[科普中国]-地球观测系统

产生背景

地球观测在人类生产生活的诸多领域中正发挥着越来越显著的作用，准确详尽地获取地球系统中物理、化学和生物各类信息，对于保护民众生命和财产安全、维护人类发展成果具有极其重要的意义。当前，世界各国、各组织相继开发使用了数量众多、种类庞杂的地球观测系统。这些系统和设备，分别从空中、水下、地面乃至地下等各个方位和角度，就大气气体构成、地壳地质运动、生态系统健康等多个领域开展信息搜集和数据分析，其为经济社会建设、灾害预测应对、资源开发利用等提供着必要的支持。2

地球观测系统（EOS）计划是由美国宇航局（NASA）发起，有欧洲空间局（ESA）、日本、加拿大等多国参与的大型国际计划，是近年来，也是未来几年国际上最宏大的一项遥测地球计划，是一项跨世纪的长期计划，EOS计划最初是为了参与美国全球变化研究计划（GCRP），以航天领域能做出贡献为其目的的缘起的。从80年代开始，NASA一边准备与美国国家海洋大气管理局（NOAA）、ESA、日本、加拿大的合作体制，一边致力于地球环境问题的研究，逐步推进而发展了EOS计划。EOS科学与任务需求工作组于1884年提出报告，EOS科学指导委员会对报告进行了讨论，提出了现在的EOS计划，并于1985年获得美国总统的明确支持，并把EOS计划布置于利用空间观测技术实施地球系统科学和全球变化研究的主要位置上。因此，EOS计划与国际地圈生物圈计划（IGBP、美国全球变化研究计划（GCRP）间的关系非常密切，起到了相辅相成，互相支持的作用。3

进入90年代，在美国、欧空局、日本、加拿大等国的积极推进下，EOS计划获得重要进展，随着EOS数据系统（EOSDIS）的启动，以及今后几年的一些大型平台的升空，EOS计划的主计划大约从1997左右年开始。在这之前，各参与机构围绕全球环境变化、资源调查都在积极地推进EOS计划的实施。目前，EOS计划的目的已经明确，框架已经建好，学科研究课题及优先领域也已经拟定，卫星及其传感器研制和发射也已列入研制日程。

EOS的目的EOS目的是把地球作为一个整体，引进地球系统科学，通过空间技术更深刻、更全面地观测地球系统，了解地球系统的现状以及现在是怎样地继续变化着，为全球环境变化研究做出贡献。3

为达上述目的，EOS计划从以下三个方面着手：一是建立一个基于空间的综合观测系统；二是发展一组庞大的数据信息系统，包括数据获取和处理过程；三是为了积累连续10年以上的遥感观测数据，建立全球数据库。通过这三个方面的工作，能够对组成地球系统的几个要素有一个更加深刻的认识：3

（1）地球能量收支的全球分布。

（2）从地表到中层大气层的大气结构、状态变量、组成和运动。

（3）包括陆地和内陆水域生态系统在内的地表物理和生物的结构、状态、组成和运动。

（4）地球的生物地球化学循环的速度，重要的生成、消亡源，主要的要素和过程。

（5）海洋循环、表面温度、风系统、波浪、生物活动。

（6）冰川、雪、海冰的范围、类型、状态、厚度、表面粗糙度、运动以及雪的水当量。

（7）全球范围降水的强度、数量和分布。

（8）包含地壳运动的地球整体的力学运动。

具体到各个学科或圈层领域，其目的分别包括以下领域：水循环领域、生物地球化学循环领域、气候过程领域、地球物理过程领域。3

组成结构地球观测系统（EOS）包括三大部分：

（1）EOS科学研究计划

（2）EOS数据信息系统（EPSDIS）

（3）EOS观测（平台、仪器）系统

EOS科学研究计划科学研究是EOS的基础，这一工作早已在进行，由NASA及其它美国研究机构和国际组织开展的地球科学研究是其前奏。在美国全球变化研究计划(USGCRP)及国际地圈一生物圈计划(IGBP)和世界气候研究计划(WCRP)的共同支持下，在美国本土EOS科学研究已具雏形。4

EOS数据信息系统EOS计划的一个主要目标是将依靠各研究组织及其合作增强EOS数据的应用能力。以往经验表明，只有通过一定的组织程序建立起来的信息系统才能更有效地发挥作用，而积极的用户参与是其程序中的重要一项。因此，数据信息系统需不断发展、不断完善，使之具有扩大的外部输入能力以备研究用户随时检测。从其使用观点出发，数据信息系统要能充分发挥其计算便利、网络便利的功能，其中包括数据解译和模式模拟，EOS数据的处理、分发和建档，对EOS观测平台、仪器的命令和控制等,从而达到支持EOS研究活动的目的。4

EOSDIS已在1991年随EOS的重新启动而正式开始实施，初始任务是利用现有数据来支持已有的地球科学与应用数据系统，在适当时机将这些系统纳入EOSDIS网络，这一步就靠给用户配置计算机设备来完成。积累一定经验之后，有关EOSDIS的处理、分发、建档等活动的试验性文件将产生并提供给研究团体检验。根据用户反馈意见，持续不断改进原有系统，并在第一台EOS平台发射前达到全部规定功能。EOS的全部功能将用于检测EOS观察系统及其仪器的运行状态，而且用于增强对进行中的EOS研究活动的支持。平台发射之后，EOSDIS仍将继续改进和扩充，这种不断的革新需要数据信息系统技术的开拓性进展。4

EOS观测系统EOS观察系统将与EOSDIS平行发展，其观测能力由各种独立的仪器及其在轨道上的组合排列所决定。为最大限度地科学利用EOS数据，促进EOS科研活动的全面开展，EOS观测仪器应能观测如下重要环境变量：

·云的特征

·地球与空间的能量交换

·地球表面温度

·大气圈、风、闪电及降雨的结构、组成和动力过程

·积雪及其消融过程

·陆地及水体表面生物活动

·洋流

·地球表面和大气圈间能量、动量及气体交换

·海冰的结构及其运动;冰川的生长、融化及其流动率

·裸露土壤、岩石的矿物成分

·地质断层周围应力和地面高度变化情况

·到达地球的太阳辐射和能粒

EOS观察平台将主要侧重于从近极轨道对全球进行昼夜特殊时次的观测，为得到强热带观测和完整日循环采样，需将某些仪器置于低倾角轨道进行观测。目前由于观测需求，NASA已与美国气象预报局、欧空局、日本、加拿大共同设计一个包括五个极轨平台的观察系统，其中的两个平台将作为EOS的一部分由NASA提供。NASA原定计划进行连续15年的观测，并且每5年要对平台-仪器组合体更换一次，这样NASA最初的EOS使命将由六个平台和每个入选仪器有3个相同备份来承担。美国国家研究委员会(NRC)最近研究肯定了NASA这一称作EOS-A系列的设计理论，同时希望NASA继续EOS-B系列的研制，以保证EOS观察系统最大限度地发挥作用。4

EOS科学研究计划、EOS数据信息系统和EOS观测系统共同构成完整的地球观测系统。科学研究是其基础，观测系统保证了数据信息系统的数据来源，数据信息系统的开发使用促进了EOS科研的顺利进行和EOS观测系统的顺利运行;反过来，EOS科研活动的成果又进一步指导和推动了EOS数据信息系统的发展和新型仪器、平台的研制。4

美国EOS卫星观测体系Terra（EOS/AM-1，10:30/地球星）卫星Terra卫星是美国、日本和加拿大合作开发的一个项目，Terra卫星是EOS系列卫星第一颗上午卫星，Terra拉丁语意为“地球”，它于1999年12月18日，VAFB,CA用Atlas-CentaurⅡAS火箭发射进入太空。

（1）Terra卫星特点：Terra卫星是三轴定向稳定卫星，6.8米（长）×3.5米（直径），发射前重量5190千克，进入轨道后重量1155千克，卫星平均功率为2.53千瓦，设计寿命为6年。Terra卫星采用太阳同步轨道，每天环绕地球16圈，卫星高度705千米，倾角98.5°，周期为99分钟，通过赤道时间10：30。有效载荷平均数据速率是18545Mbit/s，卫星上记录每一条轨道的数据，由GSFC接收卫星发送的数据。1

（2）Terra卫星携带的仪器有：中分辨率成像光谱辐射计（MODIS）、星载热发射和反射辐射计（ASTER）、多角成像光谱辐射计（MISR）、云和地球辐射能力系统仪（CERES）、对流层污染测量仪（MOPITT）。

（3）Terra卫星研究内容：陆面变化、森林的砍伐和草原变成农田对气候的影响，树木和植物吸收大气中的CO2，当有机物分解为CO2进入大气，知道有多少植被破坏，有多少植被恢复，产生多少有机物质是了解陆地人类对气候的影响。利用NOAA的卫星资料和总的臭氧成像光谱仪（TPMS）监视热带森林的燃烧，MODIS是第一颗获取地球表面每日陆地覆盖变化的仪器，MODIS可以监视燃烧着的森林火灾，树林和有机物的燃烧排放二氧化碳、一氧化碳、甲烷和气溶胶进入大气，也可以监视植物和森林火后树林的恢复，区分林地和作物地，区分老树林和新的绿草地。1

Aqua（EOS/PM-1S/C）卫星Aqua卫星是EOS系列卫星第一颗下午（13:30）卫星，Aqua名称是由于它获取包括海洋、陆地表面水、降水、水汽和径流等水的信息，Aqua是“水”的意思，它利用6种仪器连续长期记录地球上的水过程，于2001年12月18日发射入太空。1

Aqua是一颗三轴定向稳定太阳同步轨道卫星，卫星的尺寸：2.68米×2.47米×6.49米，太阳电池翼板展开后的尺寸：4.81米×16.70米×8.05米，发射前重量5190千克，进入轨道后重量1155千克。卫星平均功率2.53千瓦，设计寿命6年，Aqua卫星每天环绕地球16圈，卫星高度705千米，倾角98°，通过赤道时间10:30。卫星使用的X和S带频段发送讯号。1

Aqua卫星携带的仪器有：大气红外探测器（AIRS）、高级微波扫描辐射计（AMSR-E）、改进的微波探测单元（AMSU）、云和地球辐射能量系统（CERES）、湿度探测器（HSB）、中分辨率成像光谱仪（MODIS）。

Aura（EOS/Chem-1）卫星Aura卫星是用于测量从地面到中层大气化学成分和大气动力的卫星，其目的是监视自然源与大气成分之间的相互作用，由此对全球变化的作用和对臭氧的生成和破坏进行研究。Aura提供由人类引起的全球大气成分源、自由基、贮藏气和痕量气体、温度、位势高度和气溶胶分布。1

Aura卫星与Aqua卫星十分类似，卫星轨道是圆形太阳同步轨道，轨道高度为705千米，倾角为98°，通过赤道时间13:45，卫星尺寸为：2.7米×2.28米×6.85米，卫星展开后尺寸为4.7米×17.03米×6.85米；卫星是三轴稳定卫星，发射时重量为2967千克，卫星的质量是1767千克，有效负载质量为1200千克，以S频带发送的无线频率，从太阳阵列提供的功率为4.6千瓦。卫星的寿命不小于6年。卫星于2004年6月19日上午（美国东部时间）由加利福尼亚范登堡空军基地发射，发射窗3min，卫星分离时间64min，发射后25小时接收到卫星发射信号，卫星于2004年9月28日开始工作。1

Aura卫星带有以下四种仪器：高分辨率动态临边探测器（HIRDLS）、微波临边探测器（MLS）、臭氧监视仪（OMI）、对流层发射光谱仪（TES）。

除此之外，还有欧洲空间局发射的ERS-1、ERS-2等地球遥感卫星。NASA地球系统探索计划系列卫星。

观测用仪器中等分辨率成像分光仪中等分辨率成像分光仪(MODIS)是一台使用可见光和红外线对地球（陆地、海洋和大气）进行一系列综合性观测的成像分光仪。它有足够高的间隔分辨率，几天之内就可完成对全球的覆盖。MODIS的综合性表现在：它能对覆盖区进行连续的间隔分辨和光谱分辨；能区别各观测对象的主要频率变化。5

高分辨率成像分光仪高分辨率成像分光仪(HIRIS)具有高的间隔分辨率和光谱分辨率，能够观测瞬变过程，并能记录连续的反射光谱，其分辨率超过目前使用的任何设备。5

合成孔径雷达合成孔径雷达（SAR)将兼有MODIS和HIRIS的功能。SAR有两种基本能力：第一种是能以中等分辨率（几百米）覆盖很大的面积（每3天可覆盖全球一遍），因而能在全球监测中对MODIS进行补充。第二种是SAR能形成多光谱多极化高分辨率的图像，用于研究具体的地表变化过程，这又是对HIRIS的补充。SAR,HIRIS和MODIS联合一起，将成为观测全球地表变化，了解这些变化的过程和相互影响的有力手段。5

激光大气风探测器激光大气风探测器 (LAWS)是EOS便用仪器中 的一个重要组成部分。它提供的研究信息在改进数值气象预报的 技能、丰富人们对大范围大气环流与气候动态的认识、加深人们对全球性生物地球化学循环和水文循环的了解方面都是十分重要的。5

大气红外探测器大气红外探测器（AIRS) 是提高垂直分辨率、水平间隔分辨率和扩大覆盖面的研究工具。 其技术目标是贯穿整个对流层的测温精度达到1°C，垂直分辨率为1公里。5

地球动力学与激光测距系统地球动力学与激光测距系统 (GLRS)能为板块构造和区域性地壳变形与应变的研究提供全球性的、精度达到厘米级的大地 据库。GLRS与设在地面的反光镜联合使用，可以研究各种地球动态过程。5