“海丝二号”卫星完成在轨测试，为什么要用卫星看海洋？

出品：科普中国

作者：王铮

监制：中国科普博览

最近，名为“海丝二号”的卫星宣布完成了在轨测试，而且已经拍摄了2.6万多张图片。

“海丝二号”海小卫星太空作业模拟动画

（来源：航天东方红有限公司（东南网））

既然有“二号”，那就有一号。2020年12月“海丝一号”卫星升空，2021年6月“海丝二号”卫星升空。按照航天的惯例，它们进行了长时间的在轨测试，才算是正式“上工”。现在，它们一起构成“海丝”星座，闪耀于太空。

翱翔于太空的“海丝二号”卫星拍到的2.6万多张图片，都是拍的什么呢？是星空和宇宙吗？恰恰相反，它瞄准的是咱们生活的地球，并且是专注于海洋的，无愧于它名字当中的“海”字。

“海丝二号”卫星有许多创新之处，不过并非独一无二，其实以往全世界已经发射过许多“海洋卫星”。海洋卫星是一类遥感卫星，主要采用光学的方法，远距离实施海洋生态环境的综合观测。我国早在2002年就发射了首颗海洋卫星——“海洋一号”卫星。

卫星距离地表很远，不可能比靠近了看得更真切，为什么要从太空中用卫星看海洋呢？

海洋卫星覆盖范围大，特别是要覆盖地球半球乃至全球

海洋非常广阔，占地球表面约70%，并且其海面、海浪等要素的变化也相当迅速，作为高飞在宇宙中的卫星，可以想见，海洋卫星的探测能覆盖庞大的海面区域，特别是对地球半球乃至全球探测能力，不仅能够探测尽可能大范围内的海洋信息，还能用来研究大气环流、厄尔尼诺现象等大尺度现象。

2015年12月太平洋海面温度随地理经度的大范围变化

（图片来源：https://www.nnvl.noaa.gov/StoryMaps/DITC/ENSO/ElNino_TeachersGuide.pdf）

“海丝二号”卫星飞行于太阳同步轨道，这也是遥感类卫星经常选取的一类轨道。卫星绕着地球转，怎么跟太阳同步呢？利用轨道进动效应，太阳同步轨道选择了略微大于90°的轨道倾角，根据计算，进动的速度大约为1°，正好使轨道平面与太阳始终保持固定的取向。也就是说，卫星的轨道平面也在进行一年360°的旋转，正好总是垂直于太阳与地球的连线，那么在地球周围转圈的卫星就不会被地球挡住，可以充分照射太阳光，也就实现了“太阳同步”。因此，太阳同步轨道所“同步”的，其实是地球的公转。

这么做有两个好处，一是可以最大化利用太阳能发电，二是卫星每次飞越某地上空时，太阳都是从同一角度照射该地，通过对比拍摄的照片，可以获得更多的信息。所以海洋卫星选择这类轨道，对海洋图像信息的获取和比较非常有利。

从太空中看，太阳同步轨道是轨道平面绕地球自转轴旋转的，方向与地球公转方向相同，旋转角速度等于地球公转的平均角速度（360°/年）。

海洋卫星要能进行全天候全天时探测，地面覆盖周期要短

首先海洋日日夜夜、年年岁岁都在变化，对海洋特征的探测不是一朝一夕，海洋卫星可以尽量不受天气制约的进行观测，并且是长年累月的观测。另外海洋上的动力学过程，诸如海面的风、浪、潮汐、浮冰等，它们随时间变化很快，所以要求持续观测并且绕地球飞行的周期短，尽可能早点转回来继续观测现象的变化。

国家卫星海洋应用中心利用中法海洋卫星观测台风“库奇马”

（图片来源：http://www.nssc.ac.cn/xwdt2015/xwsd2015/202002/W020200226362286947032.jpg）

我们刚才说到“海丝二号”卫星飞行于太阳同步轨道，这类轨道的高度一般在500-700千米左右，大多数卫星只需要1个半小时左右就可以绕地球一圈。虽然卫星转一圈时已经不在原先的海域上空，但海洋上的许多现象扩张范围极大，再加上卫星拍摄的区域也有一定的宽度，再与其他卫星结合，就能很好的完成任务。

海洋卫星除了定性探测，还要尽量提高定量探测精度

对于一些水平变化尺度大的海洋现象，或许定性探测就能满足，但大部分海洋探测还是尽量要求定量探测，比如我们大范围探测海平面的高度，目前卫星探测相对精度可达1～3cm，这有这样尽可能精细的探测，才能从中研究出尽可能的科学信息。其他海洋信息也是如此。目前海洋卫星探测的精度虽然有限，但还可以进一步提高。

例如，“海丝二号”卫星是以近海及内陆水体的生态环境为观测目标的微纳光学遥感卫星，主载荷为一台多光谱相机，配置8个水色专用可见/近红外多光谱波段（中心波长450/490/570/625/680/710/745/865纳米），星下点地面像元分辨率20米，大大优于传统卫星的1千米分辨率，特别是选取的这些波段利于近海及内陆水体观测，尤其是更好的呈现赤潮或溢油斑块。8个波段信噪比都大于270，也大大优于其他多光谱小卫星，有利于生成更高质量的水质定量产品。

相比一般卫星，海洋卫星的轨道定位精度要求较高

海洋卫星对定量探测的探测精度有要求，自然对其卫星轨道径向高度测定精度要求也十分高，这样才能尽可能准确的进行数学解算。海洋卫星与通常测定轨精度相比可能要高出几个量级。目前采取星上GPS定位、地面全球激光测距和无线电全球测距网等多项措施来实现。

海洋风场的实时监测

（图片来源：国家卫星海洋应用中心微信小程序）

正是这些特点以及对应的要求，让海洋卫星与地球上的海洋调查相比有着自己的特别之处。卫星广阔的覆盖能力，不受地理位置、天气和人为条件的限制，可以触及地面难以直接抵达的区域，比如偏远地区或危险地区，或者涉及政治敏感的海区；它“站得高看得远”，能够直接提供大面积的海面图像，有利于大面积绘图和监测；它不断绕地球飞行，能周期性地监视海洋特征的随时间的长期或短期变化，诸如环流、海面温度场、鱼群迁移、污染物扩散等。

“海丝二号”能实现哪些对海洋高精度的监测？

具体到“海丝二号”卫星，它选择的8个信道，对海洋高精度的监测，到底都能做点什么呢？

例如，“海丝二号”卫星的观测图片中可以获知水体上层的叶绿素浓度、初级生产力、悬浮泥沙、透明度等水体基础参数，辨识大型藻类及浮游植物的类别；

又如，“海丝二号”卫星能对清澈的浅海进行水深测量和底质分类，实现对特定水域的地形监测；

再者，“海丝二号”卫星能够对近海港湾、河口及内陆湖库、河流等进行细化的水质检测，例如监测赤潮、溢油事件，助力防灾减灾等；

“海丝二号”号卫星还有一项与时俱进的课题——碳排放和碳中和。“海丝二号”号卫星可以帮助水体-大气之间二氧化碳通量及其他碳循环参量的估算，提升中国近海碳通量的定量准确性。

这些工作如果测量人员乘船去现场考察，花费的力气要大很多，交给卫星是非常有利的。

海丝二号小卫星Logo / 设计师：蔡尊皇

（图片来源：东南网）

研发了“海丝一号”和“海丝二号”的厦门大学与其合作伙伴，未来计划发射多颗轻小型SAR（合成孔径雷达）卫星和多光谱水色小卫星，在太空中构成“海丝星座”，全面组网运行，以高时间分辨率全面覆盖海岸带以及大型湖库和流域，有如在地球上空布下一面“天网”，让人类更好、更快地了解江河湖海每一个角落正在发生的变化。