最近，名為“海絲二號”的衛星宣布完成了在軌測試，而且已經拍攝了2.6萬多張圖片。既然有“二號”，那就有一號。2020年12月“海絲一號”衛星升空，2021年6月“海絲二號”衛星升空。按照航天的慣例，它們進行了長時間的在軌測試，才算是正式“上工”。現在，它們一起構成“海絲”星座，閃耀於太空。
“海絲二號”海小衛星太空作業模擬動畫（來源：航天東方紅有限公司（東南網））
翱翔於太空的“海絲二號”衛星拍到的2.6萬多張圖片，都是拍的什麼呢？是星空和宇宙嗎？恰恰相反，它瞄準的是咱們生活的地球，並且是專註于海洋的，無愧於它名字當中的“海”字。
“海絲二號”衛星有許多創新之處，不過並非獨一無二，其實以往全世界已經發射過許多“海洋衛星”。海洋衛星是一類遙感衛星，主要採用光學的方法，遠距離實施海洋生態環境的綜合觀測。我國早在2002年就發射了首顆海洋衛星——“海洋一號”衛星。
衛星距離地表很遠，不可能比靠近了看得更真切，為什麼要從太空中用衛星看海洋呢？
海洋衛星覆蓋範圍大，特別是要覆蓋地球半球乃至全球
海洋非常廣闊，佔地球表面約70%，並且其海面、海浪等要素的變化也相當迅速，作為高飛在宇宙中的衛星，可以想見，海洋衛星的探測能覆蓋龐大的海面區域，特別是對地球半球乃至全球探測能力，不僅能夠探測儘可能大範圍內的海洋信息，還能用來研究大氣環流、厄爾尼諾現象等大尺度現象。
2015年12月太平洋海面溫度隨地理經度的大範圍變化（圖片來源：https://www.nnvl.noaa.gov/StoryMaps/DITC/ENSO/ElNino_TeachersGuide.pdf）
“海絲二號”衛星飛行於太陽同步軌道，這也是遙感類衛星經常選取的一類軌道。衛星繞着地球轉，怎麼跟太陽同步呢？利用軌道進動效應，太陽同步軌道選擇了略微大於90°的軌道傾角，根據計算，進動的速度大約為1°，正好使軌道平面與太陽始終保持固定的取向。也就是說，衛星的軌道平面也在進行一年360°的旋轉，正好總是垂直於太陽與地球的連線，那麼在地球周圍轉圈的衛星就不會被地球擋住，可以充分照射太陽光，也就實現了“太陽同步”。因此，太陽同步軌道所“同步”的，其實是地球的公轉。
這麼做有兩個好處，一是可以最大化利用太陽能發電，二是衛星每次飛越某地上空時，太陽都是從同一角度照射該地，通過對比拍攝的照片，可以獲得更多的信息。所以海洋衛星選擇這類軌道，對海洋圖像信息的獲取和比較非常有利。
從太空中看，太陽同步軌道是軌道平面繞地球自轉軸旋轉的，方向與地球公轉方向相同，旋轉角速度等於地球公轉的平均角速度（360°/年）。
海洋衛星要能進行全天候全天時探測，地面覆蓋周期要短
首先海洋日日夜夜、年年歲歲都在變化，對海洋特徵的探測不是一朝一夕，海洋衛星可以盡量不受天氣制約的進行觀測，並且是長年累月的觀測。另外海洋上的動力學過程，諸如海面的風、浪、潮汐、浮冰等，它們隨時間變化很快，所以要求持續觀測並且繞地球飛行的周期短，儘可能早點轉回來繼續觀測現象的變化。
國家衛星海洋應用中心利用中法海洋衛星觀測颱風“庫奇馬”（圖片來源：http://www.nssc.ac.cn/xwdt2015/xwsd2015/202002/W020200226362286947032.jpg）
我們剛才說到“海絲二號”衛星飛行於太陽同步軌道，這類軌道的高度一般在500-700千米左右，大多數衛星只需要1個半小時左右就可以繞地球一圈。雖然衛星轉一圈時已經不在原先的海域上空，但海洋上的許多現象擴張範圍極大，再加上衛星拍攝的區域也有一定的寬度，再與其他衛星結合，就能很好的完成任務。
海洋衛星除了定性探測，還要盡量提高定量探測精度
對於一些水平變化尺度大的海洋現象，或許定性探測就能滿足，但大部分海洋探測還是盡量要求定量探測，比如我們大範圍探測海平面的高度，目前衛星探測相對精度可達1～3cm，這有這樣儘可能精細的探測，才能從中研究出儘可能的科學信息。其他海洋信息也是如此。目前海洋衛星探測的精度雖然有限，但還可以進一步提高。
例如，“海絲二號”衛星是以近海及內陸水體的生態環境為觀測目標的微納光學遙感衛星，主載荷為一台多光譜相機，配置8個水色專用可見/近紅外多光譜波段（中心波長450/490/570/625/680/710/745/865納米），星下點地面像元分辨率20米，大大優於傳統衛星的1千米分辨率，特別是選取的這些波段利於近海及內陸水體觀測，尤其是更好的呈現赤潮或溢油斑塊。8個波段信噪比都大於270，也大大優於其他多光譜小衛星，有利於生成更高質量的水質定量產品。
相比一般衛星，海洋衛星的軌道定位精度要求較高
海洋衛星對定量探測的探測精度有要求，自然對其衛星軌道徑向高度測定精度要求也十分高，這樣才能儘可能準確的進行數學解算。海洋衛星與通常測定軌精度相比可能要高出幾個量級。目前採取星上GPS定位、地面全球激光測距和無線電全球測距網等多項措施來實現。
海洋風場的實時監測（圖片來源：國家衛星海洋應用中心微信小程序）
正是這些特點以及對應的要求，讓海洋衛星與地球上的海洋調查相比有着自己的特別之處。衛星廣闊的覆蓋能力，不受地理位置、天氣和人為條件的限制，可以觸及地面難以直接抵達的區域，比如偏遠地區或危險地區，或者涉及政治敏感的海區；它“站得高看得遠”，能夠直接提供大面積的海面圖像，有利於大面積繪圖和監測；它不斷繞地球飛行，能周期性地監視海洋特徵的隨時間的長期或短期變化，諸如環流、海面溫度場、魚群遷移、污染物擴散等。
“海絲二號”能實現哪些對海洋高精度的監測？
具體到“海絲二號”衛星，它選擇的8個信道，對海洋高精度的監測，到底都能做點什麼呢？
例如，“海絲二號”衛星的觀測圖片中可以獲知水體上層的葉綠素濃度、初級生產力、懸浮泥沙、透明度等水體基礎參數，辨識大型藻類及浮游植物的類別；
又如，“海絲二號”衛星能對清澈的淺海進行水深測量和底質分類，實現對特定水域的地形監測；
再者，“海絲二號”衛星能夠對近海港灣、河口及內陸湖庫、河流等進行細化的水質檢測，例如監測赤潮、溢油事件，助力防災減災等；
“海絲二號”號衛星還有一項與時俱進的課題——碳排放和碳中和。“海絲二號”號衛星可以幫助水體-大氣之間二氧化碳通量及其他碳循環參量的估算，提升中國近海碳通量的定量準確性。
這些工作如果測量人員乘船去現場考察，花費的力氣要大很多，交給衛星是非常有利的。
海絲二號小衛星Logo / 設計師：蔡尊皇（圖片來源：東南網）
研發了“海絲一號”和“海絲二號”的廈門大學與其合作夥伴，未來計劃發射多顆輕小型SAR（合成孔徑雷達）衛星和多光譜水色小衛星，在太空中構成“海絲星座”，全面組網運行，以高時間分辨率全面覆蓋海岸帶以及大型湖庫和流域，有如在地球上空布下一面“天網”，讓人類更好、更快地了解江河湖海每一個角落正在發生的變化。
出品：科普中國
作者：王錚
監製：中國科普博覽