欧洲哥白尼计划的现状和未来

文|李俊杰 陈卫荣 孙学娇

中国资源卫星应用中心

哥白尼计划（Copernicus Programme）是欧盟的地球观测计划，旨在观测地球及其环境，提供利用卫星观测和现场数据的信息服务，造福所有欧洲公民，被誉为地球上空的欧洲之眼（Europe's eyes on Earth）。欧洲联盟委员会（EC）管理该方案，与欧盟（EU）成员国、欧洲航天局（ESA）、欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT）、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、欧盟机构和墨卡托海洋（Mercator Océan）合作实施。

哥白尼计划由3 个部分组成：1）空间部分，哨兵系列卫星和相关的地面系统，以及其他卫星的贡献任务；2）现场测量部分，提供海洋、大陆表面和大气层信息的地面和空中数据收集网络；3）服务部分，开发和管理服务，并向用户和公众提供。哥白尼计划所提供的信息服务是免费的，用户可以公开获取，欧洲认为该计划是迄今为止最雄心勃勃的对地观测计划。

一、哥白尼计划的目标和历史沿革

哥白尼计划是一个对地观测计划，其目标是实现全球、连续、自主、高质量、大范围的地球观测能力，提供准确、及时和易于获取的信息，以改善环境管理，了解和减轻气候变化的影响，并确保公民安全。

哥白尼计划的前身是全球环境与安全监测（GMES），该计划于1998 年提出，2012 年更名为哥白尼计划。哥白尼计划选择哥白尼的名字，是在向一位伟大的欧洲科学家致敬，哥白尼通过对星空的观测，提出日心说，改变了我们对宇宙的看法。

哥白尼计划遵循分阶段的方法从研发转向运营服务，2008 年至2010 年间分阶段投入使用，最初的运行始于2011 年，2014 年开始全面运行。

二、对地观测任务卫星和数据

哥白尼计划庞大的对地观测系统有3“多”：卫星多、载荷多和任务多，形成了全面的、成体系的对地观测系统，其卫星和数据分为专门的哨兵任务和贡献任务（CCMs）。

1.哨兵任务

ESA 当前开发的哨兵（Sentinel）任务卫星（见图1）有6 类，包括Sentinel-1、Sentinel-2、Sentinel-3、Sentinel-4、Sentinel-5P/5、Sentinel-6，用于陆地、海洋和大气监测的雷达和超光谱成像。每个哨兵任务都基于两颗卫星的星座，以满足卫星重访的覆盖要求，为所有哥白尼服务提供强大的数据集。

图1 哨兵家族卫星示意图（来自ESA）

哨兵任务的目标如下：

Sentinel-1：雷达观测任务，提供用于陆地和海洋服务的全天候昼夜雷达成像，同时可用于地表形变监测；Sentinel-1A 于2014 年4 月发射，Sentinel-1B 于2016 年4 月发射并在2022 年8月失效。

Sentinel-2：高分辨光学陆地观测任务，宽幅高分辨率双星多光谱成像，为美国陆地卫星（Landsat）和法国斯波特卫星（SPOT）任务的数据连续性和增强而设计，用于哥白尼计划的陆地和安全业务；Sentinel-2A 于2015 年6 月发射，Sentinel-2B 于2017 年3 月发射。

Sentinel-3：中分辨陆地和海洋观测任务，为海洋和陆地应用（如海洋水色、海洋和陆地表面温度、海面和陆冰地形、植被产品等）提供地球观测数据，2 颗Sentinel-3 卫星可在两天内实现全球覆盖，在不到3 小时的时间内实时交付产品；Sentinel-3A 于2016 年2 月发射，Sentinel-3B 于2018 年4 月发射。

Sentinel-4：静止轨道大气观测任务，提供大气成分数据产品（如臭氧、二氧化硫、气溶胶光学厚度等），支持欧洲上空的空气质量监测和预测，这些数据将以高空间分辨率每小时生成一次；卫星预计2024 年发射。

Sentinel-5P/5：近地轨道全球大气观测任务，提供大气成分数据产品（如臭氧、二氧化氮、二氧化硫、甲烷和气溶胶光学厚度等），提供全球空气质量监测服务；Sentinel-5P 于2017 年10 月发射，Sentinel-5 预计2025 年发射。

Sentinel-6：绘制海平面图任务，量化和监测全球和区域海平面变化和海平面上升率，以支持海洋气象学和海洋学业务服务；Sentinel-6A 于2020年11 月发射，Sentinel-6B 预计2025 年发射。

2.贡献任务

哥白尼计划除了专用的哨兵卫星提供数据外，还有哥白尼贡献任务，超过30 颗贡献任务卫星提供补充数据，同样发挥着至关重要的作用，以确保满足一系列观测要求。

贡献任务包括来自欧盟成员国及哥白尼计划参与国的商业任务运营商、商业超高分辨率（VHR）光学和雷达任务运营商、新兴的欧洲任务运营商，这些运营商将其部分数据提供给哥白尼计划。贡献任务活动的重点是及时提供超高分辨率的光学和雷达数据，但数据源类型正在逐步扩大，还包括其他新兴的商业数据（如热红外、高光谱和大气成分数据），以满足不断变化的用户需求。图2 是哥白尼计划贡献任务卫星概览图，其中有中国的商业卫星高景一号（Superview-1）。

图2 哥白尼计划贡献任务卫星概览图（来自ESA）

三、数据和信息服务

哥白尼计划的数据和信息是通过一组服务提供给用户，大多数用户可在线获取。哥白尼计划目前每天可提供16TB 的数据，是世界上最大的空间数据提供商。哥白尼计划的数据和信息主要通过以下两种方式对外提供服务：一是哥白尼数据空间生态系统，主要提供对地观测数据产品，也提供基于数据衍生的信息；二是哥白尼服务，面向6 大应用领域提供专业信息服务，包括土地、海洋、大气、应急、安全和气候变化。

1.哥白尼数据空间生态系统（Copernicus Data Space Ecosystem）

用户可使用浏览器或API 接口通过该生态系统（2023 年1 月启用）浏览和访问来自哥白尼哨兵卫星的大量开放和免费的对地观测数据，包括最新和存档的哨兵图像；此外用户也可以通过欧盟委员会资助的5 个基于云的平台（也被称为哥白尼数据和信息访问服务，DIAS）获取哨兵数据；哥白尼数据空间生态系统提供一系列工具支持用户访问、查看、使用、下载和分析数据。

哥白尼数据空间生态系统特色主要有：1）全球最大的对地观测数据提供者，提供对地观测数据的发现和下载能力；2）提供一系列数据处理工具，从对地观测数据中提取客观信息并进行公共、私人或商业活动；3）繁荣的生态系统，提供来自公共、商业和科学服务供应商的数据、服务和应用；4）一个可惠及机构用户、科研、商业部门以及地球上的每个公民的服务。

2.哥白尼服务（Copernicus Service）

哥白尼服务提供的信息是通用的、标准化、多用途信息，其中许多是在国家或地区层面实施的，旨在实现可持续性。哥白尼服务的领域为如下6 个方面。

（1）土地（Land）

哥白尼土地监测服务（CLMS）向欧洲和世界各地的广大用户提供有关土地覆盖及其变化、土地利用、植被状态、地表水循环和能量平衡的地理信息，支持在空间和城市规划、森林和水资源管理、农业和粮食安全、自然保护和恢复、农村发展等方面的应用。

（2）海洋（Marine）

哥白尼海洋环境监测服务（CMEMS）为全球和欧洲区域海洋提供关于海洋和海洋生态系统的物理和生物地球化学状态、可变性及动态的定期和系统的参考信息，支持海洋资源、沿海及海洋环境和以安全为目标的海洋应用等。

（3）大气（Atmosphere）

哥白尼大气监测服务（CAMS）提供关于地球大气成分的连续数据和信息，支持健康、环境监测、可再生能源、气象学和气候学等领域应用。

（4）应急（Emergency）

哥白尼应急管理服务（Copernicus EMS）为参与自然灾害、人为紧急情况和人道主义危机管理的所有参与者提供及时准确的地理空间信息。

（5）气候变化（Climate Change）

哥白尼气候变化服务（C3S）通过提供有关欧洲和世界其他地区过去、现在和未来气候的权威信息来支持社会。

（6）安全（Security）

哥白尼安全应用服务（CSS）旨在通过提供应对欧洲安全挑战的信息来支持欧盟政策，它改进了三个关键领域的危机预防、准备和应对：边境监视、海上监视和对欧盟外部行动的支持。

图3 为哥白尼土地监测服务中，瑞典某地作物总生产力年度比较。

值得注意的是，哥白尼计划的数据和信息服务是免费的，哥白尼计划生成的数据和信息（即哨兵任务数据和哥白尼服务信息），对用于商业或非商业目的的使用、复制和再分配，都没有限制。机构和商业公司以满足特定用户需求为目标，使用哥白尼数据和信息开发的增值服务，可以免费或收费。

四、成果和未来发展

2023 年是哥白尼计划25 周年，哥白尼计划已经成为世界领先的地球观测计划，提供高质量和及时的数据，帮助应对关键的全球挑战。截至2023 年6 月，哥白尼计划有70.5 万名全球注册用户，已发布6240 万用户级别产品，被下载了550PB 的数据。从2014 年开始，Sentinel-1、Sentinel-2、Sentinel-3 和Sentinel-5P 卫星的数据产品面向全球完全免费和公开。

当前的哨兵任务（Sentinel-1/2/3/4/5/6）是哥白尼计划的核心,将补充发射Sentinel-1/2；为解决欧盟政策和哥白尼用户需求方面的差距，提高哨兵卫星的当前能力，准备研制第二代哥白尼（哥白尼2.0），ESA 目前正在研究6 个高优先级候选扩展任务：1）Sentinel-7（CO2M）：哥白尼人为二氧化碳监测；2）Sentinel-8（LSTM）：哥白尼地表温度监测；3）Sentinel-9（CRISTAL）：哥白尼极地冰雪地形高度计；4）Sentinel-10（CHIME）：哥白尼环境监测高光谱成像任务；5）Sentinel-11（CIMR）：哥白尼成像微波辐射计；6）Sentinel-12（ROSE-L）：哥白尼L 波段合成孔径雷达。

五、总结

哥白尼计划从服务用户，支撑欧洲环境管理和安全需要出发，围绕应用需求，建立对地观测卫星系统，结合地面、海洋和空中的现场测量，不仅提供类型多样的全球对地观测数据，还提供重点领域的信息服务，该计划提供的数据产品和信息服务遵循完全开放和免费的理念，而且产品级别从初级产品、高级产品到信息产品，满足不同层次用户的需要，广受世界各地用户的欢迎。

哥白尼计划是雄心勃勃的对地观测计划，从当前的成效来看也是造福全球具有世界影响力的对地观测计划。哥白尼计划在使命愿景、数据产品、全球共享分发、信息应用服务，推动地球系统科学研究和遥感产业发展等方面值得学习和借鉴。