“三极遥感星座观测系统”的首颗试验卫星——冰路卫星(BNU-1，又名“京师一号”)近日已在深圳包装入箱，预计今年9月发射升空。通过每天对极地区域的全覆盖观测，系统将服务于国家北极航道开发和环境保护。
此前我国已经建立了气象、海洋等系列民用卫星系统，发展极地专用遥感卫星意义何在？与亿元级造价大型卫星相比，百万元级造价微小卫星有何优劣性？记者就此专访了冰路卫星首席科学家、中山大学测绘科学与技术学院院长程晓。
我国对欧美极地卫星数据高度依赖
2014年1月，我国“雪龙“号和俄罗斯”绍卡利斯基“号破冰船被困南极海冰。程晓当时所在北京师范大学极地遥感团队提出的脱困方案被采纳，并被证明是有效方案。
“可最终支持我们及时拿出方案的是美国卫星过境拍摄的数据。”程晓回忆，这对大家刺激很大，“凸显了我国现有卫星体系在极地观测能力上的严重不足。”
南北两极是全球变化的指示器与放大器。全球变暖导致两极冰盖加剧融化，导致海平面上升；北极海冰加剧退缩，导致北半球极端天气气候事件频发。
但由于太阳高度角低、冰雪反照率高，两极地区是卫星遥感观测的难点所在。尤其是在极夜期间，可见光遥感卫星难以对极地成像，高地表反照率和频繁的云覆盖又导致光学影像过曝或无法拍摄到云下地表。
此外，极地冰雪环境变化强烈且快速，我国现有的气象、资源、环境、海洋等系列民用卫星观测的时空精度，仅能观测和揭示类似冰川运动这样的大尺度慢速极地地表变化，无法捕捉到极地冰-海-气间强烈且快速的相互作用过程，获得时空连续数据。而这些是极地研究的核心和前沿领域。
放眼全球，美国、欧洲和加拿大的极地卫星已实现了对极地的大范围连续观测，基本实现了千米级分辨率的每日重复(如美国MODIS卫星)和10米级分辨率的每旬重复(如美国陆地卫星8号和欧空局哨兵1、2号卫星)。此外，欧洲和美国还分别发展了测高卫星，这当中以欧空局的寒区卫星Cryosat-2和美国的冰卫星ICESat-1、2卫星最为著名，其能够实现对极地冰层的厘米级精度的高程变化测量，对理解极地冰川和海冰变化具有重要意义。
值得一提的是，欧美上述卫星所获取的极地遥感数据对科学界和公众开放，已成为国际极地遥感领域的主导性卫星遥感数据。
“我国极地科学领域甚至整个地球科学领域对欧美上述卫星数据同样高度依赖。”程晓说。
采用“鸽群”发展模式，预计组建24颗小卫星组成的星座网络
程晓告诉记者，为实现对极地连续观测遥感，国际上有两种模式，一种模式是发展极地同步卫星，加拿大和挪威启动了极地高轨卫星计划，以实现对北极地区全天时全天候的连续观测，这种卫星造价极高且需要大推力火箭将卫星推至3万公里以上高空；另一种模式则是采用美国“鸽群”卫星的思路，即通过组成星座以建立低成本的微小型遥感卫星数据获取系统，单颗卫星的重量约5公斤，设计寿命3年以上。与一些传统大型卫星相比，其重量仅为其千分之一，成本仅为其几十甚至几百分之一，能够实现卫星系统的快速技术更新。
冰路卫星采用的就是“鸽群”发展模式，即采用微小卫星平台，建立低成本的微小型遥感卫星星座，实现对极区的高时空连续观测。基于鸽群的模式，冰路卫星在载荷配置上也有独特的设计，配备了超宽幅中分辨率相机、高分辨率相机和AIS接收机，其中宽幅相机的分辨率设定为80米，幅宽达800公里，这是对当前国际通用的千米级和十米级分辨率极地卫星数据的一个重要补充，与其8米分辨率的高分辨率相机相配合，单星能够实现两极地区5天全覆盖，实现对极地全境及重点区域的观测，有望提升对冰山漂移、冰架崩塌等快速变化的监测能力，在多颗星组成星座后则能实现上述快速变化过程的小时级观测，将带来极地遥感观测的革命性突破。
此外，该星还集成了接收船舶AIS定位信号广播的星载AIS接收机，能够把极区遥感与船舶航行很好的结合，为极区船舶规划航行线路，做出航道风险评估，支撑北极航道开发。
与亿元级造价大型卫星相比，百万元级造价微小卫星的载荷精度和卫星寿命都无法比拟，并且单星短时间内难成气候，极夜期间也无法进行观测。
“我们规划了一个24颗小卫星组成的星座网络，目标是实现极地地区一小时内重复观测的频率，一定程度上实现全天时观测。此外还规划了高极轨SAR卫星和迷你SAR卫星星座，希望到2030年前完成最终部署。”程晓说。
有望在今年南极考察中初试身手
程晓说，冰路卫星是我国极地遥感小卫星的一颗“探路”星，通过它将为发展小卫星星座打下基础。
近年来，国内不少高校纷纷“放卫星”。
“总体来说，国际上小卫星技术刚起步，但比照美国、丹麦和日本，我国有较大差距。”程晓举例说，美国NASA建立了一支强大的微小卫星任务舰队，丹麦Gomspace公司在国际微小卫星研制领域素有声誉，日本微纳卫星技术则更加发达，甚至一些高中生都参与进来。
“小卫星是未来几十年的发展方向和重点，我国必须加快发展微小卫星制造技术，要在材料、通讯、电池以及先进载荷制造等方面取得突破，才能真正走到世界前列。”在程晓看来，我国高校从事微小卫星研究不是太多了，而是太少了。但他同时强调，不能为了放卫星而“放卫星“，比如发展极地遥感小卫星，最终目的一定获取尽可能多的极地遥感观测数据开展科学研究。
由于我国纬度较低，我国地面站每天能与卫星通信的轨数非常少，此前，程晓和团队已通过国际合作，在南北半球高纬地区部署地面接收站帮助接收卫星数据。下一步还计划在南半球高纬地区建设卫星地面接收站，进一步缩短卫星在南极观测数据的下传时延。
为提升卫星数据的定量化水平，北京师范大学今年下半年将派出刘旭颖博士随双“龙”(“雪龙”号、“雪龙”2号)赴南极执行无人机遥感和地面同步调查任务，开展星-机-地同步遥感实验，以对卫星数据进行定标和真实性检验。这意味着，冰路卫星有望在今年南极考察中初试身手，与双“龙”共探极地。
