美国海军航天遥感技术述评

一、海军航天遥感技术

环境保障体系的必要性

众所周知，海军是拥有多种高技术装备的特殊军种，海洋水体发生的“热盐”运动，如温、盐、密、跃层等及海流、海浪、内波、潮汐、水色、海底沉积物、海底地质构造等是影响海上武器装备设计、试验和作战训练的基本要素，对于海军充分发挥高技术装备的效率极为关键。例如海上风暴和大浪会使水面舰艇偏离航向；海上污损生物会使潜艇壳体增厚，航速下降；潜艇潜航、跟踪和鱼雷布放等受海水温度的影响很大，强大的温度跃层会给潜艇下沉和航行带来困难，甚至造成潜艇颠覆，减慢其移动速度；强而厚的跃层又是潜艇的天然屏障，因为它对声波、无线电波具有很强的折射作用，使隐匿于跃层之下的潜艇不易被雷达发现。然而，上下水层水温的差异，又直接影响鱼雷的使用效果。再例如海洋中普遍存在着对声波在水中传播特别有效的声道，它直接影响声纳探测潜艇的作用距离和性能。因为在声道之外，声波发生强烈的折射或被吸收，声纳根本接收不到潜艇信号，海水中声道的位置则与海水温度、跃层、水团、流系密切相关。根据水声与温度和盐度的函数关系，声波在水中的传播速度可经计算得出，从而可以大致确定声道位置。

海洋卫星水色扫描仪和红外通道遥感器（如欧洲遥感卫星上的沿轨迹扫描辐射计和先进甚高分辨率辐射计等）可提供海表温度和水色等数据，雷达高度计可提供大地水准面、大洋流和海浪等数据，合成孔径雷达可提供海浪谱、内波和海冰等数据，散射计可提供海面风场数据，微波辐射计可提供海表温度、海面风速、大气中水蒸气含量等数据，完全可为海上军事活动提供各种环境保障服务。

当前美国海军已建立较完善的海上战场、训练场和试验场环境保障体系。其职责是：海军气象海洋司令部负责向战斗部队提供最准确和最新的海洋信息，下属的海军海洋局和舰队数值气象海洋中心专门负责全球海洋数据的处理，生产海上军事活动所需的各类海洋信息产品。舰队数值气象海洋中心已建立西太平洋、大西洋、印度洋和南北极水文气象数据库、水声环境参数数据库，主要处理国防气象卫星专用遥感器（SSM／I及其改进型SSMIS）和散射计（如AMI风模式、NSCAT）的数据，生产海冰冰情和风矢量产品等。而海军海洋局侧重于高度计卫星（如测地卫星、托佩克斯／海神和后续型测地卫星等）、先进甚高分辨率辐射计遥感器、水色卫星（如沿海水色扫描仪和海洋宽视场水色扫描仪等）、陆地卫星和斯波特卫星高分辨率图像等数据和资料的处理以及海表温度、海水清澈度及海水光学特性、海洋锋和涡漩图等产品的制作与分发。

1997年2月，美国海军研究署成立了海军空间科学技术办公室，其主要任务是组织和协调军内外为海洋战场环境保障提供技术支撑的空间科学技术研究。至此，美国海军海上战场环境空间科学技术支撑体系和保障体系基本形成。

二、水色卫星的军事应用

海洋水色遥感已成为近些年国际海洋遥感的热点，取得了显著技术进步，水色遥感从多光谱扫描遥感器（如沿海水色扫描仪）发展到超光谱遥感器（如沿海海洋成像光谱仪），光谱通道从6个发展到210个，空间分辨率从1千米提高到30米，信噪比可达700：1，仪器灵敏度将有很大提高，水色卫星的技术进步为军事应用奠定了基础。

美国海军空间科学技术办公室正在策划的“海军地图观测者”卫星就是世界上第一颗水色军用卫星。该卫星将采用600千米高的太阳同步圆形轨道，星载超光谱遥感器沿海海洋成像光谱仪有200个光谱波段（有报道称为210个），波段宽度为0.4－2.5微米，扫描数据采样宽度为30千米，地面采样距离为60米（可选择为30米）。它可提供作战海区，敌点区域不可达到的海区、尤其是沿海地区（距海岸50千米范围内）动态水体光学参数、浅海水深以及地形、地貌、海区上空大气参数等海军舰艇活动不可缺乏的实时环境数据。

三、高度计卫星的军事应用

高度计卫星最早引起美国海军的重视。1985年3月12日，美国海军发射测地卫星，星载有效载荷为13.5吉赫的雷达高度计和微波辐射计，可获得海面高度和风速测量数据，通过数据反演可获得海洋重力场数据，从而对提高潜艇弹道导弹发射命中率具有重要意义。其军事使命是：

1改进大地水准面高度和垂直偏差等的测量及飞行中重力制图补偿；

2确定需要船舶进行地球物理与地质详查的特定区域；

3发现潜艇水下航行可能发生的水深突变灾害区。

工作于Ku波段的测地卫星共运行了5年（1985－1989年），前18个月军事使命于1986年9月30日结束，轨道重复周期为3天。后经过1个月的轨道调整，进入17天精确重复轨道，执行民用科学研究使命。但是前18个月的3.5厘米精度的海面高度测量数据长期处于保密状态。

在经过长达8年的间断之后，美国海军于1998年2月发射了测地卫星的后续星GFO，其科学有效载荷与前者相同，海面高度测量精度优于3.5厘米。星上另一有效载荷为双频微波辐射计（工作于22和37吉赫），主要用于高度计数据水汽影响订正。该卫星2000年11月交付海军卫星业务中心控制，它采用17天精度重复轨道向海军提供中尺度海洋锋和涡漩等海面地形数据，改善海军全球海洋预报模式。GFO卫星重量仅为300千克，有效载荷重47千克，总功耗121瓦，将对美国海军军用小卫星的发展产生深远影响。

四、合成孔径雷达

卫星的军事应用

海洋卫星对海上军事活动的重大贡献之一或许是合成孔径雷达对内波的监测。内波对潜艇水下航行的安全至关重要。由于不了解潜艇活动海域内波运动规律，历史上曾发生过隐蔽待命的潜艇被突然抛出海面或突然被摔向海底，造成艇毁人亡的惨剧。在合成孔径雷达图像中，内波在亮背景（假设是在粗糙海面条件下）要么呈现暗色，要么在暗背景下（无风条件）呈现亮色，或者在介于两者之间的海况条件下呈亮暗相间的条带。这表明，在不同海况条件下，内波都可能在合成孔径雷达图像中呈像。因此，星载合成孔径雷达成为迄今为止海洋内波有效监测的唯一手段。

合成孔径雷达在军事上的另一应用是对全球海洋水面舰艇的监视。众多水面舰艇航行，往往激起浪花飞溅的尾流，航行海域的海面粗糙度发生改变，雷达高度计和合成孔径雷达都有可能探测到这一变化。加拿大雷达卫星星载合成孔径雷达有7种工作模式以及不同入射角（在20－60度之间），可探测船长23－225米的各类船舶。在该卫星的合成孔雷达图像上，船只以海洋暗背景下的亮目标出现，然而，舰艇探测与舰艇的物理性质，与相对于雷达观测方向的定向和风速有关。随着风速增强，海面后向散射也增强，舰艇亮目标回波与海面类似亮回波之间的对比度下降，探测效果受影响。近此年，美国科学家根据船尾迹的合成孔径雷达图像密度谱和波浪斜率谱的变化，开展运动船只船体外形识别研究，取得了一定的进展。

此外，多年来美国一直致力于星载合成孔径雷达潜艇探测及跟踪技术研究。目前美国已能够在近海小风速海况下找出巡航中潜艇航行的尾迹，正在开发任何海况条件下星载合成孔径雷达探潜的新方法。

合成孔径雷达卫星近些年所取得的技术突破也为军事应用开拓了广阔前景。合成孔径雷达遥感器已实现多波段、多极化、多投射角和多工作模式，仪器分辨率有极大提高（从现在的25米将提高到1－3米），而且仪器重量轻、体积小、功耗及成本低、寿命长。尽管至今未见到美国合成孔径雷达卫星计划的报道，但是1996年美国航宇局正式提出了轻型合成孔径雷达卫星计划，这显然是技术水平更高的合成孔径雷达卫星。据称，高技术水平的轻型合成孔径雷达卫星具有海洋军事动态监测（船舶调动）、重点战区军事动态侦察等功能。

五、结论与建议

美国海军最近10多年建立起来的以航天遥感技术为技术支撑的环境保障服务体系应引起国家决策部门的高度重视。特别是布什政府视中国为“竞争对手”，派遣军用侦察机抵近中国近海侦察，国家决策部门应重视采用高技术手段，捍卫星国家主权和领土完整。下面略举数例，说明美国海军环境保障服务体系对中国海域主权的在威胁。

11991年以美国为首的多国部队发动海湾战争，集结航空母舰4艘，各类战舰247艘。这次战争既考验了美国海军拥有的高技术装备，同时也检验了美国海军的战争服务保障体系。美国海军舰队数值气象海洋中心实时接收多颗卫星数据，一天两次发布沙漠地区和海湾地区上空24－36小时的风速风向预报，改善了6天以上的海洋天气预报，表明现代高技术条件下的战争不能没有像海洋卫星一类的高技术应用卫星的支持；同时也表明美国现有技术条件已可获得中国海洋环境信息。

2上世纪90年代初，美国海军制订了“沿海和半封闭海计划”，毫不掩饰地宣称，其目的是为了“研究高度变化的沿海和浅水滨海环境对水陆两栖战、特殊战争以及自卫反击战的影响”。该计划将海洋水文、海洋动力、海洋生物和海洋光学等要素数据的获取列为重要目标。

3美国海军上世纪90年代开始将西太平洋列为全球大洋海温、盐度及跃层预报的重心海区，我国黄海、东海和南海被列入其中。显而易见，美国海军发布黄海、东海和南海水温、盐度、海流预报的数据来自卫星遥感。

笔者针对来自中国海域上空的潜在威胁，提出如下几点建议以供有关部门参考：

1在卫星海洋应用“十五”计划和15年规划中，应充实军事遥感应用的指标和项目，使“军民结合”原则落实到实处，在岛礁、水深及浅海地形测绘方面应以军事应用为主；

2海军应从自身需要出发，制定“海洋军事遥感规划和计划”，明确战略目标和技术需求，引导国内现有的遥感技术力量为军事服务；

3海军应加强对海洋环境保障技术跟踪及其对策研究的支持力度，为国家决策部门提供针对性较强，有分析、有一定参考可靠的依据。