《1 前言》

1 前言

2011年8月16日6时57分，海洋二号（HY-2A）卫 星在太原卫星发射中心成功发射。HY-2A卫星是 我国第一颗海洋动力环境卫星，星上搭载微波散射 计、雷达高度计、扫描微波辐射计和校正微波辐射 计共4个微波遥感器，具有全天时、全天候、全球连 续探测的能力（见图1）[1] 。另外，HY-2A卫星还载有 多普勒卫星测定轨系统（DORIS）、双频全球定位系 统（GPS）天线和激光反射器等高精度定轨设备。 HY-2A卫星能够实现全球海面风场、海面高度、浪高、 海面温度等多种海洋动力环境要素的高精度同步测 量，是海洋开发、资源利用、防灾减灾的重要空间监测 平台，能够直接为灾害性海况预警报和海洋科学研究 提供实测数据，服务于国民经济建设和国防建设。

《图1》

图1 HY-2A卫星结构图

Fig.1 Schematic representation of HY-2A platform and payloads

HY-2A卫星成功发射后，地面应用系统依据HY-2A 卫星研制总要求、在轨测试大纲和细则，开始了为期 4个月的在轨测试。在轨测试结果表明，HY-2A星地 数据传输与控制系统运行正常，各项设计技术指标 满足研制总要求。自2012年1月开始，HY-2A地面 应用系统实现了微波散射计、雷达高度计、扫描微 波辐射计和校正微波辐射计各级数据产品制作和业务化运行，通过与国外同类卫星和现场实测等数据 源的比对，结果表明：HY-2A卫星观测的海面风场、 有效波高、海面高度、海面温度等海洋动力环境参数的数据产品精度满足在轨测试的要求，达到或接 近了国外同类卫星的观测水平[2] 。HY-2A卫星的观 测数据有效填补了国际上同类微波遥感卫星的观 测空白，保证了全球海洋动力参数观测的连续性， 为全球海洋动力观测提供了重要的数据源，在全球 对地观测体系中发挥了重要作用。

在系统回顾国内外与HY-2A卫星相关的主、被 动微波遥感技术发展现状及趋势的基础上，本文主 要介绍HY-2A雷达高度计、微波散射计、扫描微波 辐射计和校正微波辐射计的功能、性能和设计指 标，概述了各载荷数据产品在海洋科学领域内的应 用状况。进一步分析了HY-2A卫星对于全球海洋 动力环境参数观测连续性的重要作用，阐述了HY-2A 卫星解决的关键技术问题以及其在我国海洋卫星 系列发展规划中的重要地位。

《2 国内外主、被动海洋微波遥感技术》

2 国内外主、被动海洋微波遥感技术

海洋微波遥感是利用电磁波在海面的反射和 散射特性（主动式）以及海面自然发射的微波频段 特性（被动式）对海面动力和热力信息进行获取的一种技术手段，并通过极化、相位、干涉等技术获得 更多更精确的海洋表面信息[3] 。无论是主动或被动 方式来获取海面信息，微波遥感都具有全天候的观 测能力，几乎不受日照影响和天气系统的影响。大 气中的云层对于红外和可见光电磁辐射是完全不 透明的。相对而言，云层对于微波辐射是几乎透明 的，这是海洋微波遥感对于红外和可见光遥感的一 个最主要的优势[4] 。

《2.1 星载雷达高度计》

2.1 星载雷达高度计

星载雷达高度计属于主动微波遥感器，它通过 测量微波脉冲双程传输时间并结合卫星平台位置 和海洋基准面来确定海面高度以及分析雷达回波 波形来确定海面波动状况（有效波高）。星载雷达 高度计从发展至今已经历了 40 年的发展历程，在 20 世纪 90 年代测高技术趋于成熟，包括 1973 年的 高度计实验卫星 Skylab、1978 年的 SEASAT 卫星、 1985 年的 GEOSAT 卫星、1992 年的 Topex/Poseidon （T/P）卫星、2001 年的 Jason-1 卫星和 2008 年的 Jason-2卫星，具体参数见表1。我国于2011年发射 了自主研制的HY-2A卫星，星上装载了雷达高度计。

《表1》

表1 国外近年来星载雷达高度计

Table 1 Recent radar altimetry satellite missions at abroad

注：NASA—美国航空航天局；CNES—法国国家太空研究中心；ESA—欧洲空间局

随着卫星精确定轨技术、大气折射校正技术、 电离层传输延迟校正技术、海洋潮和大气潮混频消 除技术的提高，卫星测量海面高度的准确度从20世 纪70年代的米级提高到目前的厘米量级[1] 。目前， 雷达高度计的最大限制是它只能观测卫星沿轨星 下点的海面高度，造成雷达高度计在观测全球海面 高度的空间和时间采样率不足，限制了高度计数据 在中小尺度海洋气象领域的应用。针对这一问题， 美国、欧洲和中国已经开始研制具备宽刈幅（200 km 以上）观测能力的新一代高度计；同时，多星数据融 合也可以有效改善目前雷达高度计采样率不足的 问题，如欧洲的AVISO海面高度融合产品。多星观 测数据的积累和融合为人们提供了更多认识海洋 现象的信息，促进和加深了对全球海洋动力环境的实时监测。

《2.2 星载微波散射计》

2.2 星载微波散射计

星载微波散射计属于主动微波遥感器，它利用 不同风速条件下海面粗糙度对雷达后向散射系数 的不同响应以及多角度观测数据来反演海表风 速和风向[5～7] 。星载微波散射技术的发展也已经有 近40年的发展历史。1973年美国发射了天空实验 室（Skylab）飞船，船上搭载了Ku波段散射计，这是 世界上第一次进行天基微波散射计的试验。星载 散射计测风技术从 20 世纪 90 年代开始成熟，标志 性的业务化运行卫星包括美国和日本在 1996 年 联合发射的 NSCAT 卫星和美国 1999 年发射的 QuikSCAT卫星以及ESA和欧洲气象卫星开发合作 组 织（EUMETSAT）联合发射的 MetOp- A 卫星（2006 年）。表 2 给出了截至目前国内外主要微波散射计卫星发射时间及其所属国别。

《表2》

表2 国内外主要微波散射计卫星发射时间

Table 2 Launch time of primary microwave scatterometer missions at home and abroad

通过海洋卫星散射计对全球海面风场的近实 时观测，克服了传统海面风场观测（大洋航行船只、 考察船和浮标）的不足[8] 。星载散射计具有大面积、 准同步、多次测量和全天候的观测能力，在全球业 务化数值天气预报和海洋环境预报中发挥了重大 的作用。

《2.3 星载微波辐射计》

2.3 星载微波辐射计

星载微波辐射计属于被动微波遥感器，通过接收海水分子热运动产生的在微波频段的自然辐射 强度和微波极化特性随波长、海面粗糙度、海水介 电特性的变化，来反演海表温度、海面风速、风向和 表层海水盐度等海洋动力和热力参数[4] 。目前业 务化运行的星载微波辐射计主要用来观测大洋海 表温度、全球大气水汽积分含量和降雨量。表3列 出了国际上用来观测大洋海表温度的星载微波辐 射计。

《表3》

表3 SMMR、SSM/I、TRMM和AMSR-E扫描微波辐射计的频率、极化方式和入射角比较

Table 3 Comparison of frequency，polarization and incident angle for SMMR，SSM/I，TRMM and AMSR-E scanning microwave radiometers

注：SMMR—多通道扫描微波辐射计；SSM/I—特别微波辐射/成像计；TRMM—热带测雨任务卫星；AMSR-E—先进多通道微波扫描辐 射计；V—垂直极化；H—水平极化

由于海洋表面自然微波辐射强度大约是红外 辐射强度的百万分之一[3] ，微波辐射计在接收信号 的信噪比技术上要求严格，通常采用大尺寸天线、 多通道和多极化设计来提高信号测量精度。例如， TRMM（TMI）是一台设计有 9 个通道的微波辐射 计，用来观测热带区域海表温度和降雨量；AMSRE 搭载于 2002 年 5 月 AQUA 卫星上，具有 12 个通 道、6个频段。

使用微波辐射计在大洋海面风场和盐度观测方 面还处于试验阶段。2003年1月美国发射了全球第 一颗全极化微波辐射计WindSat，具有5个频率和22 个通道，能够测量海面微波亮温的所有极化特性（由 4 个 Stokes 分量给定），用来观测海面风速和风向。 盐度观测微波辐射计包括ESA发射的土壤湿度与海 面盐度辐射计（SMOS）[9] 和美国与阿根廷联合发射的海表盐度辐射计（Aquarius）[10] ，目前使用微波辐射计 观测海面风场和盐度还处于试验阶段。

《2.4 神舟四号（SZ-4）飞船多模态微波遥感器》

2.4 神舟四号（SZ-4）飞船多模态微波遥感器

我国在海洋一号（HY-1）水色卫星成功业务化 运行的基础上，开展了主、被动星载海洋微波遥感 载荷的研制和试验，在 SZ-4 飞船上首次搭载了多 模态微波遥感器（M3RS），成功验证了载荷性能和技 术指标。M3RS 于 2002 年 12 月由 SZ-4 送入太空， 在轨期间获得了大量的主动和被动微波遥感数据， 为我国航天微波遥感技术的发展积累了宝贵的数 据和经验，同时为我国后继星载微波遥感器（HY2A卫星）的研究和应用打下了基础[11] 。

多模态微波遥感器由雷达高度计、微波散射计 和微波辐射计组成，国内相关文献对 M3RS 的系统 设计[11] 、工作原理[12] 、性能评价[10] 等作了详细介绍。多模态传感器数据在后期处理和分析过程中发现 的主要问题包括辐射模没有采用实时星上两点定 标技术；高度模态在飞船从陆地向海洋方向飞行时 出现失锁情况；散射模态的天线于发射后不久停止 转动等，这些技术问题的后期解决为HY-2A各个微 波载荷的顺利研制积累了宝贵经验。2011年8月我 国成功发射了搭载雷达高度计、微波散射计和微波 辐射计的HY-2A卫星，到目前为止HY-2A卫星运行 稳定，各个传感器未出现上述类似的问题。

《3 HY-2A卫星介绍》

3 HY-2A卫星介绍

《3.1 简介》

3.1 简介

HY-2A卫星工程研制于2007年1月获得批复。 该卫星由航天科技集团公司中国空间技术研究院研 制，于2011年8月16日6时57分在太原卫星发射中 心采用CZ-4B运载火箭发射成功。HY-2A卫星不 仅是我国第一颗海洋动力环境卫星，而且在国际海 洋微波遥感卫星计划中具有重要地位。海面温度、 海面高度和海面风场等海洋动力环境参数的持续观 测和多频次观测对于海洋灾害监测预警和全球业务 化数值预报至关重要，图2列出了近期世界各国主要 的微波遥感卫星发射计划，目前HY-2A卫星是世界 上唯一能够进行高纬度海面温度和海面高度观测的 微波遥感卫星。HY-2A卫星在填补海面温度和海面 高度数据的空白方面起到重要作用，与其他海洋微 波遥感卫星（Jason-1/Jason-2、ASCAT和TMI）观测 数据的融合产品将显著提高海面高度、海面风场和 海表温度的时间以及空间采样率和准确率。

《图2》

图2 主要海洋微波遥感卫星[1]

Fig.2 Recent ocean microwave satellite missions[1]

注：美国极轨环境卫星发射计划在2016—2021年没有微波遥感卫星 发射计划；该图修改自参考文献[1]内的图1

《3.2 HY-2A卫星功能性能指标》

3.2 HY-2A卫星功能性能指标

HY-2A卫星是我国海洋立体观测网的重要组 成部分，实现对海洋动力环境的全球观测，获得包 括海面风场、海面高度场、有效波高、海表温度、海 洋重力场、大洋环流等重要海况参数的实时监测。 HY-2A卫星装载了雷达高度计、微波散射计、扫描 微波辐射计和校正微波辐射计以及 DORIS、双频 GPS 和激光测距仪[2] 。卫星轨道为太阳同步轨道， 倾角为 99.34°，降交点地方时为 6：00 a.m.，卫星在 寿命前期采用重复周期为14 d的回归冻结轨道，高 度为971 km，周期为104.46 min，每天运行13+11/14 圈；在寿命后期采用重复周期为168 d的回归轨道， 卫星轨道高度为973 km，周期为104.50 min，每天运 行 13+131/168 圈，以便进行全球重力场的观测。 HY-2A卫星设计寿命为3年，自2012年1月起进入 业务化运行阶段。HY-2A卫星采用了较高的平台 定位和姿态控制技术，三轴指向精度小于0.1°，姿态 稳定度小于 0.003°/s，测量精度小于 0.03°。HY-2A 卫星雷达高度计主要用于测量海面高度、有效波 高，它采用双频技术来修正电离层延时误差，其技 术指标如表4所示，实现了对全球海面高度和有效 波高的实时观测（见图3）。

《表4》

表4 HY-2A卫星雷达高度计技术指标

Table 4 Technical specifications of HY-2A radar altimeter

《图3》

图3 HY-2A卫星雷达高度计海面高度和 有效波高产品示例

Fig.3 An example of HY-2A radar altimeter measurements of sea surface height and significant wave height

注：图片制作单位为国家卫星海洋应用中心

HY-2A卫星微波散射计采用笔形圆锥扫描方 式，能够实现对全球海面风场的宽刈副观测（1 800 km）。 HY-2A卫星微波散射计的设计技术指标与美国SeaWinds散射计相当（见表5）。图4为HY-2A卫星 微波散射计海面风场产品示例。

《表5》

表5 HY-2A卫星微波散射计技术指标

Table 5 Technical specifications of HY-2A microwave scatterometer

《图4》

图4 HY-2A卫星微波散射计海面风场示例

Fig.4 An example of HY-2A microwave scatterometer measurements of sea surface vector wind

注：图片制作单位为国家卫星海洋应用中心

HY-2A卫星扫描微波辐射计主要用于获取全球 海面温度，同时可以反演海面风速、大气水汽含量、 云中水含量、降雨量和海冰信息等。HY-2A卫星扫 描微波辐射计采用多通道和多极化设计来提高信号 信噪比，其技术指标如表6所示。图5为HY-2A卫星 微波辐射计海表温度和大气水汽含量产品示例。

《表6》

表6 HY-2A卫星扫描微波辐射计计技术指标

Table 6 Technical specifications of HY-2A microwave scanning radiometer

《图5》

图5 HY-2A卫星扫描微波辐射计海面温度和 大气水汽含量产品示例

Fig.5 HY-2A microwave scanning radiometer measurements of sea surface temperature and atmospheric water vapor

注：图片制作单位为国家卫星海洋应用中心

HY-2A卫星校正微波辐射计的主要任务是为 雷达高度计和微波散射计提供大气水汽校正所必 须的参数。校正微波辐射计在设计上采用较少的 通道和较高的灵敏度，能够实现大气参数的快速处 理，为雷达高度计和微波散射计的实时数据处理提 供服务（见表7）。

《表7》

表7 HY-2A卫星校正微波辐射计技术指标

Table 7 Technical specifications of HY-2A microwave calibration radiometer

《4 HY-2A卫星解决的关键技术与问题》

4 HY-2A卫星解决的关键技术与问题

《4.1 微波遥感设备获得突破》

4.1 微波遥感设备获得突破

HY-2A卫星是迄今为止我国最为复杂的对地 遥感卫星之一，它集主、被动微波遥感器于一体，实 现海洋动力环境参数的同时对地观测。HY-2A卫 星电子兼容性复杂，对地天线多达10余副，而且卫 星具有我国遥感卫星中最高精度的测定轨能力， 通过采用 GPS、DORIS 和激光测距这 3 种精密定 轨手段，首次实现了我国民用遥感卫星领域的厘 米级轨道定轨精度。首次使用的星敏感器、三浮 陀螺、双频 GPS接收机、X波段行放等国产化关键 部件替代同类进口产品，其性能指标达到国际同类 产品水平。

HY-2A卫星同时搭载了4个微波传感器，具备 了T/P、QuikSCAT和AMSR-E的观测功能。微波传 感器采用低功耗和小体积设计方案，利于同一卫星 平台集成多传感器。HY-2A卫星采用先进的数据 布线、星上供电系统和电磁屏蔽设计，以保证设备 的稳定运行和多海洋参数数据的有效传输。

国产三浮陀螺作为高精度陀螺首次在 HY-2A 卫星上在轨应用，能实现对长寿命航天器姿态的精 确测量。HY-2A卫星装备国产星载双频 GPS 接收 机，为卫星提供三维位置、速度、时间、轨道根数以 及校时数据，并输出原始观测数据，实现了我国首 次在轨自主精密轨道测量。HY-2A卫星姿态与轨 道控制分系统使用了两台中等精度星敏感器；国产 X波段行波管放大器和国产Ku频段脉冲行波管放 大器作为卫星载荷的主要运行设备，分别首次在 HY-2A卫星数传分系统和HY-2A微波散射计分系 统进行在轨应用。

《4.2 为我国海洋预报业务提供动力参数》

4.2 为我国海洋预报业务提供动力参数

目前，HY-2A卫星能够实时获取全球海洋的动 力环境信息，实现了全球海面高度、有效波高、海面 风场、海表温度等海洋动力环境要素的高精度、全 天候、全天时连续的观测。HY-2A卫星微波散射计 24 h内可以覆盖全球90 %以上的海域面积，是目前 世界上在轨运行的唯一具有该能力的海洋微波遥 感卫星，而ESA在轨运行的MetOP-A/ASCAT卫星 仅可以覆盖78 %（见图6）。

《图6》

图6 HY-2A卫星和MetOP-A/ASCAT卫星全球观测范围和覆盖率

Fig.6 Spatial coverages of HY-2A satellite and MetOP-A/ASCAT

HY-2A卫星完善了我国海洋环境的立体监测系 统，从总体上提高了我国海洋环境监测、预测和预报 能力。HY-2A卫星微波散射计、雷达高度计等有效 载荷能够及时监测到台风的生成和发展过程，确定 台风强度、位置和移动路径、速度等要素，是应对台 风灾害直接有效的监测手段。图 7 给出了 HY-2A微波散射计和 MetOP-A/ASCAT 对风场的观测对 比。对比可以发现，HY- 2A 观测的海面风场与 MetOP-A/ASCAT风场结构一致，但HY-2A的观测 刈幅远远大于MetOP-A/ASCAT，使其在海面风场观 测中的优势十分明显[13] 。从2011年10月1日全部载荷 开始工作起，HY-2A卫星已经陆续观测到多次台风，并向海洋预报单位和防灾管理部门及时提供台风监测专题图，为应对和防范台风灾害发挥了重要作用。

《图7》

图7 HY-2A卫星和MetOP-A/ASCAT卫星对风场的观测对比

Fig.7 The comparison of sea surface vector wind measurements of HY-2A satellite and MetOP-A/ASCAT

HY-2A卫星微波载荷获取的海面高度、有效波 高、海面风场、海表温度观测数据可直接同化进数 值模式预报系统并用作海洋预报部门的数值预报 初始场，在风暴潮预报、台风预报等预报领域发挥 了重大作用，有效地提高了海洋预报精度。

《4.3 解决我国卫星发展规划问题》

4.3 解决我国卫星发展规划问题

我国以海洋一号（HY-1）水色卫星系列为起点， 将陆续发射海洋水色卫星（HY-1系列）、海洋动力环 境卫星（HY-2A系列）、中法海洋卫星（CFOSAT）和海 洋监视监测卫星（HY-3系列），逐步形成以我国卫星 为主导的全球海洋空间监测网。争取到2015年，使 我国在海洋卫星研制、发射、测控技术和地面应用 技术方面，最大限度地缩小与先进国家的差距，并 在某些方面赶上和超过世界先进水平。

2020年前我国计划发射8颗海洋系列卫星，包 括4颗海洋水色卫星，2颗海洋动力环境卫星和2颗 海洋监视监测卫星（见图8）。由上述卫星形成海洋 卫星观测网，同时推动海洋卫星与气象卫星、资源 卫星、环境减灾小卫星星座等构成我国长期稳定运 行的卫星对地观测体系。HY-2A卫星的成功发射 和业务化运行有力地推进了我国海洋系列卫星发 展规划的进程。

《图8》

图8 我国海洋卫星发展规划

Fig.8 Past and future ocean satellite missions of China

《5 结语》

5 结语

HY-2A卫星自2011年8月成功发射以来，在轨 运行与应用情况表明卫星工作状态良好，卫星上 4台微波遥感器和精密定轨设备均工作稳定，卫星数据质量良好，定轨精度高，卫星主要性能指标达 到国际先进水平，具备了全天时、全天候探测全球 海面风场、海面高度、有效波高、海表温度等多种海 洋动力环境参数的能力，使我国成为继欧、美之后 第3个具备研制和应用综合海洋动力环境卫星能力 的国家。

利用国际公认的海洋浮标数据和国际上的同 类高精度卫星遥感器数据，经检测证实，HY-2A卫 星微波散射计经定标和反演的风场精度达1.4 m/s、 风向精度达18.6°；雷达高度计测量海面高度精度为 7.8 cm，性能指标均达世界先进水平[2] 。法国空间中 心经过对HY-2A卫星雷达高度计数据的分析，结果 表明：HY-2A卫星海面高度产品与 ESA Jason-2 雷 达高度计的观测结果非常接近。作为我国首颗海洋动力环境卫星，HY-2A卫星数据已成功应用于海 洋防灾减灾、海洋环境预报、海洋资源开发、海洋军 事保障、海洋科学研究及国际合作等领域，在业务 和科研等工作中均发挥了重要作用，显示了突出的 社会、经济和军事效益。

HY-2A卫星突破了我国微波遥感设备技术上 的瓶颈，为海洋气象监测预测业务化和防灾减灾提 供了必要的海洋观测要素，解决了我国自主海洋动 力环境参数遥感观测有和无的问题。HY-2A卫星的 成功发射和业务化运行对我国海洋卫星发展规划具 有重要意义。HY-2A卫星是目前唯一同时搭载雷 达高度计、微波散射计和扫描微波辐射计的海洋卫 星，是全球海洋动力环境观测的主要卫星平台，在 国际海洋遥感卫星观测领域具有重大影响力。