真分析NASA的地球系统观测台（ESO）计划的详细情况和技术内容，有利于了解对地观测技术的新发展，为我国星载地球观测技术的发展方向提供参考和借鉴。

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An Introduction to NASA′s Earth System Observatory Project

YAO Qian1,2GAN Yong3GUANG Jie*1HOU Weizhen1ZHANG Fengli1LI Zhengqiang1

（1 Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China）（2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）（3 China National Space Administrative, Beijing 100048, China）

As part of NASA's effort to advance the next generation of Earth science, the Earth System Observatory (ESO) will collect a wide range of data from different layers of the Earth that will be used to gain a holistic, three-dimensional understanding of the earth system's components and their interrelationships. This paper summarized the Earth System Observatory program gradually developed by NASA, and analyzed the scientific objectives, implementation strategies and work priorities of NASA's ESO program. The composition, deployment, measurement methods, data products and measurement error sources of the NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar System (NISAR) developed by NASA in collaboration with the Indian Space Research Organization (ISRO) during the first ESO mission were described in detail. On this basis, the NISAR spacecraft and subsystems as well as the main application fields of NISAR were introduced, and the reflections on ESO program and its enlightenment are put forward, in order to provide valuable reference for China's future earth observation program.

Earth System Observatory; Earth system; Earth science; NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar System; space remote sensing

TP7

A

1009-8518(2021)06-0001-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.06.001

2021-09-18

国家自然科学基金（41925019）

姚前, 甘永, 光洁, 等. 美国地球系统观测台（ESO）计划介绍[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(6): 1-8.

YAO Qian, GAN Yong, GUANG Jie, et al. An Introduction to NASA′s Earth System Observatory Project[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(6): 1-8. (in Chinese)

姚前，男，1998年生，2021年获中国矿业大学测绘工程（卓越工程师）学士学位，现在中国科学院大学地图学与地理信息系统专业直接攻读博士学位。研究方向为卫星遥感数据处理和定标技术。E-mail：yaoqian199902@163.com。

光洁，女，1982年生，2009年获中国科学院遥感应用研究所地图学与地理信息系统专业博士学位。研究方向为定量遥感。E-mail：guangjier@163.com。

（编辑：夏淑密）