光学遥感卫星在轨绝对辐射定标：进展与趋势

马灵玲，王宁，高彩霞，赵永光，杨本永，王新鸿，韩启金，徐娜，宋培兰，5，刘耀开

1.中国科学院空天信息创新研究院 中国科学院定量遥感信息技术重点实验室,北京 100094;

2.中国科学院合肥物质科学研究院,合肥 230031;

3.中国资源卫星应用中心,北京 100094;

4.国家卫星气象中心,北京 100081;

5.中国科学院大学 光电学院,北京 100049

1 引言

光学遥感一般指利用工作波段在可见光到热红外区间（0.38—15 μm）的遥感载荷，以被动方式采集地物目标反射的太阳辐射或地物目标自身热发射辐射的远距离探测技术及其信号分析处理技术。光学遥感作为最基本、也是最早发展起来的一类遥感技术，广泛应用于农业、林业、地质、环保、海洋、气象、测绘、水文、生态、减灾等众多领域，为国民经济持续稳定发展提供了大量动态基础数据和科学决策依据。在过去几十年中，中国空天遥感技术呈现爆发式发展，截止目前在轨运行的民用对地观测卫星超过60 颗，形成了“风云”、“海洋”、“资源”、“高分”、“遥感”、“天绘”等多个对地观测卫星体系（http：//chinageoss.cn/report/cedr2019_files/CEDR2019.pdf［2021−11−10］）。据统计，2021 年—2025 年，中国还将发射超过50 颗的民用和商业对地观测卫星，届时中国在轨运行的对地观测卫星将超过100颗，其中半数以上为光学遥感卫星。随着遥感应用向定量化方向发展，人们逐渐认识到，遥感对地物目标信息的精准获取，从根本上取决于对遥感载荷性能及其长期业务运行期间状态变化的综合定标。作为遥感载荷→观测数据→信息产品这一技术链路的源头，遥感载荷辐射定标用于刻画遥感载荷自身辐射性能在生命周期内的变化，对于遥感数据及信息产品定量化应用的效果至关重要。然而遥感的非接触探测特点也给光学遥感卫星载荷的在轨辐射定标带来了极大挑战。

遥感载荷绝对辐射定标是确定载荷输出信号与入射辐射量之间定量关系的过程（GB/T 38236—2019 航天光学遥感器实验室辐射定标方法），进而通过连续的链路将遥感载荷与参考辐射基准源相联系，保证载荷生命周期内的数据与产品质量。光学遥感载荷辐射定标一般包括发射前定标和发射后在轨定标。虽然发射前定标能够使用已知特性的辐射源在可控环境中进行测试，具有可在载荷上天前探查并解决异常的优势，但掌握载荷特性在发射后的变化对于获取高质量的数据产品更为关键。由于遥感载荷在实际工况下运行并获取遥感数据的过程中，受到发射/飞行过程中的震动、工作环境和气压的改变以及元器件老化等因素影响，诸如长期暴露于紫外线下引起的光学器件衰变等问题会导致载荷的实际性能发生变化，若仍旧沿用发射前测得的定标系数进行数据处理，往往无法保证遥感数据产品的准确度。除非有所补偿，这些变化会让人误认为是被测目标物的变化。以美国EO−1/Hyperion 载荷为例，其入轨运行的前两年间可见光—近红外谱段出现8%的漂移，短波红外谱段漂移更是高达18%，而在其后的10 年间年际平均变化超过1%（Franks等，2017）；美国可见光红外成像辐射仪NPP/VIIRS（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite）的旋转镜表面涂层在紫外线照射下产生钨/氧化钨，发生了光致变色效应，在发射后7 天退化了约1%，个别波段在其后近一年半的时间里退化了约30%。因此在轨辐射定标必须在真实的卫星在轨运行条件下开展，其目标是测量上天前无法测定的实际工况下的载荷参数，在载荷运行生命期内维持定标结果的可用性、量化定标不确定度，以及在必要时对定标系数进行更新以满足观测需求（Tansock等，2015）。

自20 世纪70 年代第一颗美国陆地卫星搭载MSS 内置定标灯以来，国际空间大国就一直致力于在轨辐射定标技术的研究，发展出了星上定标、场地定标、交叉定标等多种方法，用以及时监测遥感载荷运行过程中性能动态变化、精确检测变化程度、准确发现变化的原因并制定针对性的补救措施。如Landsat、SPOT 等系列卫星地面系统中的图像评估系统（IAS）（Irons 等，2012）、图像质量中心（QIS）（http：//spot5.cnes.fr/gb/systeme/exploitation.htm［2021−11−10］）均以遥感载荷定标作为遥感数据质量控制的重要手段。随着遥感技术在全球化发展中展现出越来越大的潜力，人们认识到利用其解决人类面临的诸多全球性问题必然需要长时间序列、多星多载荷遥感数据产品的综合利用。1984 年成立的国际卫星对地观测领域的权威性非政府组织——国际对地观测卫星委员会CEOS（Committee on Earth Observation Satellites）在其最早创立的工作组中就包括了定标与真实性检验工作组WGCV（Working Group on Calibration and Validation），致力于在国际对地观测卫星的定标和真实性检验方面增强协调、联系和合作，确保对地观测资料定量、准确、长时期可比较（https：//ceos.org/ourwork/workinggroups/WGCV［2021−11−10］）。在2003 年CEOS/WGCV 的红外与可见光光学传感器专业技术组IVOS（Infrared and Visible Optical Sensors Subgroup）研讨会上曾指出“当前的在轨定标方法可以为载荷稳定性监测提供支持，但是对于面向长期气候变化研究及未来可持续发展的绝对准确度而言还远远不够”。

对此瓶颈问题的突破在于将实验室中所使用的标准参考源移至卫星平台，通过引入可溯源至SI 的空间辐射基准源，实现对所搭载卫星载荷的高精准定标，这也21 世纪初欧洲和美国先后提出TRUTHS（Traceable Radiometry Underpinning Terrestrial− and Helio− Studies）和CLARREO（Climate Absolute Reflectance and Refractivity Observatory）“定标星”计划的核心理念（Fox 等，2003；Anderson 等，2004）。进一步地，以“定标星”作为基准，利用交叉定标的方式可实现对其他卫星载荷的在轨定标。虽然“定标星”的空间辐射基准源仍处于探索阶段，且欧美“定标星”计划由于经费问题被多次推迟，但是这种通过为其他载荷提供统一且可溯源至SI标准参考源的定标方法，作为极大提升星上定标精准度、促进多源卫星数据质量长期的高一致性与高稳定性的有效途径，必将成为未来光学遥感在轨辐射定标技术发展的主导趋势。

本文从阐述光学遥感卫星载荷在轨辐射定标技术需求及相应技术挑战出发，回顾光学遥感卫星载荷在轨辐射定标技术研究进展，对于星上定标、场地定标、交叉定标、月球定标等代表性的在轨辐射定标技术的发展历程及发展现状进行了阐述分析，并介绍了目前国际前沿的空间辐射基准传递定标技术。

2 光学遥感卫星在轨辐射定标技术需求与挑战

2.1 精准性

精准性是遥感载荷在轨辐射定标中最基本也是最重要的要求。精准性包括准确（accuracy）和精确（precision）两方面的内涵。其中，准确性指的是多次测量的平均值与被测物理量真值的接近程度，常用误差表示，误差越小，准确度越高；精确性指的是多次测量值的集中程度，在相同条件下将测试方法多次实施，求出所得结果之间的一致程度，其大小常用偏差表示，也可用重复性和再现性表示。图1描绘了准确性和精确性这两个测度之间的差别和联系。只有准确性和精确性俱佳的遥感数据才能最大程度地满足行业应用的实际需求。

图1 准确性与精确性涵义示意图Fig.1 Schematic diagram of the concepts of accuracy and precision

遥感载荷定标需求随应用方向而不同。例如，大气科学应用有关的载荷会受大气效应的影响，故这类载荷必须测定偏振和光谱响应方面的属性，以便补偿大气的偏振效应或光谱散射、吸收以及发射效应。对于海色研究，大气层顶TOA（Top of Atmosphere）辐亮度测量不确定度要求优于0.5%，而要达到这种级别的准确度，偏振、杂散光、响应非线性度等因素引起的不确定度贡献需要控制在0.1%的量级上（Tansock 等，2015）。对于陆地遥感，为了监测地表特性的变化，需要在大气校正之前利用辐射定标系数对载荷观测数据进行校正，否则反演的地表参数产品会出现系统误差。例如，干旱监测在分析植被的年际变化的时候一般会用到超过10 年的数据（例如NDVI），载荷定标未能检测到的载荷性能变化有可能就会被误解译为植被胁迫或干旱（Wang 等，2012）。大气遥感中，红外辐射计和红外光谱仪通过15 μm（667 cm−1）附近二氧化碳波段来反演大气温度，从科学需求上来说大气温度不确定度应小于1 K（Datla 等，2011），这要求载荷在轨辐亮度测量的不确定度在1.36%@270 K—2.2%@210 K，考虑还有载荷自身非均匀性等误差来源，载荷绝对辐射定标不确定度需要小于1%。表1 列出了不同应用对于光学遥感载荷的在轨辐射定标准确度需求。

表1 不同应用的遥感辐射定标准确度需求（Datla等，2011）Table 1 Accuracy requirements of remote sensing radiometric calibration for different applications（Datla et al.，2011）

由于技术上的革新，过去几十年间光学载荷在轨辐射定标准确度一直在逐步提升。以可见光近红外（VNIR）和短波红外（SWIR）谱段为例，Terra 和Aqua 卫星上的MODIS 载荷、以及后来的Sentinel−3/OLCI 载荷，定标准确度均要求达到2%（k=1）以内（Justice 等，1998；Xiong 等，2005，2006）；云和地球辐射能量系统CERES（Clouds and the Earth’s Radiant Energy System）则要求优于1%（k=1）的定标准确度（Gorroño 等，2017）。但是由于遥感载荷观测信号在辐射传输及接收过程中，与地面、大气以及载荷光电系统发生的复杂作用，给气候变化应用等更高数据要求的载荷在轨辐射定标带来极大挑战。

2.2 一致性

一致性（consistency）指的是不同遥感载荷或同一遥感载荷在不同观测时间对于相同目标的观测数据或者反演信息在物理意义和数值上的统一性和相似性。在遥感数据处理和信息产品生产过程中，数据来源、操作流程、处理方法等因素往往造成数据和信息产品显示出不同的信息表达。即使是同一载荷，由于观测条件以及运行过程中不可避免的性能变化，在不同时期对同一地物目标获取的数据信息表达也会出现差异，如图2 所示，在FY−3A/MERSI（MEdium Resolution Spectral Imager，中分辨率光谱成像仪）载荷对伪不变定标场PICS（Pseudo−Invariant Calibration Sites）Libya4的观测值中，存在由于载荷辐射响应退化引起的TOA 反射率随时间递减的现象（Kim 等，2014）。对于不同载荷，在同一时间对同一地物目标获取的数据及信息产品也往往呈现出不一致现象，图3展示了Terra 和Aqua 卫星上具有相同通道设置的MODIS 载荷在0.65 μm 和1.24 μm 通道获取的深对流云DCC（Deep Convective Cloud）时间序列观测数据（Doelling 等，2015），可以发现单个卫星上的MODIS 载荷对于稳定目标的观测辐亮度一致性较好（十多年内变化小于1%），而不同卫星搭载的MODIS 载荷对相同目标得到的测量值（TOA 反射率）存在约1.2%的差异。造成上述现象的主要原因在于，虽然Terra 和Aqua 卫星上MODIS 载荷的星上定标原理一致，但不同卫星的漫射板退化毕竟有差异，由此带来星上定标结果的不同。因此，MODIS 在以“太阳+漫射板”定标为主的同时，还利用深对流云、月球、PICS 场地等稳定目标对定标结果进行验证，并且对其发布的数据产品进行版本更新，从而保证定标结果的一致性。

图2 FY−3A/MERSI对Libya4观测的TOA反射率时间序列（Band 8）Fig.2 Time−series TOA reflectance derived by FY−3A/MERSI data through observing the Libya4 site（Band 8）

图3 Terra/MODIS和Aqua/MODIS在不同时间对DCC观测的TOA反射率差异对比图（Degrade表示下降率，STDerr表示二次拟合的标准差，Mean表示平均记录增益）Fig.3 Time−series TOA reflectance difference derived by Terra/MODIS and Aqua/MODIS through observing DCC（Degrade is the declination，STDerr is the standard deviation via quadratic fitting，Mean is the averaged gain）

图4 TRUTHS的空间辐射基准不确定度传递（Fox和Green，2020）Fig.4 Uncertainty transfer chain of radiometric benchmark for TRUTHS（Fox and Green，2020）

随着卫星遥感技术的蓬勃发展，星座组网的多卫星多载荷协同观测技术成为当前的卫星产业发展热点。国内高分系列、资源系列卫星均尝试双星组网观测，“高景一号”卫星是中国首个自主研制的高分辨率商业遥感卫星星座，全色分辨率0.5 m、多光谱分辨率2 m，四星组网后全球任一地点皆可实现一天重访（中国遥感应用协会组，2021），欧比特高光谱卫星星座、长光卫星均采用多星组网的方式提供商业卫星数据服务。在国外，由美国行星实验室（Planet Labs Inc.）主导发射的Dove 小卫星星座（包含190 多个小卫星）实现了近乎每天3 m高空间分辨率的全球覆盖，为监测地表精细尺度的变化提供了前所未有的机会。为了保证星座内部不同卫星数据一致性，同类载荷的设计参数非常接近、在数据处理过程中也采用相同的处理算法。然而，不同卫星载荷在轨运行中的辐射特性变化通常难以保证一致，利用场地定标或交叉定标手段进行性能跟踪受到卫星运营方的广泛重视。在2016 年的CEOS/WGCV 全球自主辐射定标场网（RadCalNet）首次用户测试期间，美国WorldView−2/3、RapidEye、DOVE 小卫星星座、俄罗斯Resurs−P 等卫星均踊跃申请参与。美国地质调查局（USGS）美国地球资源观测与科技中心（EROS）2018 年组织NASA、USGS、ESA、Planet、Maxar 等多家单位的专家开展了关于“Optical Satellite Calibration and Quality Comparison：How Good are Smallsat Data？”的专题讨论，提出综合利用伪不变定标场、交叉定标、研制基准载荷等定标手段来保证多载荷观测数据一致性，并倡议各空间组织和机构应进一步加强合作交流，以实现遥感载荷高精度定标并加速促进地表产品一致性的提升（Helder等，2020）。

2.3 可追溯性

可追溯性（traceability）指的是“一串不曾中断的文档记录或一条不曾中断的测量链路，以及与它们有关的不确定度”（Tansock 等，2015）。计量意义上的可追溯性依赖于3个原则：（1）遥感产品和数据可以通过一条连续的链路追溯到SI（Systeme International，国际单位制）基准；（2）分析整个传递链路中各因素的不确定度，计算数据和产品的总不确定度；（3）通过比对来验证数据和产品的不确定度（Ma等，2020）。

载荷未上天之前，可以通过严格的实验室定标，确保定标结果的可追溯性。载荷上天后，由于测试基准传递链路断裂，遥感观测数据难以真正溯源至SI。以太阳反射谱段为例，星上定标器（如太阳漫射板）的性能在卫星在轨状态下无法追溯至实验室计量基准，从而带来卫星载荷辐射观测数据的质量追溯难题。载荷在轨运行期间，通过观测地面参考目标的方式，获得可与卫星观测比对的地面辐射基准，是弥补遥感载荷上天后传递链路断裂的有效途径，也是当前中国遥感载荷在轨辐射定标的主要技术手段。而且，并不是所有遥感载荷都配有星上定标器，随着大量低成本遥感卫星的发展，如何利用地面参考目标进行定标（这种方式称为场地定标或外场定标）已成为主流的定标技术之一。在场地辐射定标时，利用经实验室定标的外场仪器或设备，获取可追溯至实验室SI 基准的地面测量值，进而经由大气辐射传输模拟至卫星高度的过程中，考虑地面参考目标特性及卫星过境时刻成像条件、地表及大气参数测量条件、辐射传输模型误差等诸多影响辐射传输过程的因素，并将各因素不确定性进行量化，即可构建涵盖全过程各环节的完整基准传递链路。尽管场地定标由于溯源链路长导致不确定度较大，但其毕竟提供了一种可将载荷观测数据与实验室辐射测量基准相链接的技术手段，能够保证不同卫星载荷在轨观测数据之间的可比性，从而实现具备统一质量标准的产品融合应用。

2007 年以来，CEOS 开展了对地观测质量保证框架QA4EO（A Quality Assurance framework for Earth Observation）计划（GEO和CEOS，2012），以支持地球观测组织（GEO）建立全球对地观测综合系统（GEOSS）。QA4EO 以对地观测数据产品的质量追溯为核心，基于“可访问性/可用性”（Accessibility/Availability）和“适用性/可靠性”（Suitability/Reliability）两大主要原则，研究如何量化产品质量、建立产品质量指标体系，以及如何评价产品准确度、建立真实性检验规范。由于遥感载荷定标误差是导致数据产品不确定性的主要原因之一，而该过程是与航天、航空及地面遥感测量仪器系统直接相关的实验研究过程，为了尽可能降低定标不确定度并保证数据产品质量的可追溯性，CEOS 相继制定了月球定标、地面测试仪器交叉比较、瑞利散射绝对辐射定标、地基校验场构建、校检场特性、海洋水色遥感及水下探测等8 项规范，这些规范被纳入QA4EO 并被GEO采纳。

3 光学遥感卫星在轨辐射定标研究进展

3.1 星上定标

星上定标利用卫星搭载的星上定标系统来实现遥感载荷在轨辐射定标，具有高频次、高效率、高精度（Wang 等，2019）等优点。光学载荷星上定标采用的定标光源包括标准灯、太阳光、黑体等。

1972年美国第一颗陆地卫星Landsat−1 搭载“标准灯”，开始将星上定标方法应用于遥感载荷的在轨辐射定标（Helder 等，2012），此后经历了“标准灯+漫射板”（Chander 和Markham，2003；Zhou 等，2015；Williams 等，1985）、“标准灯+积分球”（Fox等，2002；Zhou等，2015；Mendenhall等，1999；Gellman 等，1993；Markham 和Helder，2012），直到目前主流的“太阳+漫射板”（Markham 等，2004，2014；Labandibar 等，2004）的全孔径全光路高精度星上定标的发展历程。早期的星上定标方法利用标准灯照射反射率已知的漫射板（或积分球）来实现载荷在轨定标，但由于标准灯和漫射板（或积分球）只能从光路中间某个部位切入，造成“标准灯+漫射板”（或“标准灯+积分球”）的方式无法实现全光路定标，因此其也被称作“内定标”（IC）法。并且随着点灯次数和点灯时间的增加，标准灯的性能会发生严重衰退，如Landsat 7 搭载的定标灯主灯辐射性能在大部分波段以每年约1%的速度衰退，这使得其测量结果仅被用于自身的稳定性跟踪而非载荷辐射性能校正（Barsi等，2016）。

太阳是一个高度稳定的辐射源，从1984 年—1999 年的地球辐射量卫星（ERBS）实测资料可知，太阳辐射的变化不超过0.2%（陈海龙，2003）。因此，“全孔径太阳定标（FASC）”法以太阳作为辐射参考基准，调整平台姿态，将太阳光引入载荷内部，并利用漫射板使得辐射降低到载荷响应的动态范围内，实现载荷全光路的定标。此方法依赖于地面实验室对太阳漫射板二向性反射率分布函数BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）的准确测量，以及太阳漫射板在太空环境中受紫外辐射、质子轰击等因素影响的性能衰减（杨本永 等，2009）。因此，对太阳漫射板全寿命期BRDF量值的监测和修正是保证遥感载荷星上定标精度的关键。国际上主要采用标准探测器、备用太阳漫射板、比辐射计等来监测太阳漫射板的衰减情况。例如，SeaStar/SeaWiFS和ENVISAT/MERIS 分别采用标准探测器和备用漫射板来监测太阳漫射板的衰减情况（贾迪 等，2018）。但是由于标准探测器和备用漫射板也会随时间的推移发生衰减，如MERIS 在2011 年3 月工作时长为37 min，备用漫射板的反射率衰退了0.2%（Bourg 和Delwart，2006），因此1999 年起MODIS 载荷采用比辐射计作为漫射板的稳定性监视器，比辐射计分别交替观测入射的直射太阳光、太阳漫射板反射的太阳光，并通过对比二者的观测值来监测和跟踪太阳漫射板BRDF的衰减，这大大改善了定标稳定性，能够达到优于1%（Doelling等，2015）。随后，NPP/VIIRS 也采取了同样的定标方案（Xiong 和Butler，2020），定标稳定性达到2%。中国FY−3A/MERSI 采用陷阱探测器来监测星上定标器的输出变化，两者的搭配使得MERSI 星上辐射定标的不确定度可达5%（胡秀清 等，2013；Xu等，2018）。

对于红外发射谱段的星上定标而言，自从1978 年美国国家航空航天局NASA（National Aeronautics and Space Administration）发射的热容量制图辐射计HCMR（Heat Capacity Mapping Radiometer）（Barnes 和Price，1980）首次搭载红外星上定标系统以来，大多采用星上黑体和深冷空间作为高、低温辐射参考进行定标，定标准确度主要取决于黑体自身的发射率及稳定性。参考黑体的发射率一般达0.995 以上，腔式黑体温度均匀性可达±0.1 K，稳定性为±0.1 K/30 min（盛一成等，2019）。若黑体温度可调，则可得到多个等级的定标点。MODIS 星上黑体采用一种全孔径V 形槽平板面黑体，表面发射率可达0.997；具有良好的温度均匀性，其波动在0.03—0.08 K 的范围内，黑体辐射覆盖了整个仪器的入射口径，属于全光路定标，这使得MODIS 及其后续的NPP/VIIRS 热红外波段定标准确度优于±0.2 K（Chang 和Xiong，2011）。2009 年底升空的美国Landsat−8 的热红外探测器TIRS 的星上定标与MODIS 类似，采用一种全孔径V 形槽平板曲面黑体进行全光路定标。由于技术和星体结构的限制，中国早期星载辐射计只在后光路设置了定标黑体，无法实现全光路的黑体定标，在定标算法中需要计算主镜和次镜等前光路组件的辐射贡献，这个过程会引入一定误差，例如FY−2/VISSR（郭强 等，2013）。随着技术的发展，中国红外载荷星上定标能力有所提升。2017 年发射的FY−3D/HIRAS 采用的黑体辐射源的发射率优于0.997、控温稳定性优于0.1 K（胡朝云等，2019），其红外波段定标准确度为0.3—0.5 K（Qi等，2020）。FY−4A/AGRI实现了全口径、全光路的黑体定标，AGRI 热红外波段定标准确度为±0.5 K（耿晓雯 等，2020），相比而言距离国际先进水平依然有一定距离。

针对不断提高的光学卫星辐射观测精准度要求，近年来国际上提出了把可溯源至SI 的辐射基准源搭载至卫星上的“空间辐射基准”的技术思路，如欧洲2003 年提出的TRUTHS 计划（Fox 等，2003，2017），计划搭载的低温太阳辐射计自身不确定度<0.01%，可实现辐射基准载荷反射波段定标不确定度<0.3%；美国2007 年提出的CLARREO计划（Anderson 等，2004；Wielicki 等，2013），星上定标黑体发射率约为0.9999，温度不确定度约为25 mK，可实现辐射基准载荷发射波段定标不确定度<0.1 K。中国从“十二五”以来先后部署了863 计划项目“空间辐射测量基准源研制”、“太阳反射谱段空间辐射基准载荷技术”、“红外发射谱段空间辐射基准载荷技术”，计划在2022年完成原理样机的研制，通过低温电替代、参量下转换辐射源、相变固定点空间基准黑体辐射源（Hao 等，2020，2022；Sima 等，2021；Song 等，2020）等关键技术突破，实现太阳总辐照度和光谱辐照度、地球反射辐亮度和辐射亮温的绝对测量能力（卢乃锰 等，2020；Zhang 等，2020）。虽然空间辐射基准仍处于探索阶段，但它是极大提升星上定标准确度、解决遥感卫星高精度长期稳定观测问题、确保多源卫星数据质量一致性的有效途径，也必将成为未来星上定标技术发展的主导趋势。

主要的星上定标方法的特点总结见表2。纵观卫星光学遥感器星上定标发展过程，有如下发展规律和趋势：（1）星上定标过程纳入越来越多的遥感载荷器件，由半光路定标向全光路定标发展；（2）星上定标源由点源向小面源、大面源直至充满全孔径全视场发展；（3）星上定标源的稳定性逐渐增强，如反射谱段由标准灯到利用漫射板引入太阳光，并加入对星上定标系统（积分球/漫射板）稳定性进行监测的标准探测器，红外星上定标也是一直致力于提升黑体发射率并增强其稳定性。

表2 星上定标方法对比Table 2 Comparison of on-orbit calibration methods

3.2 场地定标

20世纪80年代，Slater等提出了利用辐射校正场对在轨卫星载荷进行绝对辐射定标的方法（Slater等，1987；Biggar等，1990；Frouin和Gautier，1987），即场地定标（亦称外场定标）。根据地面同步测量参数的差异，太阳反射谱段场地定标方法包括反射率基法、辐照度基法和辐亮度基法。

反射率基法是指遥感载荷过境的同时，在辐射定标场进行地面参考目标反射率和大气光学参量的同步测量，然后利用大气辐射传输模型计算出载荷表观辐亮度，建立载荷获取图像DN 值与地面对应像元表观辐亮度之间定量关系的一种方法（Slater 等，1987；Frouin 和Gautier，1987；Thome，2001）。反射率基法需投入的测试设备和获取的测量数据相对较少，因此被广泛采用，国际上从20世纪80 年代开始，对Landsat 4/TM、Landsat 5/TM、Landsat 7/ETM+、Landsat 8/OLI、SPOT/HRV、Terra/MODIS、Terra/ASTER、GOES−5/−6/VISSR、NOAA−7/AVHRR 等（Slater 等，1987；Biggar 等，1991，1994；Thome，2001；Thome 等，2003，2004a，b，2008；Chen 等，2013；Czapla−Myers 等，2007）以及中国FY−1C/MVISR、CBERS−04/WFI、FY−3A/MERSI、ZY−3/MUX、Landsat 8/OLI（张玉香 等，2002；刘李 等，2016；孙凌 等，2012；韩启金 等，2013；Liu等，2017）等众多光学载荷开展了基于反射率基法的场地定标，不确定度约为5%—7%。

辐照度基法是对反射率基法的改进，它将气体吸收引起的消光与散射作用分离开来，并进行实际测量，在外场试验中除了需要对参考目标表面反射率和大气参数进行同步测量外，还需测量参考目标表面的漫射辐照度和总辐照度（Biggar等，1990）。Thom 等首次将辐照度基法应用于Landsat 5/TM，结果表明其定标不确定度约为3.5%，随后研究学者采用辐照度基法对Landsat 5/TM、SPOT/HRV、Terra/MODIS、FY−1C/MVISR、CBERS/CCD（Thome 等，1997；Wei 等，2016；Smith 等，1998；Holmes 和Thome，2001；胡秀清等，2003；张冬英 等，2002）等光学载荷开展了场地定标。辐照度基法虽然降低了反射率基法中由于气溶胶散射近似带来的误差，但由于漫射/总辐照比的测量在高纬度地区会产生较大误差，给辐射传输模拟将带来一定不确定性。

辐亮度基法是在卫星过境的同时，使用飞机搭载经过准确定标的机载遥感载荷，在一定的海拔高度上，以与星载遥感载荷相同的几何观测角进行同步测量，并在修正卫星与飞机之间的大气影响差异之后，推算星载遥感载荷的表观辐亮度，最终实现星载遥感载荷的辐射定标。Kriebel（1981）首次尝试了利用光谱范围为400—1100 nm、定标不确定度为3%的单通道辐射计搭载至11 km高度的飞机上，实现了Meteosat 可见光通道5%的定标不确定度；Slater 等（1987）在美国白沙测试场进行了辐亮度基法的定标试验，将四通道辐射计搭载在飞行高度为3000 m 的直升机上以实现Landsat 4/TM 辐射定标，其与反射率基法的定标结果一致性在5%以内；Abel 等（1993）利用航空飞机搭载定标不确定度为2%的NESDIS−SEL 载荷在美国白沙测试场开展了NOAA−11/AVHRR 辐亮度基法定标试验，分析表明采用辐亮度基法定标的不确定度为3.8%。辐亮度基法直接观测地表反射辐亮度，且所需订正的残余大气较少，故受气溶胶的影响较小。但是该方法定标准确度较依赖于搭载在飞机上的辐射计，而且由于需要飞机的辅助实施，定标所需费用高，实施难度较大，实际应用相对受限。

总的来说，传统的太阳反射谱段场地辐射定标方法主要存在如下两方面问题：其一，大多采用人工同步测量的方式获得场地的反射光谱特性和大气环境数据，受限于定标场地目标特性、卫星过境时刻观测几何、地表及大气参数等测量中多种不确定因素的影响，场地辐射定标的精度一般认为在5%—7%左右；其二，辐射定标场一般处于戈壁、沙漠、降水少的大面积湖泊等偏远地区，受限于卫星过境时刻成像条件、地表及大气测量条件，定标系数一般每年仅更新一次，难以及时准确校正载荷辐射性能的退化情况，而且由于每次测量环境条件差异，即便是同一定标场地也无法保证测量条件的复现性，导致不同时间、不同场地的定标不确定度均有不同，无法保证载荷在不同时间获取信息的一致性，不同载荷获取的信息更难以准确比对，因此国际上往往将场地定标作为一种验证手段。长期以来中国遥感卫星载荷在轨定标主要依赖于每年一次的场地定标，难以准确反映卫星载荷的性能衰变。

提高定标频次最直接的方法是建设更多地理分布不同的定标场，增加定标机会。CEOS/WGCV自1984 年以来就一直致力于全球范围内辐射定标场的优选，已选择了49 个分布于不同地域且差异显著的辐射定标场，统称为CEOS 参考标准测试场（CEOS Reference Standard Test Sites）（Berthelot 和Santer，2009）。这些场地大部分分布在沙漠、干湖床、冰雪覆盖地区，场区地表覆盖均一性高且面积足够大，并且不同地物类型场地之间的辐射特性存在较大差异，能够较好地满足光学遥感载荷的在轨绝对辐射定标所需的参考目标宽动态要求。按照场地是否有条件装备测试仪器开展外场测试，CEOS 参考标准测试场分为陆地装备场LES（Land Equipped Sites）和陆地非装备场LNES（Land Non−Equipped Sites）（Santer 和Berthelot，2009）。陆地装备场可以装备各种地面测量仪器开展外场绝对辐射定标和辐射性能检测；陆地非装备场由于地处沙漠、戈壁、冰原等人迹罕至、交通不便地区，不具备开展外场测试的条件，主要用于对辐射定标和辐射性能检测结果进行验证。然而，即使是LES，多数也没有可常态化观测目标/大气光学特性的设备，仍然以人工测量为地面同步测量数据获取的主要手段，存在外场测试中难以克服的时空同步性差、效率不高、不同操作人员数据采集手法难以完全一致等问题，距离高频次、一致性的全球多场地联合定标的初衷依然相差甚远。

为了解决场地辐射定标对人工依赖性强、长期获取地面同步数据困难等问题，近年来国际上逐渐出现了自动化场地辐射定标的新思路。其以无需人工同步测量为特点，采用无人值守的自动化观测设备获取场地的地表和大气参数数据，可实现卫星光学载荷的高频次在轨辐射定标（Czapla−Myers 等，2010；李新 等，2014；Wang等，2017；庞博 等，2019；Ma 等，2019，2022）。CEOS/WGCV 在2014 年正式启动了全球自主辐射定标场网（RadCalNet）计划。RadCalNet制定了入网标准，通过优选全球差异化地理分布的典型定标场，形成网络化的地面和大气参数自动化、可溯源获取能力，进而构建具备全球统一质量标准的定标数据处理中心（https：//www.radcalnet.org/［2022−03−18］）。美国Railroad Valley Playa 定标场、法国La Crau 定标场、欧空局ESA（European Space Agency）Gobabeb 定标场和中国国家高分辨遥感综合定标场（简称“包头场”）成为首批4个RadCalNet 示范场。经过ESA 牵头组织的两轮用户对比测试，RadCalNet 已进入业务化运行，并在RadCalNet 数据中心网站提供30 min 一次、10 nm光谱分辨率的大气层顶（TOA）反射率产品，在提升外场辐射定标精度的同时可极大改善定标频次与一致性（Bouvet等，2019）。

基于伪不变定标场PICS（Pseudo−Invariant Calibration Sites）的辐射定标是另一种无需人工测量的光学遥感载荷在轨辐射定标方法。其基于地表和大气特性常年稳定的PICS，利用高精度遥感载荷（如MODIS）的时间序列数据，拟合观测值与观测几何、观测时间之间的变化关系，构建出半经验的遥感载荷入瞳处辐亮度或反射率预测模型，然后利用模型计算值与待定标卫星观测获得的表观辐亮度或表观反射率值进行对比分析，进而实现光学遥感载荷辐射定标（Helder等，2013）。PICS 选场在空间、光谱、角度效应以及地表/大气的时间稳定性方面有着严格要求（Lacherade 等，2013）。CEOS/WGCV 经过对多个LNES场地近10年的大量数据分析，确定了6 个PICS，分别是Algeria3、Algeria5、Libya1、Libya4、Mauritania1、Mauritania2。这些PICS 均分布在非洲沙漠地区，具有反射率高、气溶胶浓度低、无植被覆盖的特点，场地的辐射稳定性在VNIR 谱段约为2%，在SWIR 谱段约为2%—3%（Helder 等，2010）。国内也开展了中国本土区域的稳定目标筛选和目标特性测量，确定了一批辐射特性相对稳定的地面目标（Hu 等，2020）。PICS 定标方法已应用于Landsat、SPOT、POLDER、IKONOS、Envisat、MetOp、NOAA、ALOS等多颗卫星的反射谱段光学遥感载荷辐射定标验证和辐射特性稳定性分析。例如，Helder 等（2013）利用Terra/MODIS 和EO−1/Hyperion的观测数据基于Libya4构建了Landsat 7/ETM+的大气层顶（TOA）反射率预测模型，所得预测值与ETM+观测获得的TOA 反射率值之间的差异在VNIR 谱段为3%，在SWIR 谱段小于6%。Chander 等（2010）利用上述6个PICS 的ETM+（1999 年—2008 年）和MODIS（2000 年—2008 年）时间序列数据分析了这两个载荷的辐射定标稳定性，得到两者在PICS 上的TOA 反射率变化每年不超过0.4%。

对于红外发射谱段的场地定标而言，Slater 等（1996）在EOS 定标计划中提到两大类方法，一是基于温度的定标方法（温度基法），二是基于辐亮度的定标方法（辐亮度基法）。其中，基于温度的定标方法是在载荷对目标成像时刻，利用热辐射计测量目标表面的出射辐亮度或温度，同时测量目标比辐射率、大气下行辐射以及目标—载荷辐射传输路径上大气温湿度廓线等参数，利用大气辐射传输模型模拟得到载荷表观辐亮度，并结合载荷获取红外图像上的目标平均DN 值，计算得到载荷相应通道的绝对辐射定标系数。基于辐亮度的定标方法与太阳反射谱段的辐亮度基法类似。

由于水体具有热容大、表面均一、比辐射率接近于1等特点，红外载荷定标大多选择大面积水体作为参考目标，例如美国太浩湖（Lake Tahoe）、索尔顿海（Salton Sea）、伊利湖（Lake Erie）和安大略湖（Lake Ontario）等，通过在水体中放置各种类型的浮标测温设备可测量水体表面温度或水体温度。NASA 喷气推进实验室JPL（Jet Propulsion Laboratory）自1999 年以来在太浩湖布设了4套锚系无人值守的永久浮标系统，搭载水体表面温度测量辐射计、风速风向测量装置、水体温度测量装置等，已用于Terra/MODIS、Terra/ASTER、Landsat 7/ETM+、Landsat 8/TIRS 等热红外遥感载荷的常态化场地定标（Barsi 等，2014；Padula 和Schott，2010）。此外，陆地定标场也被可用来作为红外载荷定标的高温地面参考目标。Tonooka 等（2005）利用太浩湖、索尔顿海、Railroad Valley Playa 定标场等6 个水体和陆地场采用基于温度的定标方法和基于辐亮度的定标方法对Terra/ASTER 进行了场地定标，结果表明Terra/ASTER 热红外波段的星上模拟值和观测值的平均差异为0.4 K。中国学者多次利用青海湖、南海水面对中国HJ−1B、FY−1C、FY−2B/2C 等卫星的热红外载荷进行场地定标（韩启金 等，2010；刘李等，2012，2014；胡秀清 等，2001，2002）。中国资源卫星应用中心自2018 年开始在青海湖部署了锚系无人值守的永久浮标系统，以常态化测量水表温度，同时还架设了地基微波辐射计、地基激光雷达实时获取青海湖大气温湿度廓线以及气溶胶光学特性。然而，由于目标红外辐射瞬态变化快、外场测量易受环境影响等特点，红外载荷定标不确定度一般徘徊于1—2 K（戎志国 等，2002；韩启金 等，2010；刘李 等，2012）。

鉴于红外场地定标需要开展地表温度和大气廓线测量，投入成本高且单次测量不确定度较大，部分研究者也尝试借助再分析资料，结合辐射传输模拟的方式实现红外载荷辐射定标。例如，Gube 等（1996）利用NCEP 提供的海表温度数据和ECMWF 提供的大气剖面数据，对Meteosat 卫星红外波段进行定标，解决了缺少星上黑体条件下业务化定标的难题，得出的定标不确定度为±1 K；Schott 等（2012）综合采用了飞机过境测量、海表面动力学温度测量、辐射计测量、水下浮标测量等获取的水体表面温度或离水辐亮度数据，结合NCEP 再分析资料，对Landsat 系列卫星近30 年的红外数据进行再定标与校准，不确定度优于0.6 K。童进军等（2005）利用青海湖水文自动观测浮标系统测得的水表温度、NCEP 再分析资料的探空廓线对HY−1/COCTS 热红外通道进行了定标，与在青海湖的同步试验结果进行比较，两者的结果一致。该方法也被用于FY−2B 热红外通道的绝对辐射定标（Tong等，2004）。

表3总结了主要的场地定标方法的特点。对于拥有高性能星上定标设备的光学遥感载荷，场地定标可以作为星上定标的辅助校验手段；星上定标不适用时，场地定标则成为基本的定标手段。场地定标对地面场地的高要求促成了全球辐射定标场/测试场的建设。

表3 场地定标方法对比Table 3 Comparison of vicarious calibration methods

3.3 交叉定标

交叉定标的基本思路是让辐射定标准确度高的卫星载荷与待定标卫星载荷观测同一目标区域，将二者的测量值进行比对以实现待定标卫星载荷的辐射定标（Chander 等，2013a）。多年来国内外大量学者以MODIS、AIRS、IASI等作为参考载荷，对其他对地观测载荷以及大气探测载荷进行了大量的交叉比较研究，发展了同步星下点过境SNO（Simultaneous Nadir Overpasses）（Cao 等，2008）、统计交叉定标（Shi 和Bates，2011）、稳定目标（Helder 等，2008）以及要素转换（Liu 等，2004）等多种方法。2005 年，WMO 和CGMS 建立了全球星载交叉定标系统GSICS（Global Space−based Inter−Calibration System）（Goldberg 等，2011），旨在利用交叉定标手段实现气象卫星载荷在轨辐射性能评价跟踪以及辐射定标系数计算等（http：//gsics.nsmc.org.cn/［2022−03−18］）。

根据开普勒第三定律：卫星的高度越高，其轨道周期越长。随着时间的推移，不同轨道高度的卫星会在特定地点相遇，形成轨道交叉点。Cao等（2004）分析705 km 轨道高度的Aqua 卫星与850 km 轨道高度的NOAA−16 卫星的交叉机会，计算表明二者每2—3 天在±80°左右的极地区域可实现同步观测，由此引出了基于SNO 的交叉定标方法。Heidinger 等（2002）利 用Terra/MODIS 和NOAA−16/AVHRR 的SNO 观测数据进行交叉定标，定标后的NOAA−16/AVHRR TOA 反射率与NOAA−9/AVHRR TOA 反射率之间的相对误差在5%以内。Cao 等（2008）分析表明，对于AVHRR 与MODIS具有相似光谱响应函数的波段（例如0.63 μm 波段），在30 s 的时间差异约束下，交叉定标不确定度可以控制在1%以内。在国内，Xu 等（2014）以Aqua/MODIS 为参考载荷，对FY−3C 上搭载的MERSI 和VIRR（Visible and Infrared Radiometer）载荷可见光通道开展了基于SNO 的交叉定标，还利用GOME−2 的TOA 反射率光谱数据调整MODIS和MERSI及VIRR 的光谱差异，结果表明交叉定标后的MERSI 和VIRR 的TOA 反射率与MODIS 相应通道的TOA反射率相对差异在2%以内。

基于SNO 的交叉定标要求严格的观测时间、角度匹配（如观测时间差异<5 min，角度差异<3°），其算法不涉及角度、空间、时间方面的转换。对于粗分辨率、宽幅以及每日覆盖全球的气象卫星来说，匹配机会不是特别困难，尚可获得足够的SNO 样本。不过，SNO 交叉点往往存在于南北极区域，这些轨道交叉点对应的地表类型单一，对于载荷辐射响应范围的代表性不足。为了使交叉点覆盖更多的地物类型和辐射响应能级，Cao 等（2012）通过放宽交叉点的时间、角度匹配约束条件，发展了扩展的SNO方法（SNOx），使得交叉点的空间范围扩大到中低纬度地区。在时间差异限定为10 min的情况下，评估了NPP/VIIRS与Aqua/MODIS 载荷的辐射一致性，消除光谱差异后VIIRS 与MODIS 在太阳反射波段的TOA 反射率差异在1.5%以内。有些学者通过将时间差异放宽至30 min，在中低纬度获得更多的交叉点来实现卫星载荷的SNOx 交叉定标（Uprety 等，2013）。然而，对于中高分辨率卫星载荷，窄幅宽和小视场角限制了足够数量SNO、SNOx 交叉点的获取，同时高空间分辨率下地面参考目标的非均匀性一般也会进一步加剧。继续放宽角度差异和时间差异约束虽然可以获得更多交叉匹配机会，但随之而来的问题是两颗卫星对同一目标观测时的状态发生较大变化，需综合考虑地面目标的各向异性及地气耦合瞬态变化效应，校正参考卫星载荷与待定标卫星载荷之间的时间、角度、光谱差异，使得二者具有相同的入瞳辐射参考基准。Liu 等（2004）利用敦煌场开展Terra/MODIS和FY−1D/MVIRS的交叉定标，二者之间存在1—2 h 的时间差异、10°—30°的观测天顶角差异，利用6S辐射传输模型和敦煌场BRDF 模型，并结合两个载荷的光谱响应函数，实现了两个卫星载荷观测数据的一致性转换，交叉定标的不确定度在5%左右。Gao 等（2016）基于敦煌场和格尔木场地开展了GF−1/PMS 与Landsat 8/OLI 和Terra/MODIS 之间的交叉定标，采用辐亮度调整因子和反射率调整因子（MIAFs）补偿PMS与参考载荷之间的时间差异（13—50 min）、观测天顶角差异（50°）以及光谱响应差异，使用OLI 进行交叉定标的不确定度为5%—7%。考虑到大气辐射传输模型（例如MODTRAN 的不确定度为2%）以及地表BRDF 模型误差，这种基于多要素转换的交叉定标的不确定度通常在5%左右（Zhao等，2018）。

交叉定标中使用时间稳定性高、朗伯性好的地面参考目标（例如PICS）有助于降低交叉定标中时空匹配差异、角度转换带来的不确定度。Chander 等（2013b）以PICS 场地为参考目标，开展了EO−1/ALI 和Landsat 7/ETM+、Terra/MODIS 之间的交叉定标，定标后ETM+的TOA 反射率与ALI的TOA 反射率之间的相对差异从5%减小到4%以内，对于光谱响应函数差异更大的MODIS，其TOA 反射率与ALI 的TOA 反射率之间的相对差异从1%—16.2%降低至5%以内。何兴伟等（2020）基 于6 个PICS，以SeaStar/SeaWiFS（Sea−viewing Wide Field−of−view Sensor）为参考载荷，对FY−3C/MERSI 太阳反射波段开展交叉定标，结果表明使用交叉定标系数计算的MERSI波段1和波段2 的TOA 反射率与基于官方定标系数计算的TOA 反射率的比值在0.95—1。Vermote 和Saleous（2006）以Terra/MODIS 为参考载荷，利用沙漠等稳定目标对NOAA−16/AVHRR 开展交叉定标，将其定标系数与基于海面和DCC 计算的定标系数进行对比，二者之间的差异在1%之内。Li 等（2017）利用Algeria 的稳定目标，以Landsat−8/OLI 为参考载荷对Sentinel−2A/MSI 进行交叉定标，定标后MSI 的7 个可见—短波红外波段的TOA 反射率与OLI 的TOA 反射率之间的相对差异减小到1%以内。此外，伴随RadCalNet 业务化运行，提出了利用RadCalNet 自动辐射定标场作为地面参考目标，实现“参考载荷→RadCalNet TOA 反射率产品→待定标载荷”的辐射基准传递链路，为时间、角度约束放宽下的交叉定标提供新的解决途径（杨敏 等，2021）。以地球稳定目标、自动辐射定标场等为地面参考目标的交叉定标成为SNO、SNOx 等传统交叉定标方法的有益补充，特别是能为高分辨率卫星载荷在轨辐射定标提供有力保障。

表4总结了主要的交叉定标方法的特点。交叉定标实施成本低、频次高，成为验证光学遥感载荷辐射定标系数的常用手段。交叉定标的准确度主要受参考卫星辐射性能的支配，随着国际上“定标星”技术的发展，交叉定标的应用效果未来将得到大幅提升。

表4 交叉定标方法对比Table 4 Comparison of cross-calibration methods

3.4 月球定标及其他

月球作为长期稳定存在的自然天体，没有大气和液体的流动侵蚀，其表面稳定性非常高，每年的变化低于亿分之一（Kieffer，1997）。将其用做定标源可避免大气以及表面环境状态变化的干扰。21 世纪初，国际上出现了新的卫星在轨定标手段——月球定标，主要用于太阳反射谱段载荷辐射定标。该方法通过调整遥感载荷姿态对月球进行成像，并利用月球反射的太阳能量信息来实现载荷的辐射定标和辐射稳定性监视。OrbView−2/SeaWiFS、Terra/MODIS、Aqua/MODIS、NPP/VIIRS等遥感载荷都具备对月球成像的能力，可进行长期、系统的太阳反射谱段月球定标。

月球辐射特性的精准获取是决定月球定标效果的重要因素。有别于地面参考目标，月球辐射特性无法直接测量获取，国际上一般利用地基或天基对月观测数据构建月球辐射模型。美国地质调查局利用地基自动月球观测台（ROLO）在1997 年—2003 年期间进行了地基月球观测，获得了构建月球辐射模型必需的观测数据（http：//www.moon−cal.org［2022−03−18］）。Stone 和Kieffer（2004）综合考虑月相、天平动变化、地形分布和反冲效应4个因素，提出了月球圆盘等效反照率的解析表达式，即ROLO模型，并利用地基对月观测数据对解析模型进行3 次拟合，得出模型的最终表达式，拟合残差约为1%，模型不确定度约为5%—10%。然而ROLO 模型仅对32 个波段进行了建模，在波段覆盖范围上有所不足。全球星载交叉定标系统（GSICS）和CEOS/WGCV 的IVOS 专业组联合成立了月球定标子工作组，旨在通过成员间共享月球影像数据GLOD（GSICS Lunar Observation Dataset），在ROLO 模型的基础上，构建更精准的月球辐照度模型GIRO（GSICS Implementation of the ROLO model）。另外，针对NPP/VIIRS 昼夜波段（Day/Night Band）夜间遥感的应用，Miller 和Turner（2009）利用数十年的地基对月观测数据以及绕月卫星测量的反射率数据，拟合得到月球圆盘等效反照率随月相变化规律，构建了MT2009 高光谱模型，其波段范围为0.20—2.80 μm，模型不确定度约为7%—15%。不过MT2009 模型只考虑了月相角对辐照度的影响，没有考虑月表地形起伏、天平动、反冲效应的影响，导致其模型精度不高，在月相角小于5°时尤甚。

受限于当前月球辐射模型精度，月球定标手段主要用于卫星载荷辐射稳定性监测及开展不同载荷间的交叉验证。例如，NASA 利用NPP/VIIRS的对月观测数据与ROLO模型模拟的月表辐照度进行比对，以监视VIIRS载荷的在轨性能变化，并将月球定标结果同星上漫射板定标结果进行比较，结果表明两种方法的一致性优于2%。Twedt（2021）利用月球为参照，分析得出NOAA−20/VIIRS 在2018 年—2020 年期间M1 波段衰退了至少1.5%。Xiong 等（2010）利用MODIS 近8 年的对月观测数据计算出月表辐照度，并利用ROLO模型对观测辐照度数据进行归一化以实现MODIS 辐射特性的稳定性监测。Eplee 等（2011）基于月球观测数据开展了SeaWiFS 和MODIS 的交叉对比，结果表明两者的辐射测量一致性在3%—8%的水平。Xiong 等（2008）以月球为观测目标，利用ROLO 模型对Terra/MODIS 和Aqua/MODIS 进行了对比分析，结果显示二者相对差异在1%—3%。Urabe等（2019）利用GIRO 模型对SGLI、MODIS 和VIIRS 进行了比对，结果表明三者相对差异在1%以内。

此外，除了太阳和月球，太空中部分恒星也具有极好的辐射稳定性，可作为长期稳定的辐射基准。作为真正的点源，恒星用于在轨定标已有40余年历史。研究表明对恒星光谱能量分布的辐射标定在可见光—近红外谱段的不确定度优于1%，红外谱段（约2—14 μm）优于5%；光谱标定的不确定度在可见光谱段<1%，红外谱段约为1%（Russel等，2007）。由于大多数对地观测载荷的视场、信噪比无法满足恒星观测要求，且用于计算恒星辐射值的观测数据大多集中于天文观测的相关谱段，恒星定标方式目前主要在天文卫星和相关的天文观测中使用，只有极少数高分辨遥感载荷（例如IKONOS、Pleiades）开展了恒星定标相关的研究。Bowen（2002）利用Gunn &Stryker 恒星光谱数据集筛选出了11 颗恒星用于IKONOS 载荷在轨辐射定标和长期稳定性监测。Fourest 等（2012）尝试利用恒星对Pleiades 进行辐射定标，结果表明在波段B0和B1恒星定标和场地定标所得增益系数相对差异小于2%，而在B2 和B3 波段相对差异则大于10%。

4 空间辐射基准传递定标前沿技术

为了解决高精准度在轨定标的辐射基准问题，本世纪初，欧美先后提出将可溯源至SI 的辐射基准源引入卫星，称之为可溯源卫星SITSat（SI−Traceable Satellites）（俗称“定标星”）。以欧空局的“TRUTHS”和美国的“CLARREO”计划为例，拟通过同时观测地球稳定目标或者月球，将高精准度空间辐射测量基准从可溯源卫星传递至其他卫星上，以大幅提升光学遥感卫星辐射定标整体水平、保证数据质量一致性。“十二五”以来，中国也通过国家863计划和重点研发计划项目先后部署了空间辐射测量基准源、基准载荷和相关基准传递关键技术攻关工作（卢乃锰 等，2020）。虽然各国“空间辐射基准系统”中的空间辐射基准仍处于探索阶段，但是这种为其他载荷提供统一且可溯源至SI 标准参考源的定标方法，将大大提升光学载荷在轨辐射定标精度、保证多源卫星数据质量长期的高一致性与高稳定性，必将成为未来在轨定标技术发展的重要趋势。

4.1 可溯源至SI的空间辐射基准

21 世纪初，NPL 联合UK Space Agency 提出欧洲TRUTHS 定标星建议（Fox 等，2002），多年来持续开展了可溯源至SI 的初级基准（CSAR）、星上定标系统以及高光谱成像系统等的设计和技术攻关。TRUTHS 计划包括如下几个遥感载荷（Fox和Green，2020）：（1）低温太阳绝对辐射计CSAR（Cryogenic Solar Absolute Radiometer），这是TRUTHS计划中最为关键的载荷。CSAR 采用与实验室中所使用的低温初级基准源相同的技术，在低于30 K的环境下不确定度可优于0.01%，实际运行过程中有可能维持在相对较高温度的环境中（<60 K）。目前TRUTHS 已开展了第二代CSAR（CSAR_v2）的设计研制工作。（2）高光谱成像光谱仪HIS（Hyperspectral Imaging Spectrometer），这是TRUTHS计划中实现对地、对月以及对日观测的主要载荷。光谱范围覆盖320—2450 nm，光谱分辨率在1000 nm以下为4 nm，1000 nm 以上为8 nm，空间分辨率为50—100 m（取决于探测器和信噪比），总幅宽100 km，信噪比大于150；（3）在轨定标系统OBCS（On−Board Calibration System）用于实现星上的基准传递，主要包括一个传递辐射计TR（Transfer Radiometer）、8—10 个低功率激光二极管LDs（Low Power Laser Diodes），一个积分球IS（Integrating Sphere）以及一个带有两个扩散器（diffusers）的扩散器轮。

TRUTHS的空间辐射基准传递过程可分为如下几个步骤：（1）利用LDs 实现TR 向CSAR 的溯源。这一步要求LDs的光谱是已知的，并且整个过程也需要针对每个不同波长的LDs 分别进行。（2）在LDs 的波长上，利用TR 对HIS 进行定标。（3）使用标准灯实现HIS所有波长上的定标。由于特定光谱位置上的绝对辐射响应已经由第（2）步标定，此步骤主要利用标准灯光谱的平滑性对其他波长进行定标。TRUTHS 最终预计实现太阳光谱辐照度0.3%，太阳总辐照度0.02%，对地观测光谱反射率0.3%的准确度（Fox和Green，2020）。2019年5 月，欧空局将TRUTHS 定标星任务列入地球观测计划（ESA Earth WATCH mission）中，预计将于2026年—2028年上天（Fox等，2021）。

2008年—2010年，NASA、科罗拉多大学和威斯康星大学等推动美国“CLARREO”计划启动，希望其能够成为环绕地球的“计量实验室”，为探测气候变化提供SI 溯源参考（Roithmayr 等，2014），并逐步开展计划论证、详细设计以及太阳反射（RS）谱段、红外（IR）谱段基准载荷研制。CLARREO 计划设计的载荷中包括太阳反射光谱仪（Reflected Solar Spectrometer）、红外傅里叶变换光谱仪（Infrared Spectrometer）和全球导航卫星系统掩星接收机（Global Navigation Satellite System−Radio Occultation）。红外傅里叶变换光谱仪为地球表面发射辐射的测量提供了一个基准，光谱范围200—2000 cm−1（目标是到2760 cm−1），光谱分辨率0.5 cm−1，星下点视场不小于25 km。该红外光谱仪可溯源至星上搭载的黑体，黑体的温度由3种物质的相位变化单元标定，黑体的发射率由定标激光和一个热挡板来获得，该红外光谱仪测量的系统不确定度小于0.1 K。太阳反射光谱仪提供320—2300 nm 范围的地球反射太阳辐射的测量基准，光谱分辨率8 nm，光谱采样间隔≤4 nm，仪器的扫描幅宽大于100 km，采样间隔0.5 km，信噪比大于33（380—900 nm）和20（其他波长）。太阳反射光谱仪的极化敏感性在1000 nm 以内小于0.75%和0.25%，辐射定标准确度优于0.3%（反射率）。太阳反射光谱仪能够直接瞄向月球和太阳进行定标，也能够瞄向其他对地观测载荷的视场以获取相匹配的同步观测。掩星接收机用于大气探测，其对5—20 km 高度内大气的探测准确度可达0.06%（Wielicki等，2013）。

我不知道到哪里去找寻白丽筠，打她的手机停机，上网QQ呼她，头像是灰的，我留心各种媒体报道的车祸事故，甚至去我们这座小城的所有水域巡查，没有任何疑似消息，一概没有。我痛感到我与白丽筠的联系其实多么脆弱，就像孩子手里的一只风筝，只要一阵风就把我们彻底拆散了，再也找不到。最后，我去了白丽筠工作的售楼部，明知道没有用，还是去了。售楼部经理说，白丽筠已经辞职了。“辞职”两个字让我冰凉的心里升起一丝暖意，既然白丽筠想到要辞职，就不像是一个要去自杀的人。

2013 年—2014 年，NASA 利用高空气球开展了两次升空高度39 km 的飞行试验，搭载CLARREO 太阳反射光谱仪的原理样机—气候科学高光谱成像仪HySICS（HyperSpectral Imager for Climate Science），验证了其工程性能（Kopp 等，2017）。2016 年，NASA 设立了CLARREO 探索计划“CPF（CLARREO Pathfinder）”，希望利用小卫星作为平台搭载HySICS，实现辐射基准载荷反射谱段测量不确定度<0.3%。CPF 的轨道高度设计为609 km，轨道倾角设计为90°，这样的轨道设计能够满足CPF 计划对于全球和局地尺度、以及季节和年际变化监测的需求。2019 年，CPF 项目通过初步设计审查（PDR），预计搭载于国际空间站（ISS）运行，计划于2023 年底发射（https：//clarreo−pathfinder.larc.nasa.gov/mission−overview/［2021−11−10］）。

4.2 空间辐射基准传递定标

作为星上定标新理念的“空间辐射基准”虽有望实现跨越式的定标精准度提升，然而，可溯源至SI 的辐射基准尚处在探索阶段，其费用就目前而言也将远高于传统的星上定标系统，并不适宜在每颗业务卫星上都搭载空间辐射基准载荷。因而，在欧美提出的“定标星”计划中，是以可溯源至SI 的“空间辐射基准”作为参考，让其他卫星载荷与“定标星”上的空间辐射基准载荷观测相同目标场景，将高精准度的辐射基准从“定标星”传递至其他卫星载荷，从而实现“空间辐射基准传递定标”。虽然定标星暂时并未上天，但由于空间辐射基准传递定标的核心在于星—星观测要素交叉匹配，其应用理念可以找出很多原型，如SNO、统计交叉定标、基于大气辐射传输法以及光线追踪法等多种交叉定标算法，以及WMO 和CGMS 构建的全球星载交叉定标系统（GSICS）（Chander 等，2013a）。分析表明，在严格的SNO匹配约束下，大幅宽、高重访的卫星太阳反射谱段交叉定标不确定度能够控制在1%以内（Cao等，2008），但是一方面这种严格SNO 匹配约束下的交叉点多分布于高纬地区，难以代表载荷全动态响应，另一方面对于幅宽和重访周期受限的高分辨率陆地观测卫星载荷，往往难以获得足够的交叉匹配机会。而在放宽时空谱角匹配约束的条件下，由于基准载荷与待定标载荷之间在观测几何、探测谱段、时空同步等方面的差异，导致地面参考目标特性及大气环境变化等带来的不确定性可能会淹没“定标星”高精准度辐射基准所作的努力。

可以说，作为将待定标载荷与空间辐射基准进行关联的必经途径，空间辐射基准传递定标成为发挥未来“定标星”应用效益的关键。欧美在“定标星”的设计中均把空间辐射基准传递作为重要环节。如TRUTHS 计划除定标星本身支持长期气候变化科学研究目标外，还特别强调通过交叉定标的方式实现空间辐射基准传递，在地面基础设施的支撑下使得全球光学卫星定标精准度实现跨越式提升（Fox和Green，2020）。CLARREO CPF则提出将实现两个任务目标：其一，实现350—2300 nm 上的反射率星上可溯源定标，定标精度比现有载荷高5—10 倍（Kopp 等，2017）；其二，作为在轨参考光谱仪，对其他卫星太阳反射波段进行交叉定标（Lukashin 等，2013），列入CPF 空间辐射基准传递定标应用计划的卫星载荷有CERES、VIIRS。

空间辐射基准传递定标的核心在于基准卫星和待定标卫星观测相同的目标场景，因此需综合考虑卫星轨道差异、载荷特性差异及可匹配的目标场景特性。Fox 等（2021）分析了利用交叉定标方法实现CLARREO CPF 和THUTHS 空间辐射基准高准确度传递的需求：在轨道设计方面，采用不同于通常陆地、海洋、气象等业务卫星高度的轨道，将更容易在较为严格的时间角度约束（例如±5 min）下，获得分布于全球高、中、低纬不同位置的SNO 交叉点；在空间基准载荷设计方面，需要具备相对较高的光谱分辨率与空间分辨率，以TRUTHS 为例，基准载荷在350—2300 nm 范围内连续采样且光谱分辨率小于4—8 nm，同时空间分辨率达到500 m，一方面是为了降低光谱匹配差异，另一方面足以匹配面向气候应用的粗分辨率载荷，而对于高分辨率载荷，也可通过被定标载荷观测像元聚合的方式实现空间匹配；在传递所借助的地面参考目标方面，PICS 场地特性减小了季节性和朗伯性的影响，是辐射基准传递过程中理想的参考场地，而月球因为没有大气影响，也可作为传递的中间场景。TRUTHS 和CLARREO CPF 虽分别由ESA 和NASA 主导，但各自在系统设计中均体现了上述考虑。

TRUTHS 计划使用的传递定标参考场景包括RadCalNet 定标场、PICS 场、月球、海上浮标、深对流云/Rayleigh/Sunglint 等自然景观，借助这些参考场景将其可溯源至SI 的空间辐射基准传递到其他遥感载荷（Lukashin等，2013）。Javier等（2017）以TRUTHS 为基准载荷分析PICS、La Crau 等参考场，通过分别估算光谱、空间、时间差异带来的不确定度，得到30 min 时间差异带来的不确定度约0.2%—0.4%，以Sentinel−2为待定标载荷可实现0.4%—0.7%的定标不确定度。

CLARREO 也在其CPF 计划中提出空间辐射基准传递定标不确定度优于0.3%的目标。为了比常规SNOs 交叉定标提供更多的空间、时间、光谱波段和角度匹配结果，从而改进交叉定标效果，CPF把轨道建模及交叉定标事件预测作为关键环节。Wielicki 等（2008）通过研究交叉定标中存在的8 个维度挑战（时间、纬度、经度、高度、SZA、VAA、VZA 等），采用轨道模拟方法设计出3 个倾角为90°的CLARREO 轨道专门用于交叉定标。针对月球定标中绝对辐射测量基准不够准确的问题，CLARREO 计划提出了利用CPF 在轨运行期间对月球的长期观测，10 倍提升现有ROLO 模型的准确度。除了在10 min内对CERES、VIIRS以及月球光谱反射率进行近地轨道（LEO）交叉定标测量，CPF还将对至少一个地球同步轨道（GEO）上的遥感载荷进行交叉定标测量（在7.5 min内），并将对通常用于场地定标的陆表场地（例如Libya4）进行星下点测量，这些数据将提供给科学界进行进一步的数据分析（https：//clarreo−pathfinder.larc.nasa.gov/inter−calibration/［2021−11−10］）。Roithmayr 等（2014）的研究表明如果CLARREO 在609 km、90°倾角的极轨轨道上运行，可为JPSS 平台上的CERES 和VIIRS 载荷提供足够的交叉定标机会，且数据匹配误差对交叉定标的不确定度贡献将在0.3%以内。

中国在“十三五”国家重点研发计划中部署了“空间辐射基准传递定标及地基验证技术”项目，考虑不同陆地、气象、海洋卫星载荷由于自身观测特性导致的星—星观测匹配条件差异，针对性地开展多途径辐射基准传递及测试基准一致性溯源关键技术攻关，发展空间辐射基准传递定标方法，研制国产卫星空间辐射测量基准传递定标数据处理与溯源分析系统。其方法体系架构见图5。

图5 中国空间辐射基准传递定标方法架构Fig.5 Structure of approaches for China radiometric benchmark transfer calibration

为了验证空间辐射基准传递定标技术，“空间辐射基准传递定标及地基验证技术”项目利用包头场加入RadCalNet 的契机，在中国集成构建具备国际统一质量标准的地基验证场网，研制地基反射/发射谱段目标特性自动测量设备，并通过标准辐射传递辐射计、外场设备环境适应性、局地大气辐射传输建模等技术创新，建立SI—外场—星上测量基准传递链路（Ma等，2020），在保证多试验场的测量基准一致性和产品质量可追溯的同时，进一步发展网络化辐射定标产品综合定权技术，降低单场地验证不确定性，提升地基验证精度。

在“空间辐射基准传递定标及地基验证技术”体系中包含天基、地基两条辐射基准传递链路：（1）从作为“空间辐射基准载荷”的高精度卫星，借助对于宽动态参考目标场景的观测，将空间辐射测量基准传递至其他待定标卫星载荷，这条传递链路的主要目的是定标；（2）借助地基观测设备对于地基验证场的特性测量，将辐射测量基准从实验室传递至外场，进而利用过境卫星的同步观测传递至待验证卫星载荷，这条传递链路的主要目的是验证。

4.3 临近空间辐射基准传递定标

将空间辐射基准载荷搭载于低轨卫星或空间站上，一方面仍具有较长的重访周期，导致难以全面提升与多系列卫星的交轨频次；另一方面其匹配点分布于全球范围，缺乏局地地表和大气的先验知识，导致实际地物下垫面均匀性、地表BRF、大气环境扰动、时空匹配等仍会引入大量不确定度（Fox 和Green，2020）。高空科学气球能够飞行于40 km，甚至达到50 km 高的临近空间。由于绝大部分大气质量和天气现象集中在气球飞行高度以下，在此高度获得的对地观测辐射与卫星观测辐射已基本一致。另外，由于高空科学气球能够实现区域长时驻留式飞行，因此可以将其看作是一个准静止的观测平台。将空间辐射基准载荷搭载于高空科学气球平台，针对特定区域目标开展观测，进而实现辐射基准的传递也是一种可行的方案。

NASA 于2013 年和2014 年先后开展了两次利用高空科学气球搭载辐射基准载荷的原理验证试验（Kopp 等，2014，2017），两次高空气球试验的飞行高度均在39 km左右，每次试验持续时间约9 h。两次试验均搭载了CPF 计划支持研制的HySICS 载荷。HySICS 的设计沿袭了CLARREO 思路，通过对直接观测太阳光谱辐照度进行实时校准，使得载荷具有更佳的稳定性，设计所能达到的对地观测辐射不确定度为0.2%。

Kopp 等（2017）基于试验数据进行了较为全面的不确定度分析工作，分析了包括成像仪焦平面校正中的坏像元、读数噪声、暗电流和热背景、线性度、像元相关的增益、平场校正，仪器光学系统带来的散粒噪声、衍射、光谱校正、亮度偏移、极化，以及由于消光系统带来的光学表面区域照明差异导致的孔径比、积分时间、滤镜透过率等多种因素带来的不确定度，并给出了最终的合成不确定度（对于不同亮度的地面场景，7.67%—9.43%@350—2300 nm；1.88%—2.16%@450—1900 nm）（图6）。最大的不确定度贡献来源于：（1）焦平面和光栅效率导致的平场校正和读数噪声影响；（2）消光系统实验室定标中由于光源限制带来的影响；（3）气球飞行过程中月球定标时较低的能量值。同时推断HySICS 不确定度受太阳辐照度实时校准方法和过程的影响很小，在明亮场景下不确定度能达到0.3%的水平。

图6 HySICS试验不确定度分析（Kopp等，2017）Fig.6 Uncertainty of HySICS observation（Kopp et al.，2017）

尽管NASA 的HySICS 高空科学气球试验主要目的是验证CLARREO 原理样机及太阳辐照度校准方案，但试验的结果也为开展临近空间辐射基准传递定标带来了启示。中国在国家重点研发计划项目“空间辐射基准传递定标及地基验证技术”的支持下，也探索并开展了基于高空科学气球平台的临近空间辐射基准传递定标试验。试验搭载了非成像的可见—短波红外辐亮度计作为辐射基准参考，最高飞行高度达到32 km。得益于试验过程中有效的载荷工作状态控制，获得的对地观测数据具有较高的稳定性，为后续适合临近空间搭载的辐射基准载荷的设计研制，以及临近空间光学辐射基准系统的构建积累了宝贵的经验。

5 结语

时至今日，由于航天遥感载荷星上定标难以溯源，而以地面目标测量值为参照基准的场地定标受尺度效应、大气条件、环境变化等不确定因素影响较大，光学遥感载荷在轨定标的精准性和可靠性问题，仍属亟待解决的国际难题，尤其是在满足全球变化等热点问题的高精准度、高一致性定标需求上尚有较大欠缺。本文从光学遥感在轨辐射定标的精准性、一致性、可追溯性技术需求出发，回顾了星上定标、场地定标、交叉定标、月球定标等光学遥感卫星主要在轨辐射定标方法的发展历程及技术要点，介绍了当前国际前沿的空间辐射测量基准传递定标技术，其利用“定标星”搭载空间辐射基准载荷，通过与其他卫星载荷同时观测目标场景的方式，将高精准的空间辐射测量基准从天基标准辐射定标系统向光学遥感业务卫星传递，并准确核算传递路径中各环节的不确定度，保证不同遥感卫星数据产品质量的高一致性、可追溯性，有望开创全球统一质量标准的高精准度、高稳定性、高频次定标新局面。

21 世纪欧、美、中均提出了各自的“定标星”计划，作为将待定标载荷与定标星辐射测量基准进行关联的必经途径，空间辐射基准传递定标技术的突破成为发挥未来定标星“空间辐射基准载荷”应用效益的重要环节。由于不同卫星载荷观测要素转换涉及地面目标的各向异性及时空耦合转换、辐射测量基准溯源、地气耦合瞬态变化效应等诸多科学问题，发展空间辐射基准传递定标技术面临以下挑战：

（1）高精准度的在轨辐射基准传递方法。在假设卫星时空谱角观测要素完全一致的情况下，辐射测量量值可直接由基准载荷传递给待定标载荷。然而，实际情况下两颗卫星载荷的观测要素很难完全一致，由此对于不同特点的卫星载荷会遇到不同问题：对于陆地观测卫星，一般重访周期长、幅宽窄，因而轨道交叉机率小，且观测目标空间异质性与各向异性特征显著，辐射基准传递就需要在放松观测要素匹配约束的情况下，进行目标特性时/空/谱/角多要素耦合转换；对于气象/海洋卫星，虽然不存在轨道交叉困难的问题，但针对SNO 交叉点多在两极，辐射能级覆盖不足，亦需联合深对流云、南极冰盖、高稳定沙漠、月球、平静海洋等多源自然稳定目标，发展在轨多目标融合的宽动态综合传递定标，提升传递定标的适用性以及定标频次。

（2）一致性的数据产品辐射质量追溯技术。卫星上天后，数据产品辐射质量需要通过地基验证的手段才能追溯到定标基准。这其中涉及两个方面的问题：一方面需要降低地基辐射基准传递链路中目标特性测量、大气辐射传输全链路各环节的不确定度，来提高地基真值准确度；另一方面，需要综合不同下垫面、不同环境的试验场，开展网络化地基验证，以降低单独使用一个场地的不确定性，提升总体验证精度。因此有必要引入国际前沿的网络化全球自主辐射定标理念，通过差异化分布下垫面、高频次地基自动测量、统一质量标准的多场地定标基准溯源与不确定度分析，来保证不同时间、不同卫星数据产品的质量一致性。

（3）全系统的空间辐射基准传递定标验证技术。在定标星上天前，如何贯通空间辐射定标基准源、参考目标特性、传递模型方法等产生不确定度的环节，系统性验证空间辐射基准传递定标技术链路，这需要在尽量减小环境不确定性影响的前提下开展外场试验。考虑到大气层中的分子和粒子垂直分布密度均存在指数衰减的规律，在18 km 高度以上影响大气辐射传输过程的大气成分和物理环境相对稳定，因此，在平流层高度开展试验是验证空间基准辐射传递定标技术体系的有效方式之一。然而，这对平台负载能力、机动控制能力、长时驻空能力等都提出了很高的要求，平流层特殊的空间物理环境也对载荷的环境适应能力提出了挑战。