面向极地航运的卫星观测技术发展研究

于志同 黄 彦 胡洛佳 马 蓉 肖 鹏 程 晓*

（1.中国空间技术研究院 钱学森空间技术实验室 北京 100094；2.中山大学 测绘科学与技术学院 珠海 519082；3.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）珠海 519000）

0 引言

南北两极是全球资源、能源开发潜在的战略储备地，对我国未来发展和国家利益具有重要意义[1-2]。在全球变暖背景下，极地气候与环境变化显著，为极地开发与治理带来新的发展机遇，特别是北极航道开通、北极油气资源管道和环北极公路铁路建设已提上日程[3]。从全球竞争角度来看，极地正面临或即将面临新一轮地缘利益争夺，国际社会对极地保护和开发给予了高度关注[4]。我国极地开发战略部署也已拉开序幕，科学认识极地、开发极地和保护极地，符合我国共筑“人类命运共同体”的长远目标。

北极航道为中国战略通道的开辟提供了新的路径，可成为“冰上丝绸之路”，使我国到达欧美国家和地区的航线大幅缩短，节省时间、距离和经济成本[5]。然而，我国是北极域外国家，现场实地观测极为困难，获得近实时、高分辨率海冰数据是保障航道安全的关键途径。极地海冰的快速变化在改变极地海洋环境的同时，也给全球地缘政治格局带来了复杂和深远的影响，极地航线开发及争夺愈发白热化。

开展极地海洋空间规划，需要充分了解相关海域的水文地质、气候变化、资源分布、生态环境和生物多样性等相关信息。两极地区极端气候条件对规划所需数据的可获得性、精确性和完整性等提出了更高的技术要求[6-7]。因此，我国迫切需要加大对极地海洋环境卫星技术的研发投入，提高极区数据获取和采集能力，借助星上智能处理、星船/地一体化设计，提高破冰船、科考船、商船等船舶以及舰艇的实地航运能力，保障相关设备在极寒、可视性差、岸基站点不足、通信及导航能力有限等环境下的精确运行。当前，国内外没有专门针对极地观测和通信需求的极地卫星观测系统，尤其缺乏针对极地连续观测的高轨卫星和计划[7]。因此，我国亟需发展极地天基探测体系，满足高频次立体探测需求，切实保障极地航行安全、形成自主的极地海洋环境探测能力，推进我国进入、开发和利用极地，参与全球环境治理。

1 面向极地航运发展的卫星观测需求

随着极地活动逐年增加，海工装备设计、船舶破冰与航道开发等对遥感卫星技术的需求越来越高。通过文献整理、现场调研、专家研讨等，当前极地环境探测的卫星技术需求呈现以下特点：

（1）需求迫切，涉及政治、经济、文化和安全等领域；

（2）观测要素多样，动态、静态皆有，并涉及多学科；

（3）时效性、分辨率和观测精度要求高，覆盖范围宽，对星地/船系统设计提出了明确要求；

（4）高频次探测与长时间序列积累要统一，要求卫星系统稳定运行。

针对破冰科考、极地救援、航线开发等极地航运需求，要发展海冰观测卫星，主要观测海冰覆盖、密集度、厚度与运动等，所需载荷包括高时空分辨的光学、合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）、激光和雷达高度计，以期实现对极地海冰实时或近实时监测。同时，研发具有一定冰层穿透和测量能力的新型载荷（例如低频段的干涉成像雷达），具备大幅宽、全极化、多波段及高频次能力的合成孔径雷达（SAR），解决海冰类型、冰间水道和海面风场等探测不足或缺失，重点突破低频雷达电离层传播特性和对信号的影响、电磁波在不同传播介质中的传输机理和衰减特性、冰面或表面杂波散射特性和干扰抑制技术，以及适应干涉雷达测量的极地卫星轨道控制和测量技术。此外，研发高分辨、多波段、多极化方式的星载微波散射计，用于海冰类型、覆盖及海冰风场等参数的监测，与主动SAR 载荷数据在时空分辨率上互为补充；高分辨率、多波段星载微波辐射计，用于积雪深度、海冰密集度与海冰类型等的测量；高时间分辨率极区卫星高度计，用于海冰厚度和海面风场等参数的观测。

今后的极地海洋卫星数据将直接提供给终端用户（比如商船、科考船与救援装备等），以更好地保障极地航运安全。遥感图像空间分辨率要求优于百米、十米级甚至米级，时间分辨率需达到半日、甚至小时级。极地卫星需具备高时空分辨率和精细化探测能力，比如光学卫星载荷空间分辨率优于50 m（1 000 以上信噪比）可满足区域定量化遥感探测和应用需求，具备米级或亚米级分辨率的载荷可实现对重点区域海上目标（舰船、冰面设施）的精细化识别及动态跟踪。

面向极地航运未来发展，我国亟需大力发展对极地冰冻圈的天基探测技术，特别是提升用于海冰快速变化与冰下观测的载荷能力，解决在高纬度冰区组网观测的短板；扩展南北极实时观测网络，提升我国在两极地区的观测与通导能力，实现自主可控、实时传输、高稳定性的极地卫星系统构建。

2 国内外极地卫星观测技术现状

2.1 技术现状

应用于极地环境要素探测的卫星载荷主要分为6 种类型（如图1 所示），包括SAR、雷达散射计、高度计、重力仪、微波辐射计和光学传感器（包括可见光、近红外和热红外）。

图1 在轨和计划发射的极地环境要素探测卫星（http://globalcryospherewatch.org）

大尺度的连续极地观测主要依赖星载微波传感器，包括微波辐射计和散射计，基于此类数据已业务化生产逐日海冰密集度、类型和运动产品[7]；目前计划发射的搭载微波辐射计的卫星包括美国的Weather System Follow-on-Microwave（WSF-M）、欧洲的Copernicus Imaging Microwave Radiometer（CIMR）和日本 的Global Observing SATellite for Greenhouse Gases and Water Cycle（GOSAT-GW）等。星载光学载荷被广泛应用于海冰与冰盖变化监测，已积累近50 年连续观测数据[7]，目前计划发射的主要是Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）、Landsat 等卫星系列的后续星，如The Joint Polar Satellite System-2/3（JPSS-2/3）Visible/Infrared Imager/Radiometer Suite（VIIRS）、Landsat-9 等。SAR 卫星是当前天基极地环境要素观监测的主要发展方向，被广泛应用于高分辨率海冰分类、漂移、冰架崩解、融化和高程监测[7]，目前计划发射的星载SAR 计划包括日本的L 波段Advanced Land Observing Satellite-4（ALOS-4）、欧 洲 的Copernicus L-band Synthetic Aperture Radar（ROSE-L）、美国的L 和S 波段NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar（NISAR）、意大利的X 波段COSMO-SkyMed 二代（CSG-2），以及我国的HY-3 系列等。高度计则为精确测定极地冰盖高程和海冰厚度提供了新的监测手段[7]，目前在轨的卫星高度计包括美国的ICESAT-2 和欧洲的CryoSat-2，后续欧洲将发射CRISTAL卫星。

当前大部分主被动探测卫星可用于冰川、海冰和积雪等极地环境要素的监测，但其中光学卫星受制轨道倾角和幅宽等因素限制，对于极点周围等区域尚不能完全覆盖。由于天气、光照和任务规划等因素的影响，光学遥感卫星也并未形成极地上空全天时、全天候工作和业务化运行能力；同时，现有的高空间分辨率或高光谱分辨率影像的幅宽较窄。此外，光学数据无法用于被积雪覆盖的海冰分类。

使用主动观测的SAR 卫星虽然具备穿云破雾的高分辨率极地观测能力，且对积雪覆盖的海冰分辨更具优势，但受制于能量分配和任务规划等因素影响，现阶段在极地上空获取的数量较少，而且单轨15 min 左右的超长开机时间，对卫星的任务规划依然是不小的挑战。此外，现有的SAR 卫星主要工作在L 波段以上，对冰层的穿透能力有限，并不具备较厚冰层的透视观测能力，现阶段对冰厚和水下物质的估算仅依靠算法反演实现[8]。

微波传感主要的问题是空间分辨率不足。搭载高度计载荷的卫星具备全天时、全天候获取高分辨率海冰立体观测能力，但是受制于幅宽、能源分配和任务设计等因素影响，尚未获得极地区域的高精度、长时间、时空连续观测数据。总的来说，SAR是当前国内外天基极地环境要素观测的主要载荷发展方向。

近年来发展的星载SAR 利用电磁波极化、频率和相位等特性进行多维度观测，可极大拓展SAR极地应用的广度和宽度。国内外星载SAR 囊括了Ku、X、C、S、L、P 等频段（如下页图2 所示），极化方式也由单极化向多极化和全极化发展，国外近年来的大部分星载SAR 计划和我国GF-3 卫星均实现了全极化。

图2 国内外已发射和规划中的主要SAR 卫星

发展干涉SAR 技术获取相位信息，采用双/多 基SAR 或者双天线SAR 系统（例如TerraSAR-X/ TanDEM-X 双基SAR），以及单颗卫星重轨或同一轨道面上多星组网重复观测（如ERS-1/2 和Sentinel-1 星座）；另外，极化干涉卫星也是发展方向，如ALOS 系列、RadarSat-2 等[9]。如下页图3 所示，近20 多年来通过发射大带宽信号和波束扫描（聚束和滑动聚束模式）模式，星载SAR卫星在距离向和方位向的分辨率从初期的百米提升至亚米级；通过二维波束扫描模式（如Sentinel-1 的TOPS 模式等）幅宽从数公里提高到数百公里；同时采用了一系列关键技术以突破传统模式下分辨率与成像幅宽无法同时提高的瓶颈[10]。此外，发展低成本、易部署的轻小型SAR 卫星星座也是近年来的重要发展方向，目前已在轨运行的包括美国的Capella 系列、芬兰的ICEYE 系列、英国的NovaSAR-S 系列等，我国也发射了海丝一号（HISEA-1）等轻小型卫星。

图3 SAR 发展趋势示意

总之，SAR 卫星信息从单一到丰富，空间分辨率从低到高，测绘幅宽从窄到宽，重访周期从长到短，发射成本从高到低，这一系列发展趋势使得其对极地环境要素观监测的能力大幅提高，实现极地观测的业务化运行SAR 卫星是国际极地天基监测的主要发展方向。

2.2 短板分析

极地地区纬度高，存在极昼、极夜现象，还被气温低、气候条件恶劣、常年被冰雪所覆盖甚至冰冻等自然条件限制，并且极少有参照物。遥感卫星是极地研究中的重要天基手段，尽管载荷类型多样，但仍未形成极地上空全天时、全天候工作和业务化运行能力，且数据连续性和实时性无法满足。对于我国而言，国产“高分”、“资源”卫星系列以及“风云”、“海洋”系列，可以分别在小尺度和大尺度上提供极地遥感观测数据，但除风云三号卫星、京师一号卫星外，大部分国产卫星在极区不具备常态化、业务化工作能力[7]。

光学遥感卫星在极区难以获得持续、全覆盖的观测数据。就我国而言，包括商业卫星系统在内，现有的遥感卫星系统均为服务于中低纬度区域的卫星系统，没有专门用于极区的遥感卫星系统；对北极区域上空，系统一般不开机，以节省能源消耗。此外，北极的极夜难以满足陆地观测系列中的光学观测卫星（特别是高分辨率观测卫星）正常工作的光照需求。在北极的恶劣气候条件下，一般的光学载荷基本不能正常工作，并且对云顶和覆盖陆地的冰雪不易区分。

随着辐射计、散射计和SAR 传感器的发展，支持了一系列针对极地的卫星观测计划，但仍存在技术上的短板。微波辐射计和散射计由于较大的扫描宽度，通常能做到每日重复或重访，但其空间分辨率通常在10 km 以上。目前各国提供的海水密集度、海水类型、海水漂移产品主要采用该类传感器，但考虑到较低的分辨率，故无法满足北极航道精细监测与航道决策需求。

SAR 传感器分辨率通常能在20 m 以内，但重访周期较长。为了提高重复率及缩短重访周期，通常采用扫描模式或/及增加卫星数量的方式。如欧空局Sentinel-1A/B 双星星座能提供6 日重复及全球双极化5×20 m 覆盖能力；加拿大RADARSAT Constellation Mission（RCM）三星星座可对加拿大海域提供50 m 分辨率每日覆盖能力，并且提供更为先进的全极化和紧缩极化观测模式（circular transmitting linear receiving,CTLR），目前处于世界领先水平；而我国的高分三号SAR 卫星运行于29日重复轨道，不能满足北极航道监测需求。

发展轻小型SAR 卫星星座是近年来的重要发展方向。此类卫星以目标识别、干涉测量等为主要需求，通常仅提供单极化观测模式，对于散射特征较为复杂且变化快速的地物等存在识别困难等问题。此外，小型SAR 多以条带模式与聚束模式为主，部分卫星也提供扫描模式，但扫描宽度均不超过100 km，难以满足某些特定任务大面积快速全覆盖的观测需求。再者，目前的小型 SAR 卫星受限于星载平台能源方面影响，每轨工作时间较短，通常不超过 3 min，而大型 SAR 卫星的发展则更多面向长工作时间与多模式方向。大型卫星在扫描与极化方面具备多样观测模式，具备较长的每轨工作时间，对不同任务均可作出响应，如RCM 具备全极化9 种观测模式，每轨工作时长可达15 min。大型卫星的多种模式在极化、分辨率以及扫描宽度方面作出取舍以满足各类观测任务的需求。我国SAR 卫星在北极区域上空可以正常工作，且其观测的信息直接服务于我国在北极区域的日常活动，但受到卫星平台能力的制约，我国SAR 卫星在北极区域上空需要关机，以节省卫星平台的能源消耗。

3 极地卫星技术发展趋势与建议

3.1 极地卫星技术及装备攻关重点

（1）卫星体系设计方面

地球观测卫星由于轨道限制无法获取极地中心区信息，从而造成常年的海冰中心区观测空白，加大了全球变化监测的不准确和不确定性。若我国发展的极区环境观测卫星采用过极地中心的轨道，将在世界上首次填补这一空白，大大增强我国在全球变化观测上的话语权。建议我国极区观测卫星体系充分调研国外对于极区探测的计划，对标国外在轨卫星以及预研卫星极区观测技术，分析国际发展极区观测的卫星体系建设思路，结合我国已有海洋水色、海洋动力和海洋监测三大海洋卫星系列建设现状，开展极区观测卫星体系建设。

（2）载荷专项技术方面

世界各国一直在发展极地微波遥感载荷技术，主要有2 个方面：一方面通过高精度的微波辐射计载荷测量冰雪当量，用于全球变化研究；另一方面，国际积极发展新体制SAR 载荷技术，针对极地航道监测与冰雪等探测要素，国外优先发展多频段多极化的SAR 载荷，并利用分布式小卫星进行组网，对极地进行微波测绘。目前我国在轨和在研的微波遥感载荷尚未有以极地航道和冰雪为主要观测要素的载荷，同时受制于轨道因素，不能对极地地区进行全覆盖，因此不能满足极地观测的需求。考虑到目前国家对极地观测的迫切需求与国际微波遥感载荷技术的发展趋势，急需开展极地微波遥感载荷的发展规划研究，掌握极地微波遥感领域的核心技术，为后续引领极地微波遥感领域奠定基础。利用极地高分辨率大面阵凝视相机技术对极区进行观测，可以极大满足我国极区气象和环境监测、资源观测、国家安全及经济活动监测的需求。

3.2 极地卫星观测技术前沿

极地海域舰船安全航行受到多年冰、冰山、冰盖崩解等冰情的影响，其中极地海冰年际分布变化大，并且海冰运动无规律可循，是造成极地航道舰船通行的主要安全隐患。因此，亟需快速获取两极地区冰情并准确规划航线，从而保障舰船在高纬度冰区的安全航行。这对极地观测卫星提出了大幅宽、高重访的要求，至少需要在1～ 2 日内覆盖极区主要航道，为舰船航行制定航线规划。同时，观测数据应具备区分多年冰和新冰的能力，且能够有效捕获海冰漂移状态，并对静态海冰出水高度进行估算，保障水面舰船航行安全。此外，需星舰协同工作，数据经星上快速处理后直接下传舰船，为测量船提供基础测绘数据和实时冰情监测数据，在提高时效性的同时保障舰船航行安全。

3.2.1 冰冻圈高分辨率主被动微波观测技术研究

以冰川快速变化监控与预测、冰基底物质分类与分辨、积雪覆盖与冻土变化、海冰快速检测与分类等科学问题为牵引，揭示电磁波与冰冻圈关键要素相互作用机理，提出天基分布式综合孔径穿冰雷达系统及多波段综合孔径探测仪系统方案，突破低频电磁波电离层误差补偿、分布式主被动高分辨率信号处理、极区冰冻圈环境要素主被动微波综合处理等关键技术，开发综合处理解译软件，研制相关主被动微波探测原理样机，开展机载/地面探测试验及应用研究，最终形成天基冰冻圈主被动微波立体观测技术体系，为国家极地战略及应对全球变化提供支撑。

技术研究方向如下：

（1）分布式综合孔径主被动微波探测载荷总体设计技术；

（2）面向分布式体制下的低频信号处理技术；

（3）基于主被动探测数据的综合处理应用技术。

3.2.2 天地一体化极地探测研究

将天基、海基、空基、地基等多种极地探测手段和数据进行综合，在地面开展综合极地环境应用和通导遥天基任务分析，提升极地环境探测、航道保障、科学考察等综合应用能力。

技术研究方向如下：

（1）融合天基系统的海上应用新模式研究；

（2）通信、导航、遥感卫星极地联合体系构架设计以及星间、星地、星船多元信息传输技术；

（3）天地一体化多手段数据融合技术。

3.2.3 智能任务规划分析研究

未来在极地海量（千颗）航天器和有限的测控资源场景下，当应急任务产生时，综合考虑任务紧急程度、卫星能力、测控资源等多维信息和约束条件，采用智能优化方法对航天器的任务进行科学规划，并对多个相关方实施调度，为合理规划子系统和调度执行子系统提供技术保障与支撑。在多任务约束条件限制下，既要在给定时间区间内对潜在竞争的多个任务进行平衡或取舍，又需要统筹协调全空域测控系统，为选定的观测任务合理分配资源和时间，最大化可执行任务序列的收益并且最小化扰动测度。

3.2.4 基于深度学习的多源信息融合技术研究

未来极地空间综合服务卫星是具备多载荷、多功能的卫星，其应用需要开展多源信息技术融合。因此，多源异构信息融合技术主要是进行多源信息的优化提取、转化、存储、关联和融合，而为了实现对空间信息的综合与一体化应用，应提供统一、高效、便捷的数据信息支撑，满足指挥调度与服务系统需求。

3.3 措施建议

（1）急需建设我国自主极地天基观测系统

面向极地新领域，应尽快提出并实施具有中国特色的“极地天基观测系统”，打造我国自主的极地遥感-通信-导航一体化、空-天-地-海协同的立体观测体系，提供自主产权的全球变化观测数据，为极地信息获取、资源开发和安全保障提供支撑，积极应对气候变化和服务构建人类命运共同体。

（2）加快发展极地立体探测技术，服务冰上丝绸之路

针对当前极地海冰快速变化、冰下立体观测等方面存在的卫星技术短板，应大力发展原创性卫星载荷，推动构建我国冰卫星系统，为极地地区发展提供独特的观测手段，有效补充匮乏的冰川/冰盖三维立体探测、海冰快速变化和冻土冻融状态监测等观测数据，形成水循环全链路观测、冰冻圈全覆盖观测及长时间连续观测能力，支撑我国冰上丝绸之路建设和极地强国战略。

（3）面向极地前沿，积极谋划国际合作

关注国际天基观测计划的衔接“空窗期”，与国际社会共同努力保持长期与连续的极地观测，发展地面接收站及外场定标，制定更高观测能力的极地天基观测发展规划，特别是针对极地航运、科考救援及资源开发等，推进天-空-地-海融合，泛在互联、云端同化的立体多维和高分辨率的极地监测平台，为我国承担大国责任、参与全球海洋和气候环境治理提供核心技术支撑。