美國地球系統(tǒng)觀測臺（ESO）計(jì)劃介紹

姚前 甘永 光潔 侯偉真 張風(fēng)麗 李正強(qiáng)

美國地球系統(tǒng)觀測臺（ESO）計(jì)劃介紹

姚前1,2甘永3光潔*1侯偉真1張風(fēng)麗1李正強(qiáng)1

（1 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101）（2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）（3 國家航天局，北京 100048）

作為美國宇航局（NASA）推動下一代地球科學(xué)的手段，地球系統(tǒng)觀測臺（ESO）將收集一系列地球不同層面的數(shù)據(jù)，用于深入研究地球系統(tǒng)各組成部分及其相互關(guān)系，從而獲得對地球系統(tǒng)整體、三維的理解。文章對NASA逐步開展的地球系統(tǒng)觀測臺計(jì)劃進(jìn)行概括，分析了NASA規(guī)劃ESO項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)、實(shí)施策略和工作重點(diǎn)，詳細(xì)介紹了ESO首期任務(wù)中NASA與印度空間研究組織（ISRO）合作開發(fā)的NASA-ISRO合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)（NISAR）的組成、部署、測量方式、數(shù)據(jù)產(chǎn)品和測量誤差來源，并在此基礎(chǔ)上介紹了NISAR航天器和子系統(tǒng)以及NISAR主要的應(yīng)用領(lǐng)域，提出了對ESO計(jì)劃的思考及從中得到的啟示，以期對中國未來地球觀測計(jì)劃提供有價(jià)值的借鑒和參考。

地球系統(tǒng)觀測臺 地球系統(tǒng) 地球科學(xué) 美–印合成孔徑雷達(dá) 空間遙感

0 引言

2021年5月，美國宇航局（NASA）正式公布了建立地球系統(tǒng)觀測臺（Earth System Observatory，ESO）的計(jì)劃。ESO計(jì)劃標(biāo)志著NASA地球科學(xué)的復(fù)興，將有效解決2018年美國《地球科學(xué)十年調(diào)查》[1]中專家組提出的關(guān)于地球表面和內(nèi)部的相關(guān)問題，并為美國政府應(yīng)對氣候變化提供新思路。隨著氣候變化導(dǎo)致的極端天氣事件的增加，預(yù)測和監(jiān)測自然災(zāi)害的能力對于國家防災(zāi)減災(zāi)來說是不可或缺的。

ESO將成為先進(jìn)星載地球觀測系統(tǒng)的新架構(gòu)，在地球大氣、陸地、海洋和冰川相互作用過程的關(guān)鍵方面，為世界提供前所未有的了解[2]。根據(jù)ESO計(jì)劃，首期任務(wù)將發(fā)射由NASA與印度空間研究組織（ISRO）聯(lián)合開發(fā)的合成孔徑雷達(dá)（NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar，NISAR），NISAR計(jì)劃于2023年1月從印度東南部斯里赫里戈達(dá)島（Sriharikota）的Satish Dhawan航天中心（SDSC）發(fā)射，進(jìn)行為期 3年的科學(xué)觀測，以滿足NASA在生態(tài)系統(tǒng)、固體地球和冰凍圈方面的科學(xué)需求。

地球系統(tǒng)觀測臺代表了美國下一代對地觀測研究的新方向，值得關(guān)注和開展針對性的研究。本文對ESO計(jì)劃進(jìn)行了概述，分析了NASA規(guī)劃ESO項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)、實(shí)施策略和工作重點(diǎn)，詳細(xì)介紹了ESO首期任務(wù)中NISAR衛(wèi)星任務(wù)的詳細(xì)規(guī)劃和儀器特點(diǎn)，提出了對ESO計(jì)劃的思考及從中得到的啟示，以期對中國未來地球觀測計(jì)劃提供有價(jià)值的借鑒和參考。

1 計(jì)劃目標(biāo)和重點(diǎn)研究領(lǐng)域

1.1 科學(xué)目標(biāo)

ESO由一系列衛(wèi)星、儀器和任務(wù)組成，將收集重要的地球觀測數(shù)據(jù)。這些觀測將更好地揭示地球是如何以難以想象的規(guī)模在精確的改變。ESO計(jì)劃推動科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)為美國政府關(guān)切的氣候變化問題的應(yīng)對。在過去的30年里，對地球氣候變化的了解大多是建立在美國宇航局的衛(wèi)星觀測和研究基礎(chǔ)上的。NASA新的地球系統(tǒng)觀測臺項(xiàng)目將擴(kuò)展這項(xiàng)工作，為世界提供對地球氣候系統(tǒng)全面新的了解，為減緩氣候變化提供下一代關(guān)鍵數(shù)據(jù)[3]。ESO將深入了解氣候變化的兩個(gè)長期存在的不確定因素——云層和氣溶膠，同時(shí)提供有關(guān)地球表面溫度和化學(xué)過程變化的新發(fā)現(xiàn)[4]。除了應(yīng)對氣候變化，ESO計(jì)劃還包括眾多以對地探測研究為基礎(chǔ)的科學(xué)目標(biāo)：監(jiān)測預(yù)防自然災(zāi)害，監(jiān)測冰川和冰蓋變化，維持生態(tài)系統(tǒng)平衡，支持災(zāi)害應(yīng)對和恢復(fù)，指導(dǎo)推動農(nóng)業(yè)新發(fā)展等。

1.2 實(shí)施策略

NASA將在未來十年內(nèi)布置一系列由地球科學(xué)衛(wèi)星構(gòu)建的任務(wù)，作為ESO計(jì)劃的一部分，這些任務(wù)主要用于收集在2018年美國《地球科學(xué)十年調(diào)查》中被確定為優(yōu)先事項(xiàng)的氣候和地質(zhì)數(shù)據(jù)。每個(gè)任務(wù)本身都會提供重要的環(huán)境測量信息。綜合起來，作為一個(gè)統(tǒng)一的觀測臺，在上述任務(wù)的協(xié)助下將實(shí)現(xiàn)對地球系統(tǒng)整體的、三維的理解。NASA還將設(shè)計(jì)一套新的以地球?yàn)橹行牡南盗腥蝿?wù)，以提供關(guān)鍵信息用于指導(dǎo)有關(guān)氣候變化、減災(zāi)、撲滅森林火災(zāi)和改進(jìn)實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)進(jìn)程的工作[5-7]。在ESO中，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)原則為協(xié)同工作、相互補(bǔ)充，以彌補(bǔ)衛(wèi)星單獨(dú)運(yùn)行的不足，從而創(chuàng)建一個(gè)從巖石圈到大氣圈的3D地球整體視圖。ESO的建設(shè)目前正處在設(shè)計(jì)階段，首期工作任務(wù)是利用NASA-ISRO合成孔徑雷達(dá)（NISAR）對全球進(jìn)行綜合測量，以了解地表變化的原因和后果[8]。

1.3 重點(diǎn)領(lǐng)域

地球系統(tǒng)觀測臺遵循了2018年美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院發(fā)布的《地球科學(xué)十年調(diào)查》[1]中的建議，該調(diào)查列出的研究和觀測指南目標(biāo)遠(yuǎn)大，對ESO的順利實(shí)施非常必要。

ESO的工作重點(diǎn)包括以下5個(gè)方面[8-10]：1）監(jiān)測氣溶膠變化。氣溶膠是影響全球能量平衡的關(guān)鍵因素，其變化會給氣候變化帶來巨大的不確定性。2）監(jiān)測云、對流和降水。它們是未來氣候變化預(yù)測、空氣質(zhì)量預(yù)測和惡劣天氣預(yù)測中最大的不確定性來源。3）觀測大規(guī)模地表變化。用于干旱評估和預(yù)測，相關(guān)農(nóng)業(yè)用水規(guī)劃，以及應(yīng)對自然災(zāi)害。4）系統(tǒng)認(rèn)知地表生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)，掌握生態(tài)系統(tǒng)與大氣、海洋和地球內(nèi)部的碳、水、營養(yǎng)和能量流動規(guī)律，以了解氣候變化如何影響糧食和農(nóng)業(yè)、居住和自然資源。5）監(jiān)測地表形變和變化，以更好地規(guī)避自然災(zāi)害，如地震、火山、海嘯、滑坡等。

2 NISAR衛(wèi)星任務(wù)概述

NISAR由NASA提供的L波段雷達(dá)（L-SAR）和ISRO提供的S波段雷達(dá)（S-SAR）組成，是雙頻、全極化雷達(dá)系統(tǒng)[11-17]。NISAR的發(fā)射軌道為太陽同步軌道，成像幅寬超過240km，每12d可以對全球進(jìn)行一次完整覆蓋，這使得研究人員能夠創(chuàng)建時(shí)間序列干涉圖像，并系統(tǒng)地繪制變化的地球表面[18-22]。NISAR衛(wèi)星設(shè)計(jì)成三軸穩(wěn)定，使用旋轉(zhuǎn)的反作用輪來保持對準(zhǔn)地球和太陽的方向正確。

NASA為NISAR任務(wù)提供了直徑12m的可展開網(wǎng)格反射器、9m可展開臂架以及整個(gè)八角形儀器結(jié)構(gòu)、一個(gè)高容量固態(tài)記錄器（存儲容量約為9Tbyte）、GPS接收器、傳輸速率為3.5 Gbit/s的Ka波段通信系統(tǒng)和一個(gè)工程有效載荷，以及協(xié)調(diào)ISRO航天器控制系統(tǒng)的指揮和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。ISRO將提供航天器和運(yùn)載火箭，以及安裝在儀器結(jié)構(gòu)上的S-SAR電子設(shè)備。

NISAR是NASA首次在全球范圍內(nèi)系統(tǒng)地研究固體地球、冰凍圈和生態(tài)系統(tǒng)的雷達(dá)任務(wù)[23-27]。它將測量冰川范圍和地表形變、生態(tài)系統(tǒng)擾動和生物量，解釋觀測現(xiàn)象并提高基礎(chǔ)科學(xué)認(rèn)知，改善對生態(tài)系統(tǒng)變化、冰川消融以及自然災(zāi)害的預(yù)測與評估[28]。NISAR所有的科學(xué)觀測數(shù)據(jù)都將免費(fèi)向公眾開放，以應(yīng)對世界各地的災(zāi)害。NISAR任務(wù)除了滿足NASA全部的科研需求外，還包含一系列與印度相關(guān)的應(yīng)用需求，涉及到印度的農(nóng)業(yè)生物量、喜馬拉雅山的冰川以及印度沿海和近岸海洋[29]。NISAR雷達(dá)系統(tǒng)憑借全球觀測模式、強(qiáng)穿透能力、高空間分辨率與時(shí)間分辨率，將提供持續(xù)可靠、空間密集的雷達(dá)數(shù)據(jù)，在未來十年甚至更久，將成為新時(shí)代探索地球變化的獨(dú)特重要資源。

作為ESO計(jì)劃首批任務(wù)的NISAR雷達(dá)系統(tǒng)將搭載在ESO觀測臺上，觀測臺的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，NISAR的儀器配置如圖2所示，各項(xiàng)參數(shù)見表1。

圖1 ESO觀測站結(jié)構(gòu)示意

圖2 NISAR儀器配置示意

表1 NISAR系統(tǒng)參數(shù)

2.1 NISAR雷達(dá)系統(tǒng)

NISAR為擺掃式SAR掃描寬幅成像系統(tǒng)，將容納兩套全極化合成孔徑雷達(dá)儀器。兩套雷達(dá)被設(shè)計(jì)為獨(dú)立的單元，通過發(fā)送信號到共享反射器，實(shí)現(xiàn)既可獨(dú)立工作也可共同工作。NASA提供的L-SAR能夠?qū)崿F(xiàn)除極地地區(qū)外的全球陸地覆蓋，ISRO將L-SAR和S-SAR結(jié)合一起進(jìn)行觀測，并將印度上空的模式?jīng)_突降至最低，提供更豐富的觀測數(shù)據(jù)。

在NISAR任務(wù)中，由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）提供的L-SAR（波長24 cm）將在全球范圍內(nèi)使用，目前的任務(wù)觀測場景要求儀器在每個(gè)軌道的平均運(yùn)行時(shí)間為周期的45%～50%，每軌運(yùn)行時(shí)間峰值高達(dá)70%。L-SAR沿軌道運(yùn)行方向擁有7m空間分辨率、242km的幅寬，交叉軌道上擁有2～8m的空間分辨率（取決于觀測模式）。L-SAR和S-SAR均被設(shè)計(jì)為陣列饋電型反射組塊以此來實(shí)現(xiàn)掃描SAR寬幅測繪系統(tǒng)。L-SAR由24個(gè)L波段的發(fā)射或接收陣列單元組成，這些單元分成兩行，每行12個(gè)。由ISRO提供的S-SAR（波長12 cm）是第二個(gè)雷達(dá)，由兩行共48個(gè)（每行24個(gè)）S波段的發(fā)射或接收陣列單元組成。

（1）測量方式

NISAR的觀測平臺最突出的結(jié)構(gòu)是安裝在9m吊桿上的長12m的固定天線反射器。反射器由鍍金絲狀網(wǎng)制成，發(fā)射和接收的雷達(dá)信號將聚焦在反射器上。在傳輸時(shí)，雷達(dá)信號被發(fā)送到反射器上，反射器聚焦并將信號以一定角度反射到地球上，幅寬大于240km。由于運(yùn)載火箭整流罩空間小，在NISAR系統(tǒng)多個(gè)組成部分部署12m長的天線，并將它擴(kuò)展鎖定到位的難度較高。NASA提供的反射器由Northrop Grumman公司在加州Carpinteria的宇航公司制造。雷達(dá)儀器和支撐反射器的吊桿安裝在一個(gè)八角形儀器結(jié)構(gòu)上。

NISAR將利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（InSAR）和極化測量技術(shù)來測量固體地球、冰凍圈和生態(tài)系統(tǒng)的表面形變和變化。NISAR雷達(dá)系統(tǒng)對兩個(gè)不同時(shí)間在同一場景上收集的雷達(dá)信號進(jìn)行相干處理，從兩個(gè)回波的相對相位的變化中得出表面形變大小。NISAR上的雷達(dá)儀器重復(fù)以InSAR的測量方式運(yùn)行，利用重軌干涉測量獲得陸地、山體和冰川表面在地震、構(gòu)造變形、火山膨脹或冰蓋運(yùn)動等事件前后的形變量。

（2）雷達(dá)部署

NISAR衛(wèi)星將被部署到747km高度的近極地太陽同步晨昏軌道上。航天器發(fā)射后，經(jīng)過90d的調(diào)試，NASA將使用L-SAR進(jìn)行至少3年的科學(xué)觀測，而ISRO需要使用S-SAR進(jìn)行5年的操作。如果該系統(tǒng)在任務(wù)期間沒有用完其所有的燃料儲備，觀測時(shí)間可能進(jìn)一步延長。在前3年的測量任務(wù)中，NISAR將在全球范圍內(nèi)以12d的升序和降序軌道觀測地球陸地和冰雪覆蓋的表面，平均每6d對地球采樣一次。

（3）數(shù)據(jù)產(chǎn)品

NISAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品將按級別進(jìn)行組織，級別0是原始數(shù)據(jù)形式，級別3是衍生的科學(xué)產(chǎn)品。NISAR L0A產(chǎn)品是下傳到科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（SDS）的原始數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，NISAR L0B產(chǎn)品是經(jīng)過校準(zhǔn)的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；NISAR L1級產(chǎn)品包括單視復(fù)數(shù)產(chǎn)品（Single Look Complex，SLC）、多視地距幅度圖像（Multi-Look Detected，MLD）、去地平后的干涉圖（Nearest-Time Interferogram，IFG）、解纏后干涉圖（Nearest-Time Unwrapped Interferogram，UNW）和極化圖像；NISAR L2產(chǎn)品是所有L1產(chǎn)品帶地理信息的版本（MLD和IFG除外）。NISAR的SDS團(tuán)隊(duì)將生成L波段L0～L2產(chǎn)品，NISAR項(xiàng)目科學(xué)團(tuán)隊(duì)利用分布在全球的定標(biāo)場生成L3級產(chǎn)品。

NISAR雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用涉及固體地球、冰凍圈和生態(tài)系統(tǒng)三大領(lǐng)域。L1級產(chǎn)品（SLC、IFG、UNW）和部分L2級產(chǎn)品（SLC和UNW帶地理信息的版本，簡稱GSLC和GUNW）將應(yīng)用到固體地球變形和冰凍圈的科學(xué)研究領(lǐng)域。L1極化協(xié)方差矩陣（COV）、L2級產(chǎn)品GSLC和L2級極化協(xié)方差矩陣（GCOV）將應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)的研究領(lǐng)域。

（4）測量誤差來源

NISAR雷達(dá)測量的誤差來源包括儀器噪聲、觀測幾何、散射方式或其他與傳播效應(yīng)相關(guān)的因素。極化誤差源和干涉誤差源是NISAR測量過程中主要的誤差源。物體表面的輻射特性可以通過雷達(dá)后向散射截面表征。雷達(dá)接收到的散射回波能量取決于分辨率元件內(nèi)散射體的詳細(xì)排列及其電氣特性，所以一般來說雷達(dá)散射截面取決于觀察角度和環(huán)境條件。由于雷達(dá)圖像是相干的，回波信號在空間上隨機(jī)分布，表現(xiàn)出“散斑”特性，稱之為散斑噪聲。

雷達(dá)系統(tǒng)元件間的隨機(jī)誤差包括雷達(dá)系統(tǒng)中的加性熱噪聲、來自量化的乘性噪聲、同信道和跨信道信號泄漏以及模糊度，這些噪聲是在不同地點(diǎn)和時(shí)間接收脈沖回波造成的，但仍然顯示在雷達(dá)數(shù)據(jù)中。除隨機(jī)噪聲誤差外，極化測量中的其他主要誤差來源包括：雷達(dá)系統(tǒng)延遲和損耗，天線方向圖，或天線方向圖指向的不確定性引起的隨圖像或時(shí)間變化的系統(tǒng)性振幅和相位波動。

干涉誤差來源與極化類似，包括散斑、熱效應(yīng)和乘性噪聲等。相位是干涉測量的基本參量，電磁波通過電離層和中性大氣時(shí)會引起相位延遲，而電離層和大氣層的狀態(tài)會隨時(shí)間快速變化，因此每次衛(wèi)星不同時(shí)間過境時(shí)相位延遲是不一樣的，需要進(jìn)行校正。NISAR在科學(xué)運(yùn)營期間，至少要進(jìn)行為期3年的觀測，基于其快速重訪周期獲得的長而密集的時(shí)間序列對削弱誤差具有重要作用。

2.2 航天器和子系統(tǒng)

協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)之間的技術(shù)接口是NASA-ISRO伙伴關(guān)系的一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。ISRO提供傳統(tǒng)的航天飛行器總線，起固定作用的八角形儀器結(jié)構(gòu)與總線相連。航天飛行器包括中央指揮和數(shù)據(jù)處理、上行和下行鏈路、推進(jìn)和姿態(tài)控制所需的所有系統(tǒng)。大型太陽能陣列附著在航天飛行器上，在發(fā)射時(shí)折疊起來，并在航天器到達(dá)軌道時(shí)展開。太陽能陣列為所有子系統(tǒng)提供電力，包括L波段和S波段雷達(dá)，它們在軌運(yùn)行需要大量的電力。

航天器總線的姿態(tài)和軌道控制子系統(tǒng)（AOCS）旨在解決幾個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)功能：1）在任務(wù)的整個(gè)生命周期內(nèi)，航天器必須沿著相同的軌道飛行，誤差在500m范圍內(nèi)；2）AOCS必須能夠控制整個(gè)觀測臺的姿態(tài)指向一個(gè)固定的角度位置，在軌道上的任何給定點(diǎn)處于一個(gè)相對理想的軌道和天底位置；3）雷達(dá)衛(wèi)星必須能夠旋轉(zhuǎn)并保持從軌道平面兩側(cè)觀察地球的姿態(tài)。

對于軌道控制，NISAR確保有足夠的燃料在選定的軌道高度上運(yùn)行至少5年。NISAR的推進(jìn)系統(tǒng)足夠靈活，可以每隔幾天執(zhí)行必要的小型軌道控制機(jī)動，以維持嚴(yán)格的軌道管理要求。

NISAR基線科學(xué)觀測計(jì)劃要求每天多達(dá)26Tbyte的雷達(dá)數(shù)據(jù)收集、下行和處理。該計(jì)劃推動航天器Ka波段通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)高帶寬要求[30]。NASA將提供一個(gè)高容量、高速固態(tài)記錄器和高速率Ka波段有效載荷通信子系統(tǒng)來管理收集大量數(shù)據(jù)[31]。

為確保軌道定位和機(jī)載定時(shí)的準(zhǔn)確，NASA用GPS接收器增強(qiáng)了ISRO航天器的能力，向航天器和雷達(dá)設(shè)備提供GPS時(shí)間信息和1脈沖/s的信號[32]。此外，NASA還提供用于吊桿和天線部署的點(diǎn)火系統(tǒng)，以及監(jiān)測和控制NASA系統(tǒng)的有效載荷數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并處理所有NASA系統(tǒng)和ISRO航天飛行器之間的通信。

2.3 NISAR應(yīng)用領(lǐng)域

（1）固態(tài)地球：地震、火山和山體滑坡

當(dāng)今社會自然災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。強(qiáng)烈的地震會使地面出現(xiàn)斷層和裂縫；火山噴發(fā)危及全球許多地區(qū)，并會擾亂航空飛行；山體滑坡會摧毀房屋和道路，從而引發(fā)災(zāi)難。正確應(yīng)對自然災(zāi)害需要在災(zāi)難引發(fā)之前監(jiān)測、測量和了解這些緩慢移動的過程。地表的動態(tài)變化可以反應(yīng)區(qū)域地質(zhì)變化的潛在信息，NISAR能夠監(jiān)測地表小于1cm的形變，這可以較好地減輕和應(yīng)對地震、火山和山體滑坡帶來的危害。地震和震后斷層瞬變滑動、火山和滑坡變形以及地殼流體運(yùn)移引起的局部沉降和隆升在全球范圍內(nèi)時(shí)有發(fā)生，監(jiān)測和量化瞬態(tài)變形在提高人類對地質(zhì)構(gòu)造、巖漿的地下運(yùn)動、火山噴發(fā)和滑坡的理解方面發(fā)揮著重要作用。許多火山噴發(fā)都是由地下移動的巖漿引起的地表變形造成的，然而巖漿運(yùn)動并不總是會導(dǎo)致噴發(fā)，NISAR對火山變形的系統(tǒng)測量有助于闡明原因。同樣，山體滑坡存在間歇性移動，并且在災(zāi)難性時(shí)刻來臨之前，巖土滑動速度會出現(xiàn)由緩慢到逐漸增大的現(xiàn)象，NISAR將能夠監(jiān)測和清查緩慢移動的山體滑坡，從而更好地了解滑坡運(yùn)動變化和觸發(fā)大規(guī)模運(yùn)動的原因。

（2）生態(tài)系統(tǒng)：生物量、擾動、農(nóng)業(yè)和洪水

由于洪水、干旱、野火、颶風(fēng)、龍卷風(fēng)和蟲害等事件的加劇，世界正在經(jīng)歷前所未有的氣候變化。隨著全球人口的不斷增長，這些影響在糧食、能源和生存空間等方面對生態(tài)系統(tǒng)和景觀逐漸施加壓力。為了打造可持續(xù)的未來，了解自然資源管理與生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)是必要的。NISAR雷達(dá)數(shù)據(jù)將解決植被和生物量的分布問題，以了解陸地生態(tài)系統(tǒng)和碳源（Carbon Source）與碳匯（Carbon Sink）的變化和趨勢，并表征和量化由生態(tài)擾動和恢復(fù)導(dǎo)致的變化。NISAR雷達(dá)能夠利用微波進(jìn)行成像，波束能夠穿透森林冠層，并在大量樹木的莖和枝中散射。NISAR將確定包括全球低生物量和再生森林在內(nèi)的各種生物群落的植被生物量，將監(jiān)測識別因火災(zāi)、森林砍伐等擾動造成的森林結(jié)構(gòu)和生物量的改變，并表征擾動后生物量恢復(fù)的變化。糧食的生產(chǎn)與供應(yīng)決定人類的生存發(fā)展，為了能夠更好地指導(dǎo)政策與決策，及時(shí)透明地監(jiān)測農(nóng)業(yè)趨勢和狀況具有重大意義。由于缺乏季節(jié)性洪水潮起潮落的信息，河道和濕地的健康狀況很難被評估出來，NISAR雷達(dá)系統(tǒng)將提供穩(wěn)定可靠的有關(guān)全球生物量、擾動、農(nóng)業(yè)和洪水的周期性觀測數(shù)據(jù)，這將成為觀察全球有關(guān)生態(tài)環(huán)境的一個(gè)新基礎(chǔ)。

（3）冰川動力學(xué)：冰蓋、冰川和海冰

冰蓋和冰川是海平面上升的最大貢獻(xiàn)者，當(dāng)前全球的海冰覆蓋面積正急劇減少，若不加以控制，在下個(gè)世紀(jì)，海平面可能上升幾十厘米，甚至超過1m。自1978年衛(wèi)星開始持續(xù)對地觀測以來，發(fā)現(xiàn)北極海冰變薄，從以多年生冰蓋為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧竟?jié)性冰蓋，海冰面積在夏末減少了近30%。格陵蘭島和南極洲許多地區(qū)周圍出口冰川的流速顯著增加，某些情況甚至增加了一倍以上，這導(dǎo)致冰川和冰蓋邊緣每年減少數(shù)十米。流失的大部分冰川充當(dāng)內(nèi)部冰的支撐，失去支撐會加劇冰蓋的不穩(wěn)定性，引起海平面更快地上升。NISAR將提供時(shí)空的綜合觀測，以表征和了解冰蓋和冰川動態(tài)。其中通過測量格陵蘭島和南極冰蓋隨時(shí)間變化的趨勢，確定南極洲邊界隨時(shí)間變化的位置，并將監(jiān)測支撐冰架的范圍和穩(wěn)定性。海冰是地球冰凍圈系統(tǒng)的另一個(gè)組成部分，它正在迅速變化，并影響全球氣候。包括 NISAR在內(nèi)的多顆衛(wèi)星對海冰范圍、運(yùn)動、濃度和厚度的綜合觀測，將提高人類對海冰、海洋和大氣之間相互作用以及對海冰未來的變化的理解。NISAR對北極和南極冰蓋上冰運(yùn)動的觀測，將能夠?qū)蓚€(gè)極地的氣候強(qiáng)迫進(jìn)行全面的檢查。NISAR雷達(dá)的強(qiáng)穿透性、大條帶觀測以及短暫的重訪周期，將能夠在更好的時(shí)空尺度上研究雪和冰川的全球分布與變化趨勢。

3 結(jié)束語

NASA即將建立的地球系統(tǒng)觀測臺具有劃時(shí)代的意義，它標(biāo)志地球科學(xué)的再次崛起?，F(xiàn)如今，地球表面和植被覆蓋范圍正大范圍地發(fā)生動態(tài)變化，ESO計(jì)劃從全球范圍測量這些變化，將使科學(xué)研究取得突破性進(jìn)展，并對社會產(chǎn)生重要影響。它將NASA任務(wù)的理念從純粹的科學(xué)驅(qū)動擴(kuò)展到包含社會效益的應(yīng)用。可以預(yù)見，未來幾年隨著ESO計(jì)劃的推進(jìn)，將會有更加廣泛的科學(xué)社區(qū)和學(xué)者參與到ESO的建設(shè)應(yīng)用。NASA布署的地球系統(tǒng)觀測臺計(jì)劃將為地學(xué)界補(bǔ)充豐富的科學(xué)級衛(wèi)星數(shù)據(jù)，不但為地球科學(xué)的持續(xù)發(fā)展注入活力，還將改善人類對地球的理解。

未來隨著在氣候變化、減災(zāi)防災(zāi)、生態(tài)建設(shè)等方面的應(yīng)用需求不斷增加，衛(wèi)星對地觀測將具有更好的發(fā)展空間，將會成為全球應(yīng)對氣候挑戰(zhàn)等共同問題的主要技術(shù)手段。在中國航天科技日新月異的重要時(shí)期，積極跟蹤并認(rèn)真分析NASA的地球系統(tǒng)觀測臺（ESO）計(jì)劃的詳細(xì)情況和技術(shù)內(nèi)容，有利于了解對地觀測技術(shù)的新發(fā)展，為我國星載地球觀測技術(shù)的發(fā)展方向提供參考和借鑒。

[1] BOARD S S, National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Thriving on Our Changing Planet: A Decadal Strategy for Earth Observation from Space[M]. Washington, DC: National Academies Press, 2019: 1-716.

[2] FOUST J.NASA Brands Future Earth Science Missions as Earth System Observatory[EB/OL].[2021-08-30].https://spacenews.com/nasa-brands-future-earth-science-missions-as-earth-system-observatory.

[3] MARGETTA R. New NASA Earth System Observatory to Help Address, Mitigate Climate Change[EB/OL].[2021-08-30].https://www.nasa.gov/press-release/new-nasa-earth-system-observatory-to-help-address-mitigate-climate-change.

[4] VOOSEN P. NASA Set to Announce Earth System Observatory[J]. Science, 2021, 372(6542): 554-555.

[5] KRAATZ S, ROSE S, COSH M H, et al. Performance Evaluation of UAVSAR and Simulated NISAR Data for Crop/Noncrop Classification Over Stoneville, MS[J]. Earth Space Science, 2021, 8(1): 1-14.

[6] KRAATZ S, TORBICK N, JIAO X F, et al. Comparison between Dense L-band and C-band Synthetic Aperture Radar (SAR) Time Series for Crop Area Mapping over a NISAR Calibration-validation Site[J]. Agronomy-Basel, 2021, 11(2): 1-20.

[7] ROSE S, KRAATZ S, KELLNDORFER J, et al. Evaluating NISAR's Cropland Mapping Algorithm over the Conterminous United States Using Sentinel-1 Data[J]. Remote Sensing Environ, 2021, 260: 1-14.

[8] SHARMA P. Updates in Commissioning Timeline for NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR)[C]// 2019 IEEE Aerospace Conference, Montana. USA. IEEE Press, 2019: 1-12.

[9] DUNCANSON L, NEUENSCHWANDER A, HANCOCK S, et al. Biomass Estimation from Simulated GEDI, ICESat-2 and NISAR Across Environmental Gradients in Sonoma County, California[J]. Remote Sens Environ, 2020, 242: 1-16.

[10] SILVA C A, DUNCANSON L, HANCOCK S, et al. Fusing Simulated GEDI, ICESat-2 and NISAR Data for Regional Aboveground Biomass Mapping[J]. Remote Sensing Environ, 2021, 253: 1-14.

[11] AGRAWAL K M, MEHRA R, RYALI U S. NISAR ISRO Science Data Processing and Products[C]// Earth Observing Missions and Sensors: Development, Implementation, and Characterization IV, New Delhi, India. SPIE Press Room, 2016: 1-8.

[12] BRANCATO V, FATTAHI H. UAVSAR Observations of InSAR Polarimetric Phase Diversity: Implications for NISAR Ionospheric Phase Estimation[J]. Earth Space Science, 2021, 8(4): 1-17.

[13] HOFFMAN J P, SHAFFER S, PERKOVIC-MARTIN D. NASA L-SAR Instrument for the NISAR (NASA-ISRO) Synthetic Aperture Radar Mission[C]// Earth Observing Missions and Sensors: Development, Implementation, and Characterization IV, New Delhi, India. SPIE Press Room, 2016: 1-8.

[14] ROSEN P, HENSLEY S, SHAFFER S, et al. The NASA-ISRO SAR (NISAR) Mission Dual-band Radar Instrument Preliminary Design[C]// 2017 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Fort Worth, USA. IEEE Press, 2017: 3832-3835.

[15] ROSEN P, HENSLEY S, SHAFFER S, et al. An Update on the NASA-ISRO Dual-frequency DBF SAR (NISAR) Mission[C]// 2016 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Beijing, China. IEEE Press, 2016: 2106-2108.

[16] THAKUR S, AGRAWAL K M. Simulation Study for Missing Sample Estimation and Resampling in NISAR Perspective[C]// 2019 URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (AP-RASC), New Delhi, India. IEEE Press, 2019: 1-4.

[17] XAYPRASEUTH P, SATISH R, CHATTERJEE A. NISAR Spacecraft Concept Overview: Design Challenges for a Proposed Flagship Dual-frequency SAR Mission[C]// 2015 IEEE Aerospace Conference, Montana, USA. IEEE Press, 2015: 1-11.

[18] FOCARDI P, HARRELL J A. NISAR Flight Feed Assembly Measurement Campaign[C]// 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Krakow, Poland. IEEE Press, 2019: 1-3.

[19] PINHEIRO M, PRATS P, VILLANO M, et al. Processing and Performance Analysis of NASA-ISRO SAR (NISAR) Staggered Data[C]// IGARSS 2019-2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Yokohama, Japan. IEEE Press, 2019: 8374-8377.

[20] RAMANUJAM V M, SUNEELA T J V D, BHAN R. ISRO's Dual Frequency Airborne SAR Pre-cursor to NISAR[C]// Earth Observing Missions and Sensors: Development, Implementation, and Characterization IV New Delhi, India. SPIE Press Room, 2016: 1-6.

[21] ROSEN P A, KIM Y J, SAGI V R, et al. Global Persistent SAR Sampling with the NASA-ISRO SAR (NISAR) Mission[C]// 2017 IEEE Radar Conference (RadarConf), Seattle, USA. IEEE Press, 2017: 0410-0414.

[22] SWEETSER T H, HATCH S J. The Design of the Reference Orbit for Nisar, the NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar Mission[J]. Adv. Astronaut. Sci., 2018, 162: 1733-1749.

[23] ALVAREZ-SALAZAR O, HATCH S, ROCCA J, et al. Mission Design for NISAR Repeat-pass Interferometric SAR[C]// Sensors, Systems, and Next-generation Satellites XVIII, Amsterdam, Netherlands. SPIE Press Room, 2014: 1-10.

[24] CHAPMAN B, SIQUEIRA P, SAATCHI S, et al. Initial Results from the 2019 NISAR Ecosystem Cal/Val Exercise in the SE USA[C]// IGARSS 2019-2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Yokohama, Japan. IEEE Press, 2019: 8641-8644.

[25] DOUBLEDAY J R. 3 Petabytes or Bust-planning Science Observations for NISAR[C]// Earth Observing Missions and Sensors: Development, Implementation, and Characterization IV, New Delhi, India. SPIE Press Room, 2016: 1-7.

[26] SHARMA P, DOUBLEDAY J R, SHAFFER S. Instrument Commissioning Timeline for NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR)[C]// 2018 IEEE Aerospace Conference, Montana, USA. IEEE Press, 2018: 1-13.

[27] SAATCHI S, XU L, YANG Y, et al. Evaluation of NISAR Biomass Algorithm in Temperate and Boreal Forests[C]// IGARSS 2019-2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Yokohama, Japan. IEEE Press, 2019: 7363-7366.

[28] CHAPMAN B, KASISCHKE E S. Evaluation of above Study Region Sites for Future Calibration and Validation of Nisar Science Requirements[C]// IGARSS 2018-2018 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Valencia, Spain. IEEE Press, 2018: 8279-8281.

[29] ROSEN P A, KUMAR R. The NISAR Mission–An NASA/ISRO Space Partnership Supporting Global Research and Applications[C]// 2019 URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (AP-RASC), New Delhi, India. IEEE Press, 2019: 1-39.

[30] PUGH M, KUPERMAN I, KOBAYASHI M, et al. High-rate Ka-band Modulator for the NISAR Mission[C]// 2018 IEEE Aerospace Conference, Montana, USA. IEEE Press, 2018: 1-13.

[31] KOBAYASHI M M, STOCKLIN F, PUGH M, et al. NASA's High-rate Ka-band Downlink System for the NISAR Mission[J]. Acta Astronaut, 2019, 159: 358-361.

[32] MISRA T, BHAN R, PUTREVU D, et al. S-band Synthetic Aperture Radar On-board NISAR Satellite[C]// Earth Observing Missions and Sensors: Development, Implementation, and Characterization IV. New Delhi, India: SPIE Press Room, 2016: 1-6.

An Introduction to NASA′s Earth System Observatory Project

YAO Qian1,2GAN Yong3GUANG Jie*1HOU Weizhen1ZHANG Fengli1LI Zhengqiang1

（1 Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China）（2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）（3 China National Space Administrative, Beijing 100048, China）

As part of NASA's effort to advance the next generation of Earth science, the Earth System Observatory (ESO) will collect a wide range of data from different layers of the Earth that will be used to gain a holistic, three-dimensional understanding of the earth system's components and their interrelationships. This paper summarized the Earth System Observatory program gradually developed by NASA, and analyzed the scientific objectives, implementation strategies and work priorities of NASA's ESO program. The composition, deployment, measurement methods, data products and measurement error sources of the NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar System (NISAR) developed by NASA in collaboration with the Indian Space Research Organization (ISRO) during the first ESO mission were described in detail. On this basis, the NISAR spacecraft and subsystems as well as the main application fields of NISAR were introduced, and the reflections on ESO program and its enlightenment are put forward, in order to provide valuable reference for China's future earth observation program.

Earth System Observatory; Earth system; Earth science; NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar System; space remote sensing

TP7

A

1009-8518(2021)06-0001-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.06.001

2021-09-18

國家自然科學(xué)基金（41925019）

姚前, 甘永, 光潔, 等. 美國地球系統(tǒng)觀測臺（ESO）計(jì)劃介紹[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(6): 1-8.

YAO Qian, GAN Yong, GUANG Jie, et al. An Introduction to NASA′s Earth System Observatory Project[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(6): 1-8. (in Chinese)

姚前，男，1998年生，2021年獲中國礦業(yè)大學(xué)測繪工程（卓越工程師）學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在中國科學(xué)院大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)直接攻讀博士學(xué)位。研究方向?yàn)樾l(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理和定標(biāo)技術(shù)。E-mail：yaoqian199902@163.com。

光潔，女，1982年生，2009年獲中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位。研究方向?yàn)槎窟b感。E-mail：guangjier@163.com。

（編輯：夏淑密）