面向极地航运的卫星观测技术发展研究_于志同.pdf

12面向极地航运的卫星观测技术发展研究于志同1,3 黄 彦1 胡洛佳1 马 蓉1 肖 鹏1 程 晓2,3*（1.中国空间技术研究院 钱学森空间技术实验室 北京 1 0 0 0 9 4；2.中山大学 测绘科学与技术学院 珠海 5 1 9 0 8 2；3.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）珠海 5 1 9 0 0 0）摘 要：极地是人类生存和发展的新疆域，是未来大国之间围绕生态安全、利益福祉和战略合作的制高点，我国在极地科考、搜索救援、航道开发等方面面临新的需求和挑战。提升极地全球治理与安全保障能力，实现极地全域的实时感知、利用和主导治理已成为极地强国的标志。欧美日等地区和国家已加快发展极地环境认知的立体观监测能力，而我国的极地进入与探测能力仍存在明显短板，相关冰区和海区的第一手资料依旧缺乏，迫切需要加大对极地卫星技术的研发投入，提高极区数据获取和采集能力。该研究侧重面向极地船舶航运的现实需求，系统论述国内外现有极地遥感卫星观测技术现状，提出我国极地天基观测系统的发展趋势，为论证新增极地卫星装备体系能力、制定顶层框架和发展路线提供支撑，支撑我国进入、开发和利用极地，增强在全球地缘政治敏感区和战略区国际重大事务中的话语权与影响力。关键词：极地；卫星技术；观测现状；发展趋势中图分类号：P941.6；P228 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.01.012Research on the Status and Development Trend of Satellite Observation Technology for Polar ShippingYU Zhitong1,3 HUANG Yan1 HU Luojia1 MA Rong1 XIAO Peng1 CHENG Xiao2,3*(1.Qian Xuesen Laboratory of Space Technology,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China；2.School of Geospatial Engineering and Science,Sun Yat-sen University,Zhuhai 519082,China；3.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai),Zhuhai 519000,China)Abstract:The polar region is a new frontier for human survival and development,and a commanding height for ecological security,interests and well-being and strategic cooperation between major powers in the future.It faces new needs and challenges in scientific research,search and rescue,and waterway development.Improving the global governance and security capabilities of the polar region and realizing real-time perception,utilization and leading governance of the entire polar region have become the hallmarks of polar powers.Countries and regions such as Europe,the United States and Japan have accelerated the development of three-dimensional monitoring capabilities for polar environmental cognition,but there are still obvious shortcomings in Chinas polar access and detection capabilities.There is still a lack of first-hand information on relevant ice and sea areas,and there is an urgent need to increase investment in research and development of polar satellite technology and improve the ability to obtain and collect polar data.This study mainly focuses on the actual needs of polar 收稿日期：2022-12-12；修回日期：2023-01-09基金项目：航天五院杰出青年人才基金资助项目（2021）；五院 CAST 创新基金资助项目（2022）作者简介：于志同（1985-），男，博士，副研究员、高级工程师。研究方向：卫星总体、地球科学、全球变化。黄彦（1985-），女，博士，助理研究员。研究方向：三极天基观测，全球变化遥感应用。胡洛佳（1990-），女，博士，工程师。研究方向：三极天基观测、全球海岸带遥感监测。马蓉（1982-），女，博士，高级工程师。研究方向：遥感探测机理。肖鹏（1984-），男，博士，高级工程师。研究方向：雷达系统设计、信号处理。通讯作者：程 晓（1976-），男，博士，教授。研究方向：极地遥感监测理论、方法与应用。13于志同，等：面向极地航运的卫星观测技术发展研究2023年第1期总第202 期专题二shipping,systematically discusses the current status of polar remote sensing satellite detection technology at home and abroad,and puts forward the development trend of polar space-based observation system in China.It will provide support for demonstrating the capabilities of the new polar satellite equipment system,formulating the top-level framework and development route,promoting Chinas development and utilization of the polar region,and enhancing the voice and influence in major international afairs in global geopolitically sensitive areas and strategic areas.Keywords:polar region;satellite technology;observation status;development trend0 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14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