中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊    地球南北兩極是復(fù)雜的耦合系統(tǒng)，其變化機(jī)理涉及冰蓋/冰架、海冰、海洋、大氣等相互作用。全球變暖引發(fā)了極地環(huán)境快速變化，但當(dāng)前科學(xué)界對(duì)于很多極地快速變化過(guò)程及其機(jī)理的理解尚不清晰。這主要源于針對(duì)極地環(huán)境的立體觀測(cè)稀少，尤其是缺乏重要的中小尺度物理過(guò)程觀測(cè)，限制了我們對(duì)極地環(huán)境變化機(jī)理這一科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

此外，全球氣候持續(xù)變暖導(dǎo)致北極海冰面積和厚度快速減小，普通商船在北冰洋的通航窗口期已大幅延長(zhǎng)，逐步成為連接?xùn)|亞、歐洲和北美的“黃金水道”。北極航道的開發(fā)急需航道信息保障技術(shù)的支持，然而當(dāng)前北極冰-海-氣環(huán)境信息獲取還存在著時(shí)間不連續(xù)、空間不完整等問(wèn)題，這直接制約著北極航道的安全開發(fā)和高效利用。

因此，加快發(fā)展極地環(huán)境探測(cè)技術(shù)，深入開展極地環(huán)境科學(xué)研究，對(duì)于我國(guó)參與極地國(guó)際治理和為全球氣候變化貢獻(xiàn)中國(guó)智慧具有重要意義。

國(guó)際極地環(huán)境探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和遙感探測(cè)是獲得極地環(huán)境信息最有效的2種手段。

國(guó)際極地現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)進(jìn)展

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)又分為表面（地表、海表或冰表）觀測(cè)技術(shù)和水下觀測(cè)技術(shù)。水下觀測(cè)技術(shù)主要采用調(diào)查船走航、固定或剖面浮標(biāo)、無(wú)人潛水器、載人潛水器等技術(shù)，發(fā)展多平臺(tái)組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)也是當(dāng)前水下觀測(cè)研究的熱點(diǎn)。

表面觀測(cè)技術(shù)

目前，表面觀測(cè)技術(shù)主要采用自動(dòng)氣象觀測(cè)站、冰站、冰基浮標(biāo)等技術(shù)；經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，相對(duì)比較成熟，發(fā)展趨勢(shì)是組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)。北極理事會(huì)協(xié)調(diào)建設(shè)了“北極可持續(xù)觀測(cè)網(wǎng)”（SAON），開展了北極陸地氣象觀測(cè)。世界氣候研究計(jì)劃資助了“國(guó)際北極浮標(biāo)計(jì)劃”（IABP），開展了北冰洋氣象觀測(cè)。?

水下組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)

美國(guó)國(guó)防部于2012年啟動(dòng)極地環(huán)境感知項(xiàng)目，發(fā)展冰下環(huán)境感知技術(shù)，構(gòu)建北極持續(xù)自主監(jiān)視能力。美國(guó)海軍研究署于2020年開始研發(fā)“北極移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)”（AMOS），該系統(tǒng)由浮標(biāo)基站、多種無(wú)人潛水器及其組網(wǎng)設(shè)施構(gòu)成。浮標(biāo)和無(wú)人潛水器搭載各種傳感器，具有低能耗、抗低溫特性，能長(zhǎng)期自主收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)時(shí)回傳觀測(cè)數(shù)據(jù)。

歐洲各國(guó)發(fā)起了“北極聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng)”（INTAROS）項(xiàng)目；通過(guò)擴(kuò)展、改進(jìn)、整合歐洲現(xiàn)有分布于北極不同區(qū)域的觀測(cè)系統(tǒng)，從而構(gòu)建一套集成的觀測(cè)系統(tǒng)。該觀測(cè)系統(tǒng)以錨鏈陣列和固定聲學(xué)結(jié)點(diǎn)為主，并使用少量水下移動(dòng)式觀測(cè)平臺(tái)，以獲得空間稀疏位置的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

俄羅斯積極發(fā)展極地聲學(xué)探測(cè)技術(shù)，研發(fā)了可用于極地海域的新型反潛探測(cè)聲吶監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由海基、天基和岸基部分組成。其海基系統(tǒng)包括浮標(biāo)和水下觀測(cè)平臺(tái)，負(fù)責(zé)采集水下和水面艦艇的信息；天基衛(wèi)星通信鏈路負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送給岸基數(shù)據(jù)中心。該系統(tǒng)部署后覆蓋范圍可達(dá)數(shù)百平方公里，可有效限制競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在俄北極領(lǐng)海等關(guān)鍵海域的活動(dòng)。

無(wú)人潛水器技術(shù)

極地海洋的許多區(qū)域長(zhǎng)年被海冰所覆蓋，對(duì)海冰特征和冰下環(huán)境進(jìn)行考察是極地科學(xué)考察的重要組成部分，因此無(wú)人潛水器是極地科學(xué)考察的重點(diǎn)發(fā)展方向。無(wú)人潛水器集傳感、通信、導(dǎo)航、控制、能源、推進(jìn)等技術(shù)于一體，是近20年來(lái)國(guó)際海洋工程領(lǐng)域發(fā)展的最尖端的技術(shù)之一。由于其成本和使用靈活性上的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)已成為水下環(huán)境探測(cè)的重要工具。典型無(wú)人潛水器一般包括：自主水下航行器（AUV）和水下滑翔機(jī)。其中，AUV由于其自主機(jī)動(dòng)能力較強(qiáng)，在極地水下有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

1972年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局資助華盛頓大學(xué)研制無(wú)人無(wú)纜冰下無(wú)人潛水器（UARS），以利用窄波束成像聲吶進(jìn)行北極冰底形態(tài)觀測(cè)，并由此拉開應(yīng)用AUV進(jìn)行極地調(diào)查的序幕。20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)開展極地AUV研制與應(yīng)用研究。2001年，美國(guó)蒙特利灣海洋研究所（MBARI）聯(lián)合麻省理工學(xué)院（MIT）等研究機(jī)構(gòu)，開發(fā)了具有長(zhǎng)續(xù)航能力的無(wú)人潛水器ALTEX AUV（圖1a）；ALTEX AUV可實(shí)現(xiàn)洋盆尺度的水下環(huán)境調(diào)查，主要用于監(jiān)測(cè)北冰洋的環(huán)境變化對(duì)全球變暖的影響。美國(guó)伍茲霍爾海洋學(xué)研究所（WHOI）研制了具有雙體結(jié)構(gòu)的SeaBED系列AUV，并于2007年夏季利用該系列的PUMA AUV和JAGUAR AUV協(xié)同完成了冰下深海熱液羽狀流探測(cè)及海底測(cè)繪任務(wù)；這種雙體結(jié)構(gòu)AUV近10年在南北兩極海洋生物、地質(zhì)調(diào)查及海冰測(cè)量方面均有出色表現(xiàn)（圖1b）。

英國(guó)南安普頓國(guó)家海洋中心開發(fā)了Autosub系列AUV，其主要用于極地海洋科學(xué)研究。其中，2001年，Autosub AUV搭載聲吶設(shè)備在南極威德?tīng)柡＿M(jìn)行南極磷蝦調(diào)查研究；AutosubⅡAUV搭載水文傳感器及多波束成像聲吶于2004年在北極格陵蘭冰架、2005年在南極芬布爾冰架下進(jìn)行水文環(huán)境和冰厚測(cè)量；AutosubⅢAUV在南極松島冰川下進(jìn)行了冰下海底地形、冰底結(jié)構(gòu)成像及冰下水體熱傳導(dǎo)規(guī)律調(diào)查（圖1c）。加拿大國(guó)際潛水器工程（ISE）公司于1996年利用Theseus AUV在北極冰鋒水域成功鋪設(shè)了長(zhǎng)達(dá)200km的光纜，用于實(shí)時(shí)獲取布放于北冰洋的水下聲學(xué)陣列數(shù)據(jù)。ISE公司為加拿大自然資源部研制了5000m水深A(yù)rctic Explorer AUV；通過(guò)搭載聲吶設(shè)備該 AUV于2010年進(jìn)行了北極高緯度地區(qū)冰下海底地圖繪制，以支持加拿大根據(jù)《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》維護(hù)領(lǐng)土權(quán)益。ISE公司還為澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)研制了用于南極冰下探測(cè)的AUV nupiri muka（圖1d）；該 AUV擁有變浮力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)沉積物或冰體采樣，其分別在2019年和2020年開展了南極瑟斯達(dá)爾冰架和斯威茨冰川的冰下探測(cè)任務(wù)，并獲得了寶貴的水文、地形及冰底結(jié)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)。

在極地表面和水下觀測(cè)方面，國(guó)際主流發(fā)展趨勢(shì)為基于固定或移動(dòng)平臺(tái)的組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)，利用組網(wǎng)觀測(cè)平臺(tái)的種類和數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)極地多環(huán)境要素的長(zhǎng)期、大范圍、同步觀測(cè)，為極地科學(xué)研究或人為活動(dòng)提供實(shí)時(shí)、持久、有效的數(shù)據(jù)支撐。其中，無(wú)人潛水器作為組網(wǎng)觀測(cè)系統(tǒng)中的移動(dòng)結(jié)點(diǎn)，具備水下自主作業(yè)的性能優(yōu)勢(shì)，可以在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)未知環(huán)境的探索或?qū)?dòng)態(tài)目標(biāo)的追蹤，在極地冰下觀測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，揭示了諸多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

國(guó)際極地遙感探測(cè)技術(shù)進(jìn)展

相比于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，遙感探測(cè)是對(duì)極地開展宏觀連續(xù)觀測(cè)的重要手段。極地遠(yuǎn)離人類世界且自然環(huán)境惡劣，這意味著利用遙感方法開展極地觀測(cè)，特別是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有重要價(jià)值和不可替代的作用。

遙感技術(shù)可以在較短時(shí)間內(nèi)收集大量信息，并分析極地環(huán)境要素的變化特征。1960年TIROS-1衛(wèi)星首次在加拿大東南部圣勞倫斯海灣拍攝到海冰解凍的遙感影像，由此揭開了極地遙感觀測(cè)的序幕。20世紀(jì)60年代以來(lái)，西方國(guó)家積極發(fā)展極地衛(wèi)星遙感技術(shù)、開展極地遙感應(yīng)用研究，在理論和實(shí)踐方面都取得突破性進(jìn)展。圍繞極地海冰、冰蓋和海洋環(huán)境變化研究形成了一系列遙感產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代以來(lái)，西方國(guó)家陸續(xù)發(fā)起了多個(gè)針對(duì)極地環(huán)境的衛(wèi)星計(jì)劃（如歐洲航天局發(fā)起的CryoSat2）或觀測(cè)計(jì)劃（如美國(guó)國(guó)家航空航天局與加拿大航天局聯(lián)合發(fā)起的RADARSAT南極測(cè)圖計(jì)劃），目前已經(jīng)初步建成極地天基遙感觀測(cè)體系。衛(wèi)星遙感技術(shù)在極地的應(yīng)用主要分為光學(xué)傳感器、微波輻射計(jì)、雷達(dá)散射計(jì)、合成孔徑雷達(dá)（SAR）和高度計(jì)5種類型。

（1）光學(xué)傳感器。20世紀(jì)70年代以來(lái)，以美國(guó)國(guó)家航空航天局和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合研制的“陸地衛(wèi)星”（Landsat）系列為代表的光學(xué)遙感衛(wèi)星率先被應(yīng)用于極地海洋與冰雪環(huán)境研究，搭載在Landsat系列衛(wèi)星上的多光譜掃描儀（MSS）、專題制圖儀（TM）和陸地成像儀（OLI）等光學(xué)傳感器被廣泛應(yīng)用于海冰與冰蓋變化監(jiān)測(cè)。迄今，已積累近50年連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）微波輻射計(jì)和雷達(dá)散射計(jì)。大尺度的連續(xù)極地觀測(cè)主要依賴星載微波傳感器。星載微波輻射計(jì)和雷達(dá)散射計(jì)遙感系統(tǒng)不依賴太陽(yáng)光，能夠?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、連續(xù)的極區(qū)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)。其中比較有代表性的是美國(guó)國(guó)防部于20世紀(jì)60年代啟動(dòng)的國(guó)防氣象衛(wèi)星（DMSP）系列搭載的SSM/I輻射計(jì)與歐洲航天局搭載于Metop-1衛(wèi)星的ASCAT散射計(jì)。目前，基于這些衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已業(yè)務(wù)化生產(chǎn)逐日海冰密集度、類型和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品。

（3）合成孔徑雷達(dá)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，搭載SAR傳感器衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射升空又將極地遙感推上了新的階段。加拿大RADARSAT系列SAR衛(wèi)星和ESA的Sentinel-1系列SAR衛(wèi)星被廣泛應(yīng)用于高分辨率海冰分類、漂移、冰架崩解、融化和高程監(jiān)測(cè)。

（4）高度計(jì)。衛(wèi)星高度計(jì)能夠直接獲取地物的高程信息，美國(guó)國(guó)家航空航天局2018年發(fā)射升空的ICESat-2先進(jìn)地形激光測(cè)高系統(tǒng)（ATLAS）首次將單光子探測(cè)技術(shù)引入地球高程探測(cè)，為精確測(cè)定極地冰蓋高程和海冰厚度提供了新的監(jiān)測(cè)手段。

我國(guó)極地環(huán)境探測(cè)技術(shù)發(fā)展歷程及應(yīng)用情況 

極地現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)進(jìn)展

自動(dòng)氣象站

中國(guó)氣象科學(xué)研究院自2010年起開始研發(fā)超低溫電池、風(fēng)速儀、能源控制系統(tǒng)等多種設(shè)備和系統(tǒng)，并最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)集成，用于極地超低溫觀測(cè)；研發(fā)的極地低溫（?60℃）和超低溫（?100℃）自動(dòng)氣象站已安裝在南極的泰山站、羅斯海新站、格羅夫山、昆侖站和北極的漂移站等地。此外，南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海）于2019年在格陵蘭冰蓋上架設(shè)了野外自動(dòng)氣象站（圖2），用于記錄每小時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、溫度、濕度、雪厚、冰溫等變量，并通過(guò)銥星實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至國(guó)內(nèi)。上述氣象站已在南、北極獲得了大量的連續(xù)觀測(cè)資料。

浮標(biāo)

太原理工大學(xué)研制了聲學(xué)探測(cè)浮標(biāo)、海冰多參數(shù)浮標(biāo)（IMB）、海冰融池觀測(cè)浮標(biāo)、海冰無(wú)人冰站（圖3）及海冰溫度鏈浮標(biāo)等自動(dòng)觀測(cè)裝置，并在北冰洋多點(diǎn)成功布放。

無(wú)人潛水器

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所先后有4種類型6臺(tái)/套無(wú)人潛水器參加了8次極地科考。例如，其研制的冰下自主/遙控海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ARV）分別于2008年、2010年、2014年參加了北極科學(xué)考察；通過(guò)搭載溫鹽深儀、光通量測(cè)量?jī)x和水下攝像機(jī)等多種測(cè)量設(shè)備，該ARV可獲得冰下水體溫度、鹽度、深度、冰下光透射輻照度、冰底形態(tài)、海冰厚度等多種科學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)（圖4）。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的“探索1000”AUV于2020年在南極進(jìn)行了海洋多要素走航觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了南大洋海洋環(huán)境的自主調(diào)查，獲得了海流、溫度、鹽度、濁度、溶解氧及葉綠素等大量水文探測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了我國(guó)自主研制的AUV在極端海洋環(huán)境下開展科學(xué)探測(cè)研究的實(shí)用性和可靠性。該研究所主持研制的“探索4500”AUV（圖5）于2021年成功完成了北極高緯度海冰覆蓋區(qū)的科學(xué)考察作業(yè)，表現(xiàn)出了在北極冰區(qū)良好的低溫環(huán)境適應(yīng)能力、高緯度高精度導(dǎo)航性能、密集冰區(qū)故障應(yīng)急處理能力和洋中脊近海底精細(xì)探測(cè)能力等。此外，其自主研制的“海翼”號(hào)水下滑翔機(jī)于2018年首次實(shí)現(xiàn)了在白令海公海區(qū)域布放應(yīng)用，通過(guò)測(cè)量海水溫度、鹽度及深度，為北冰洋動(dòng)力環(huán)境和水文結(jié)構(gòu)研究提供了寶貴觀測(cè)數(shù)據(jù)。

哈爾濱工程大學(xué)在水下通信和組網(wǎng)技術(shù)等方面取得重要進(jìn)展，同時(shí)攻克了極地AUV總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，研制出了工作潛深1000m、續(xù)航能力200km、具有海底地形地貌/海冰冰貌及水文數(shù)據(jù)采集等功能的極地AUV樣機(jī)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)相繼在極地開展冰海基觀測(cè)系統(tǒng)布放應(yīng)用研究，在自動(dòng)氣象站、冰基浮標(biāo)、無(wú)人冰站、無(wú)人潛水器研制與應(yīng)用領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展。然而，受技術(shù)水平和地域可到達(dá)性等因素限制，我國(guó)在極地布放應(yīng)用的冰海基觀測(cè)系統(tǒng)種類和數(shù)量有限，尚未能實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)觀測(cè)作業(yè)；而且觀測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期原位工作能力不足，獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間和空間分辨率較低，難以滿足實(shí)際的應(yīng)用需要。為了有效保障我國(guó)在南、北極地區(qū)的科技與經(jīng)濟(jì)權(quán)益，亟待開展極地組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)研究，以提升對(duì)極地冰區(qū)冰上和冰下環(huán)境變化的認(rèn)識(shí)，為我國(guó)在極地相關(guān)科研、航運(yùn)等活動(dòng)的實(shí)施提供信息支撐。

極地遙感探測(cè)技術(shù)進(jìn)展

極地衛(wèi)星遙感探測(cè)技術(shù)

在小尺度上，國(guó)產(chǎn)“高分”和“資源”系列衛(wèi)星提供了極地高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)。“高分三號(hào)”（GF-3）衛(wèi)星搭載的SAR傳感器具備12種成像模式，同時(shí)涵蓋傳統(tǒng)的條帶和掃描成像模式，以及面向海洋應(yīng)用的波成像模式和全球觀測(cè)成像模式，是世界上成像模式最多的SAR衛(wèi)星。基于GF-3 SAR影像的強(qiáng)度、入射角和極化信息，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)夏季融冰季節(jié)的浮冰、碎冰與開放水域分類制圖。目前，基于GF-3 SAR影像獲取了海冰動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)專題產(chǎn)品，“高分”衛(wèi)星多次為我國(guó)商船和破冰船在極區(qū)航行期間安全、迅速地在浮冰區(qū)穿行和險(xiǎn)情化解提供了關(guān)鍵保障。“資源三號(hào)”（ZY-3）衛(wèi)星是中國(guó)首顆自主研制的民用高分辨率立體測(cè)繪遙感衛(wèi)星；2012年1月9日Z(yǔ)Y-3的成功發(fā)射代表著我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)依靠采購(gòu)國(guó)外商用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)圖工作已成為過(guò)去。ZY-3首星配置4臺(tái)相機(jī)，能夠獲取多光譜影像和三線陣立體影像，填補(bǔ)了中國(guó)立體測(cè)圖這一領(lǐng)域的空白。隨著ZY-3第三顆衛(wèi)星在2020年的發(fā)射升空，ZY-3形成了業(yè)務(wù)觀測(cè)星座。ZY-3同軌三視立體觀測(cè)能夠提供非常豐富的三維幾何信息，在冰蓋表面高程、形態(tài)和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面有很好的應(yīng)用前景。ZY-3的高分辨率影像已被成功用于南極冰蓋表面流速監(jiān)測(cè)。ZY-3衛(wèi)星立體像對(duì)也被應(yīng)用于南極龍尼-菲爾希納冰架高分辨率三維建模，能夠很好地獲取冰架表面形態(tài)及裂隙發(fā)育特征。

在大尺度上，國(guó)產(chǎn)“風(fēng)云”和“海洋”系列衛(wèi)星提供了極地高時(shí)間分辨率遙感數(shù)據(jù)。“風(fēng)云三號(hào)”（FY-3）衛(wèi)星搭載的微波輻射成像儀（MWRI）開啟了國(guó)產(chǎn)微波傳感器在極地冰雪環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的新紀(jì)元。目前，國(guó)際上微波輻射計(jì)大多已經(jīng)或即將超期服役。隨著2021年“風(fēng)云三號(hào)”E星（FY-3E）的發(fā)射升空，F(xiàn)Y-3已連續(xù)提供超過(guò)10年的極地觀測(cè)資料，MWRI有可能成為未來(lái)唯一一個(gè)在軌運(yùn)行的星載微波輻射計(jì)。目前，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星已被應(yīng)用于業(yè)務(wù)化海冰密集度產(chǎn)品生產(chǎn)，以及兩極冰蓋融化監(jiān)測(cè)。“海洋二號(hào)”（HY-2）是海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，主要用于全天時(shí)、全天候、高精度地獲取海面風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、海面高度、浪場(chǎng)、流場(chǎng)等參數(shù)，也可應(yīng)用于大尺度極地冰雪環(huán)境監(jiān)測(cè)。HY-2搭載雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)和微波輻射計(jì)，包括HY-2A實(shí)驗(yàn)星，以及HY-2B、HY-2C 2顆業(yè)務(wù)星。隨著HY-2B和HY-2C分別于2018年和2020年發(fā)射升空，HY-2系列衛(wèi)星已被應(yīng)用于南、北極大尺度海冰參數(shù)反演研究中，如海冰覆蓋范圍、海冰密集度和海冰類型，精度已達(dá)到國(guó)際主流同類型傳感器水平。

然而，上述國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星均不是專門的極地衛(wèi)星，無(wú)法同時(shí)兼顧極地遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率和時(shí)間分辨率。2019年9月12日，我國(guó)首顆專門面向極地遙感觀測(cè)的小衛(wèi)星“冰路”（Ice Pathfinder）衛(wèi)星在中國(guó)太原衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長(zhǎng)征四號(hào)乙火箭成功發(fā)射。該衛(wèi)星由北京師范大學(xué)科學(xué)設(shè)計(jì)，深圳東方紅海特衛(wèi)星有限公司研制，中山大學(xué)負(fù)責(zé)運(yùn)行、維護(hù)并構(gòu)建衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)。“冰路”衛(wèi)星具有大幅寬、高緯度覆蓋等特點(diǎn)，空間分辨率優(yōu)于80m，能夠5天內(nèi)完成對(duì)兩極的覆蓋觀測(cè)。獨(dú)特的在軌變曝光技術(shù)保證了其獲取影像的質(zhì)量。截至目前，“冰路”衛(wèi)星已圓滿完成了3次南極和2次北極觀測(cè)任務(wù)，目前仍處于良好的超齡服役狀態(tài)；已累計(jì)獲得影像1萬(wàn)余幅，其中南極冰蓋影像4300余幅，北極影像3500余幅（圖6），從而彌補(bǔ)了我國(guó)長(zhǎng)期自主極地觀測(cè)數(shù)據(jù)的短缺，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)極地與全球變化研究具有重要意義。目前，“冰路”衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已形成了2級(jí)衛(wèi)星產(chǎn)品體系，包括基于自適應(yīng)遙感影像幾何糾正技術(shù)和在軌輻射訂正技術(shù)生成的Level 1A（L1A）級(jí)產(chǎn)品，以及通過(guò)進(jìn)一步處理獲得幾何精校正的Level 1B（L1B）級(jí)產(chǎn)品。“冰路”衛(wèi)星在應(yīng)急模式下能夠提升對(duì)極地突發(fā)事件的連續(xù)監(jiān)測(cè)能力。位于中國(guó)南極中山站西側(cè)的南極洲第三大冰架——埃默里冰架于2019年9月25日發(fā)生了大崩解，產(chǎn)生了一個(gè)面積約1670km²的巨大冰山。“冰路”衛(wèi)星對(duì)該崩解事件進(jìn)行密切追蹤，通過(guò)對(duì)上述地區(qū)實(shí)施過(guò)境即拍和連續(xù)監(jiān)控，取得了一批重要的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

極地航空遙感探測(cè)技術(shù)

隨著航空遙感技術(shù)的蓬勃發(fā)展，作為一種空間尺度介于遙感衛(wèi)星與實(shí)地測(cè)量之間的航空平臺(tái)，無(wú)人機(jī)能在一定程度上彌補(bǔ)遙感觀測(cè)空間分辨率不足、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)效率低下和花費(fèi)昂貴等缺陷。自中國(guó)第24次南極科學(xué)考察（2007—2008年）以來(lái)，多種形式和載荷的國(guó)產(chǎn)無(wú)人機(jī)先后在北極和南極試飛成功并投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行。這其中最有代表性的是由北京師范大學(xué)和中山大學(xué)打造的“極鷹”（Polar Hawk）系列遙感無(wú)人機(jī)平臺(tái)。“極鷹”系列無(wú)人機(jī)能夠在多種時(shí)空尺度上對(duì)南北極冰蓋、海洋、大氣、地貌、生態(tài)等進(jìn)行靈活監(jiān)測(cè)，對(duì)深入理解極地“冰-海-氣-生”變化機(jī)制發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢(shì)（圖7）。自2014年以來(lái)，“極鷹”系列無(wú)人機(jī)連續(xù)攻克極地低溫、大風(fēng)、光照不均等惡劣環(huán)境帶來(lái)的技術(shù)難題，在南、北極地區(qū)累積成功飛行超過(guò)180架次，在典型海冰區(qū)、冰架、冰川和企鵝棲息地獲取航片5萬(wàn)余張，從而極大地提高了我國(guó)極地現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取效率。中國(guó)第33次南極科學(xué)考察期間，在無(wú)控制點(diǎn)的情況下，科考隊(duì)員利用“極鷹”無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量實(shí)現(xiàn)了中山站固定冰亞米級(jí)制圖，準(zhǔn)確地判別冰貌起伏形態(tài)，尤其是冰脊的精細(xì)特征。這為研究海冰表面形態(tài)和發(fā)育規(guī)律提供了豐富的資料，也為無(wú)人機(jī)冰區(qū)導(dǎo)航提供了新的思路。在中國(guó)第36次南極科學(xué)考察期間，首次實(shí)現(xiàn)了地面光譜特征、“極鷹”無(wú)人機(jī)和“冰路”衛(wèi)星同步觀測(cè)，旨在將南極遙感觀測(cè)體系推向集成化、立體式的“空-天-地”聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng)。

近年來(lái)，我國(guó)積極拓展“高分”“風(fēng)云”“海洋”系列衛(wèi)星，以及專用于極地遙感觀測(cè)的“冰路”衛(wèi)星在極地環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合自主的無(wú)人機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)，我國(guó)的空天基遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)在極地冰蓋觀測(cè)、極地海冰與海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等研究中已得到了較好的應(yīng)用。但總體而言，目前國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的觀測(cè)頻次仍然有限，遙感產(chǎn)品大多基于單一載荷獲得，精度距離國(guó)際成熟產(chǎn)品還有一定差距，尚不具備多載荷、多平臺(tái)的協(xié)同反演能力，亟待提高國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星遙感觀測(cè)的精細(xì)化和定量化程度。

面向新時(shí)期我國(guó)極地環(huán)境探測(cè)的研究前沿 

極地環(huán)境探測(cè)的困難與重點(diǎn)突破技術(shù)

目前，我國(guó)極地觀測(cè)和探測(cè)技術(shù)發(fā)展已取得一定成果，但仍不具備系統(tǒng)化、立體化的組網(wǎng)觀測(cè)能力，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)極地環(huán)境的大范圍、持續(xù)探測(cè)。在觀測(cè)平臺(tái)研制與應(yīng)用方面，尚無(wú)法改變高度依賴國(guó)外技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行極地環(huán)境觀測(cè)的現(xiàn)實(shí)，主要原因在于極地極端環(huán)境對(duì)觀測(cè)平臺(tái)與設(shè)備研發(fā)提出極高的技術(shù)挑戰(zhàn)，而我國(guó)極地現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)的自主研發(fā)投入和實(shí)力也亟待提升。

極地極端環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的困難體現(xiàn)在極低溫、大范圍冰體覆蓋、高緯度磁場(chǎng)異常、水下聲場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜等方面。相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)突破重點(diǎn)主要包括：極低溫環(huán)境電池高效充放電技術(shù)、冰下復(fù)雜環(huán)境水聲通信定位技術(shù)、跨介質(zhì)組網(wǎng)通信技術(shù)、高緯度高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、高環(huán)境適應(yīng)性平臺(tái)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、安全可靠的冰下布放回收技術(shù)、面向任務(wù)的智能觀測(cè)技術(shù)及異構(gòu)無(wú)人平臺(tái)組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)等。極地遙感觀測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的未來(lái)突破重點(diǎn)主要包括：無(wú)人機(jī)平臺(tái)軟硬件穩(wěn)定性優(yōu)化技術(shù)、觀測(cè)任務(wù)智能規(guī)劃技術(shù)、衛(wèi)星遙感大范圍連續(xù)觀測(cè)技術(shù)、天基觀測(cè)軌道與星座組網(wǎng)技術(shù)等。

極地環(huán)境探測(cè)研究前沿

面向新時(shí)期，為解決上述極地環(huán)境探測(cè)困難，在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與極地遙感觀測(cè)關(guān)鍵技取得突破，亟待加快極地觀測(cè)關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化、重要裝備產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)發(fā)展極地冰海基智能觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)、極地冰海基組網(wǎng)通信與組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)，打造極地長(zhǎng)航時(shí)、多載荷無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，發(fā)展極地衛(wèi)星遙感-通信-導(dǎo)航一體化技術(shù)，建設(shè)形成極地環(huán)境立體探測(cè)體系（圖8）。

極地冰海基智能觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)。隨著我國(guó)水下觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人潛水器被廣泛應(yīng)用于海洋觀測(cè)中，但在極地極端環(huán)境下的應(yīng)用仍十分有限。針對(duì)極地長(zhǎng)期原位作業(yè)需求，發(fā)展原創(chuàng)性冰海基固定和移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)，包括固定式的冰基浮標(biāo)、海底著陸器，移動(dòng)式的自主水下航行器、剖面浮標(biāo)，提升觀測(cè)平臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)性。發(fā)展極端環(huán)境下高性能電池技術(shù)，開展平臺(tái)低功耗工作模式和能源管理方法研究，實(shí)現(xiàn)在有限能源條件下的平臺(tái)效用最大化。研究極地復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)引與導(dǎo)航方法，提升航行器冰下作業(yè)的安全性與定位準(zhǔn)確性。開發(fā)適應(yīng)海洋動(dòng)態(tài)特征變化的無(wú)人平臺(tái)智能探測(cè)行為，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜海洋環(huán)境下（未知障礙物和海流干擾等）對(duì)指定目標(biāo)的自適應(yīng)采樣或自主跟蹤觀測(cè)；在系統(tǒng)能源受限情況下，最大化觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率。

極地冰海基組網(wǎng)通信與組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)。極地冰海基現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠回傳是數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，需要研發(fā)冰基固定平臺(tái)通信中繼系統(tǒng)，聯(lián)合冰下水聲通信與冰上衛(wèi)星通信，構(gòu)建移動(dòng)平臺(tái)到固定平臺(tái)到遠(yuǎn)程控制中心的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的交互與上傳。此外，開展異構(gòu)無(wú)人平臺(tái)組網(wǎng)通信體系研究，著重考慮異構(gòu)平臺(tái)通信協(xié)議的建立、通信系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)自治性實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建具有分布式、多業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)距離的自組網(wǎng)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)組網(wǎng)協(xié)同作業(yè)。進(jìn)一步研究異構(gòu)無(wú)人平臺(tái)智能優(yōu)化部署方法，以觀測(cè)效率和精細(xì)化程度為優(yōu)化目標(biāo)，在平臺(tái)能源、通信性能和運(yùn)動(dòng)空間約束條件下，研究變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多無(wú)人平臺(tái)協(xié)同控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)。在實(shí)時(shí)獲取多平臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展海洋多源數(shù)據(jù)融合、反演與顯示方法研究，為科學(xué)、航運(yùn)研究提供有效、直觀的觀測(cè)信息。

極地長(zhǎng)航時(shí)、多載荷無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。近年來(lái)，我國(guó)自主研制的航空遙感飛行器和觀測(cè)載荷技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。然而，極區(qū)惡劣的飛行環(huán)境（如大風(fēng)、低溫、高地磁偏角等）對(duì)現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)技術(shù)仍然提出了挑戰(zhàn)。針對(duì)極地獨(dú)特的冰雪環(huán)境觀測(cè)目標(biāo)，尚無(wú)系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)科學(xué)設(shè)計(jì)方案。在觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)方面，需研發(fā)高性能的機(jī)載冰雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，研制綜合數(shù)據(jù)處理算法和軟件，構(gòu)建光學(xué)遙感、合成孔徑雷達(dá)、激光雷達(dá)、重力和磁力計(jì)等聯(lián)合應(yīng)用系統(tǒng)。在觀測(cè)技術(shù)上，發(fā)展適合極地特殊惡劣環(huán)境的長(zhǎng)航時(shí)、多載荷無(wú)人機(jī)航空遙感測(cè)量技術(shù)，多機(jī)實(shí)時(shí)航線優(yōu)化與重規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)航線優(yōu)化與調(diào)度，以提高極地極端環(huán)境下的觀測(cè)效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，從多尺度空間和時(shí)間上理解極地冰蓋和海冰變化機(jī)制特征。

極地衛(wèi)星遙感-通信-導(dǎo)航一體化技術(shù)。現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星在極地具有一定的觀測(cè)和通信能力，但衛(wèi)星遙感觀測(cè)頻次仍然不足；現(xiàn)有的通信衛(wèi)星均不能對(duì)極地形成覆蓋，極地航運(yùn)和科學(xué)考察缺乏高頻次觀測(cè)信息保障。針對(duì)這些問(wèn)題，可發(fā)展面向極地全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)目的高重訪SAR微納衛(wèi)星星座技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)極地2—3天全覆蓋、關(guān)鍵區(qū)域24h重復(fù)觀測(cè)，重點(diǎn)服務(wù)極地航道開發(fā)。在光學(xué)衛(wèi)星方面，可考慮發(fā)展大橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星。HEO衛(wèi)星相對(duì)中高緯度地區(qū)準(zhǔn)靜止的特點(diǎn)很大程度上能彌補(bǔ)常見(jiàn)極軌衛(wèi)星和地球靜止軌道衛(wèi)星在極地觀測(cè)頻次的不足。在極地衛(wèi)星通信方面，需突破極區(qū)衛(wèi)星寬帶通信和同步數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，解決極區(qū)自主衛(wèi)星通信技術(shù)與裝備匱乏，以及數(shù)據(jù)時(shí)效嚴(yán)重滯后問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)地面/船基和星上數(shù)據(jù)雙向傳輸和通信。最后，在上述基礎(chǔ)上研制并發(fā)射極地遙感-通信-導(dǎo)航一體化衛(wèi)星，服務(wù)極區(qū)冰雪和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、北極航運(yùn)、應(yīng)急救援，以及極區(qū)科學(xué)考察。

針對(duì)極地極端環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間、大范圍、全海深、多參數(shù)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)的迫切需求，遵循由外緣向中心遞進(jìn)、固定觀測(cè)與移動(dòng)觀測(cè)相結(jié)合、從單一平臺(tái)到組網(wǎng)系統(tǒng)拓展、信息互聯(lián)互通的研究思路，研制極地探測(cè)與觀測(cè)新型技術(shù)與裝備，提高我國(guó)極地觀測(cè)裝備的自主研發(fā)能力。打造我國(guó)自主的極地遙感-通信-導(dǎo)航一體化、空-天-地-海協(xié)同的立體觀測(cè)體系，為極地信息獲取、資源開發(fā)和安全保障提供支撐。

（作者：程曉、鄭雷、周娟伶，中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室；范雙雙，中山大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）

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