衛(wèi)星在太空中遨游，為地面上的海事、氣象等各領(lǐng)域保駕護(hù)航。人們盼望這些“太空眼”能看得越來越清楚，科學(xué)家認(rèn)為，提高遙感衛(wèi)星的輻射定標(biāo)精度，減小觀測(cè)誤差，對(duì)于確保衛(wèi)星產(chǎn)品反演精度具有決定性作用。此外，氣候變化研究對(duì)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量精度提出了前所未有的要求，傳統(tǒng)遙感儀器定標(biāo)手段以及地面輻射校正技術(shù)已無(wú)法滿足氣候變化研究的需要，發(fā)展新型定標(biāo)技術(shù)體系，解決地球系統(tǒng)變化的長(zhǎng)期穩(wěn)定觀測(cè)問題勢(shì)在必行。

　　空間輻射測(cè)量基準(zhǔn)衛(wèi)星可以在準(zhǔn)確遙感地球系統(tǒng)氣候變化信號(hào)的同時(shí)，從根本上解決目前遙感衛(wèi)星定標(biāo)精度不高的問題，這一設(shè)想的實(shí)現(xiàn)，將對(duì)確保遙感衛(wèi)星定量化應(yīng)用產(chǎn)生決定性影響。

　　遙感衛(wèi)星熠熠生輝

　　站得高，才能望得遠(yuǎn)。

　　在太空中，每時(shí)每刻，遙感衛(wèi)星都在注視著地球，監(jiān)測(cè)這個(gè)系統(tǒng)的云團(tuán)、海流、氣溫變化等。利用遙感衛(wèi)星，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)森林資源進(jìn)行全面調(diào)查、估測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量和水果的產(chǎn)量、進(jìn)行災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測(cè)，不但能創(chuàng)造很高的經(jīng)濟(jì)效益，也廣泛應(yīng)用于國(guó)防安全。

　　國(guó)家衛(wèi)星氣象中心總工盧乃錳告訴《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者：“我國(guó)遙感衛(wèi)星發(fā)展到今天已經(jīng)有40年的時(shí)間，取得的成績(jī)有目共睹，以4大業(yè)務(wù)系列的遙感衛(wèi)星為基礎(chǔ)，一些專項(xiàng)的衛(wèi)星計(jì)劃以及一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星都為我國(guó)空間衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮了非常重要的作用?！?/p>

　　1988年我國(guó)發(fā)射氣象衛(wèi)星，形成極軌和靜止兩個(gè)業(yè)務(wù)衛(wèi)星系列；1999年發(fā)射資源衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)系列衛(wèi)星綜合觀測(cè)；2002年發(fā)射海洋衛(wèi)星，形成海色和海洋動(dòng)力衛(wèi)星系列；2008年發(fā)射環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星，形成光學(xué)和雷達(dá)小衛(wèi)星星座體系。

　　“從空間分辨率來說，民用遙感衛(wèi)星已經(jīng)到了米級(jí)，這種衛(wèi)星在生態(tài)、環(huán)境、測(cè)繪以及災(zāi)害防治方面能發(fā)揮重大作用?，F(xiàn)在我國(guó)氣象衛(wèi)星的時(shí)間分辨率已經(jīng)到了分鐘級(jí)?！北R乃錳說。

　　這種分鐘級(jí)數(shù)據(jù)意味著什么？“它改變了我們以前對(duì)靜態(tài)衛(wèi)星遙感圖像的認(rèn)識(shí)，從分鐘級(jí)圖像上可以看到對(duì)流云團(tuán)像開了的鍋一樣，并不像靜止云圖?！北R乃錳介紹。從分鐘級(jí)衛(wèi)星遙感圖像動(dòng)畫上可以看到，由于雨滴和冰雹的下落拖帶作用，發(fā)展旺盛的云團(tuán)底部會(huì)有冷空氣下沉（下?lián)舯┝鳎?，冷空氣到達(dá)地面后，沿著地面擴(kuò)散，導(dǎo)致周圍的暖濕空氣抬升，產(chǎn)生動(dòng)力強(qiáng)迫，出現(xiàn)清晰的積云線。而如果兩條積云線交匯，其交匯點(diǎn)的地方動(dòng)力強(qiáng)迫最強(qiáng)，往往新的雷暴就在這里發(fā)生，這一點(diǎn)對(duì)比雷達(dá)圖像可以佐證?！耙虼?，遙感衛(wèi)星所提供的高時(shí)間分辨率資料對(duì)短時(shí)預(yù)報(bào)非常重要。”盧乃錳說。

　　國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星熠熠生輝，在國(guó)際上影響力不斷上升?！拔仪皫滋炜吹竭@張海洋衛(wèi)星的圖，出乎我的預(yù)料，海洋衛(wèi)星是2002年發(fā)射的衛(wèi)星，現(xiàn)在雷達(dá)高度竟如此地成功，法國(guó)方面對(duì)它的評(píng)價(jià)是不僅質(zhì)量好，而且非常穩(wěn)定，這個(gè)評(píng)價(jià)非常難得?！苯?jīng)過與JASON-2的一番比較，國(guó)產(chǎn)的海洋衛(wèi)星HY-2A高度誤差只有0.4厘米。法國(guó)已經(jīng)在自己的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中引入中國(guó)的海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

　　在氣象觀測(cè)方面，中國(guó)氣象局曾經(jīng)收到歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心來函索要風(fēng)云衛(wèi)星資料。這一世界上最先進(jìn)的數(shù)值預(yù)報(bào)中心通過對(duì)中國(guó)氣象衛(wèi)星資料進(jìn)行3個(gè)月的試用，不但肯定中國(guó)風(fēng)云三號(hào)中的一些儀器質(zhì)量已經(jīng)和歐美相同的儀器相當(dāng)，而且要求與中國(guó)氣象局建立業(yè)務(wù)鏈路，實(shí)時(shí)獲取風(fēng)云三號(hào)資料。

　　第92屆美國(guó)氣象學(xué)年會(huì)，破例為中國(guó)衛(wèi)星設(shè)立分會(huì)場(chǎng)，向全世界宣傳中國(guó)衛(wèi)星的價(jià)值。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物陸續(xù)發(fā)表了一批高質(zhì)量的關(guān)于中國(guó)衛(wèi)星的文章，TGARS甚至為風(fēng)云三號(hào)出版了?？?，中國(guó)的遙感衛(wèi)星開始吸引世界的目光，有了“國(guó)際范兒”。

　　精確測(cè)量面臨挑戰(zhàn)

　　如同一個(gè)沒有刻度的溫度計(jì)和尺子，無(wú)法給別的物體測(cè)量溫度、丈量長(zhǎng)度，衛(wèi)星也要定標(biāo)，給空間儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行量值刻度，才能測(cè)量得更加精確。但是這個(gè)定標(biāo)過程比起一般的地面儀器標(biāo)定要復(fù)雜許多，而且遙感儀器在軌長(zhǎng)期工作存在衰退，定標(biāo)工作不能一勞永逸。

　　在日前召開的空間輻射測(cè)量基準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展高層研討會(huì)上，中國(guó)氣象局副局長(zhǎng)于新文表示，自1994年以來，在國(guó)家的大力支持下，中國(guó)氣象局聯(lián)合國(guó)內(nèi)有關(guān)單位，建成了地面輻射校正場(chǎng)，取得了許多科研成果，為我國(guó)民用衛(wèi)星在軌定標(biāo)工作作出了很大貢獻(xiàn)。

　　“我國(guó)遙感衛(wèi)星的輻射校正科學(xué)問題以及技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到了關(guān)鍵時(shí)刻，一方面中國(guó)的遙感衛(wèi)星發(fā)展非常之快，另一方面，我國(guó)對(duì)于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展以及全球變化研究的需求越來越迫切?，F(xiàn)在看來，關(guān)于衛(wèi)星輻射校正問題已經(jīng)成為遙感衛(wèi)星發(fā)展的關(guān)鍵問題，成為制約遙感衛(wèi)星發(fā)展的攔路虎?！庇谛挛恼f。

　　發(fā)展衛(wèi)星輻射校正系統(tǒng)，解決在軌衛(wèi)星定標(biāo)問題，是我國(guó)量化遙感的迫切需要，也是遙感衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展的重大需求。

　　回顧歷史，由于20年前航天技術(shù)很難在星上對(duì)遙感器進(jìn)行實(shí)時(shí)精確定標(biāo)，因此，利用地面輻射特性均勻穩(wěn)定的目標(biāo)，將其作為“基準(zhǔn)”，在衛(wèi)星飛過時(shí)通過星地同步觀測(cè)，將“基準(zhǔn)”傳遞到衛(wèi)星上以校準(zhǔn)遙感器偏差，就成為確保在軌衛(wèi)星觀測(cè)精度的有效方法。

　　不過，隨著航天遙感技術(shù)的發(fā)展和積累，國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的輻射定標(biāo)精度不高及數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊的現(xiàn)象開始引起關(guān)注。比如，紅外光定標(biāo)精度徘徊在1~1.5K，可見光通道約5%~7%，與0.2K和2%的國(guó)際水平存在很大差距。地面輻射校正場(chǎng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到理論極限。

　　與此同時(shí)，氣候變化研究對(duì)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量精度提出了前所未有的要求。“全球能量平衡過程如此精細(xì)，我們至今沒能完全理解，而長(zhǎng)期的氣候變化監(jiān)測(cè)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)提出超高精度觀測(cè)要求，氣候變化研究需要甄別每百年不到1K的溫度觀測(cè)，太陽(yáng)輻射直接觀測(cè)相對(duì)誤差需要穩(wěn)定在0.1%，反射太陽(yáng)輻射需要穩(wěn)定在誤差3%。顯然現(xiàn)有的輻射技術(shù)無(wú)法滿足這一需要?！北R乃錳說。

　　中科院上海技術(shù)物理研究所副所長(zhǎng)丁雷告訴記者，監(jiān)測(cè)氣候變化以及驗(yàn)證氣候預(yù)測(cè)模型精度的研究都需要高精度的長(zhǎng)達(dá)10年以上的氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在紅外輻射測(cè)溫方面，需要在軌的亮度溫度測(cè)量不確定度能夠達(dá)到0.1K。這不僅需要儀器在發(fā)射前進(jìn)行精確的校準(zhǔn)，同時(shí)還要具備在軌的校準(zhǔn)驗(yàn)證能力。

　　“對(duì)于簡(jiǎn)單的定標(biāo)而言，發(fā)展遙感載荷的定標(biāo)系統(tǒng)沒有問題，但是要想得到非常高的精度，其定標(biāo)系統(tǒng)的造價(jià)往往超過載荷本身，甚至是載荷成本的5到10倍，而且每一顆衛(wèi)星都構(gòu)成非常復(fù)雜的定標(biāo)系統(tǒng)這更不可能，更何況現(xiàn)在本身的技術(shù)在空間段也做不到那么高的精度要求?！北R乃錳說。

　　如何應(yīng)對(duì)衛(wèi)星定標(biāo)面臨的種種挑戰(zhàn)，中美科學(xué)家?guī)缀踉谕粫r(shí)間想到了同一辦法，這就是空間輻射測(cè)量基準(zhǔn)衛(wèi)星。

　　一顆基準(zhǔn)星解決定標(biāo)難題

　　“發(fā)射一顆具有極高的輻射測(cè)量精度的定標(biāo)衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星在繞地球飛行的時(shí)候，它會(huì)和其他的衛(wèi)星有一個(gè)軌道交叉，利用該衛(wèi)星與其他遙感衛(wèi)星對(duì)地球同一目標(biāo)同時(shí)空中觀測(cè)，就可以把這顆衛(wèi)星觀測(cè)的結(jié)果傳遞到另一顆衛(wèi)星上來標(biāo)定另一顆衛(wèi)星。這很像是我們做一個(gè)高精度的天平，先用這個(gè)天平秤完蘋果，再將蘋果放到別的天平上，去標(biāo)定好其他任何一個(gè)天平?！北R乃錳說。

　　這個(gè)方法的好處是用一顆基準(zhǔn)星就可以對(duì)所有其他遙感衛(wèi)星進(jìn)行標(biāo)定，從而大大降低了每顆衛(wèi)星都設(shè)計(jì)高精度定標(biāo)系統(tǒng)所帶來的成本問題。

　　由于空間輻射測(cè)量基準(zhǔn)衛(wèi)星定標(biāo)精度要比現(xiàn)有遙感衛(wèi)星高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，必須完成原理突破和技術(shù)革新，因此研制難度極大。

　　2006年，美國(guó)國(guó)家大氣海洋局、航空航天局、國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)局等部門組織上百名科學(xué)家，聯(lián)合召開氣候變化背景下衛(wèi)星儀器定標(biāo)研討會(huì)，試圖舉全國(guó)之力，共同發(fā)展用于氣候變化監(jiān)測(cè)的超高精度空間輻射測(cè)量衛(wèi)星，CLAREEO（Climate Absolute Radiance and Refractivity Observatory）計(jì)劃由此產(chǎn)生。美國(guó)國(guó)家大氣海洋局助理局長(zhǎng)親自作報(bào)告，呼吁發(fā)展空間高精度輻射測(cè)量技術(shù)，確保氣候變化監(jiān)測(cè)，解決現(xiàn)有遙感衛(wèi)星的定標(biāo)問題。

　　國(guó)內(nèi)863計(jì)劃在“十二五”期間，針對(duì)空間輻射基準(zhǔn)源研制關(guān)鍵技術(shù)，部署了前瞻性項(xiàng)目。隨著項(xiàng)目的啟動(dòng)，空間輻射測(cè)量基準(zhǔn)衛(wèi)星的概念得到國(guó)內(nèi)科技與航天部門的認(rèn)可和關(guān)注。

　　“我們的總體目標(biāo)是設(shè)定面向遙感衛(wèi)星輻射定標(biāo)系統(tǒng)發(fā)展前沿，統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實(shí)施，通過3個(gè)5年計(jì)劃的實(shí)施把我國(guó)空間輻射測(cè)量基準(zhǔn)衛(wèi)星送上太空，解決氣候監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以及現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星輻射定標(biāo)精度不夠的問題?！北R乃錳說。

　　“地面輻射測(cè)量基準(zhǔn)從60年代開始已經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展，但是空間輻射測(cè)量現(xiàn)在發(fā)展僅僅相當(dāng)于地面的第一個(gè)階段。因?yàn)槠潆y度水平和地面完全不一樣，會(huì)涉及很多技術(shù)問題?！北R乃錳說。

　　到目前為止，現(xiàn)有遙感載荷都難以確保遙感器的定標(biāo)精度和遙感產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。突破空間遙感載荷的高精度星上輻射定標(biāo)核心技術(shù)，建立我國(guó)自主空間輻射基準(zhǔn)是我國(guó)今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)積極努力的前沿課題。

　　“當(dāng)前，我國(guó)多個(gè)序列的遙感衛(wèi)星雖然針對(duì)行業(yè)應(yīng)用有所差別，但是儀器輻射定標(biāo)過程基本相似，需要國(guó)家統(tǒng)一輻射計(jì)量基準(zhǔn)開展衛(wèi)星在軌定標(biāo)。在空間平臺(tái)上建立可溯源國(guó)際單位制SI的統(tǒng)一輻射基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)完整可靠的空間基準(zhǔn)傳遞鏈，是根本解決星載遙感高精度高穩(wěn)定度輻射定標(biāo)的有效途徑。”盧乃錳說。