地球靜止軌道衛星（以下簡稱靜止衛星）位于地球赤道上空距地面約36000km，軌道平面與赤道平面夾角為零，并且繞地球運行的角速度與地球自轉的角速度相同，故相對于地面靜止。由于靜止衛星與地球自轉的同步性，衛星可以實現連續對地觀測，在氣象、通信、軍事、農業、林業等行業都有較廣泛的應用，特別是在氣象和通信領域，已成為不可或缺的監測和數據獲取工具和平臺。

　　摘要：首先列舉了涉及水利相關靜止衛星的發展狀況，闡述了靜止衛星的發展歷程，并從探測器精度、覆蓋范圍、成像時間、數據傳輸方式和姿態控制方式等方面對各國主流靜止衛星進行了參數對比，指出靜止衛星具有連續、同步、大尺度、多角度觀測地球的能力，使得靜止衛星不僅用于天氣預報、氣候預測等氣象領域，還可以滿足眾多非氣象領域包括水利行業的應用需求。其次，綜述了靜止衛星在水利行業中的應用領域和國內外的應用現狀，分析了靜止衛星水利相關應用參數，列舉了靜止衛星在水文監測、水旱災害監測和水情傳輸中的應用實例，并進行了靜止衛星在水利行業可用性分析，指出由于衛星傳感器性能和在水利領域應用技術水平的限制是造成目前靜止衛星在水利行業應用的業務水平不高的原因，需要加大穩定、高軌高精度和多種荷載傳感器的研發投入。最后，對未來發展方向提出了設想，認為提高數據處理、同化技術水平，加強進入水利行業的應用能力，可以提高靜止衛星數據在水利行業的業務化應用水平。

　　關鍵詞：核心期刊論文發表中心,靜止衛星,水利,應用,水文水資源監測,災害監測,水利通信

　　水利行業中許多領域都存在對靜止衛星的應用需求，如水資源日常監測、突發事件應急監測、災害監測預警等，但總體上對靜止衛星的應用仍處于起步階段，多局限于氣象預報產品應用等方面，應用范圍有待進一步拓寬，應用程度有待進一步深入[1]。

　　本文通過對現有靜止衛星主要參數和特點的歸納，以及對國內外靜止衛星水利應用的調研和分析，基于靜止衛星在我國水利行業的應用現狀，提出未來我國靜止衛星水利應用前景的設想和展望。

　　1國內外水利相關靜止衛星發展狀況

　　國外水利相關靜止衛星發展較早。1975年，美國率先實現了人類首顆靜止氣象衛星GEOS-1業務運行；1977年，日本第一顆靜止氣象衛星GMS-1發射；1978年，歐空局的Meteosat靜止氣象衛星首次實現了水汽通道圖像傳輸；1982年，印度第一代INSAT衛星發射，集通信、廣播和氣象探測于一身。

　　目前，美國的GEOS系列已經發展到了第四代，擁有更穩定的平臺，支持更新的成像儀、空間環境探測器（SEM）、垂直探測器和太陽X射線成像儀（SXI）。新一代的GOES-R系列也已提上日程，預計于2014年實現業務運行，將搭載先進的基線成像儀（ABI）和超光譜環境監測儀（HES），性能將大幅提升，在同步衛星監測領域繼續保持領先優勢。

　　日本的MTSAT-2和MTSAT-1R雙星在軌運行，互為備份，較上一代GMS-5的自旋穩定姿態控制不同，MTSAT采用三軸穩定方式，成像時間短、圖像信噪比、靈敏度高。

　　歐盟第二代靜止氣象衛星MSG-2替代了上一代Meteosat，雖然仍采用自旋穩定方式，但在傳感器通道數、空間分辨率、圓盤成像時間和量化級數上有了很大提高。MSG-3已于2012年7月發射，第三代靜止氣象衛星（MTG）將會在成像精度上和數據傳輸速率上有大輻改進，首顆衛星將于2018年開始服役。

　　俄羅斯在軌靜止衛星二代GOMS-N2和印度在軌靜止衛星INSAT-3D都采用先進的多通道掃描成像儀，擁有各自的特點。

　　我國水利相關靜止衛星發展起步較晚。1997年6月10日，我國第一顆靜止氣象衛星FY-2A正式投入使用，2004年10月FY-2C發射成功，實現業務化運行，比美國晚了整整29年，總體水平也只相當于美國20世紀90年代初的水平，據估計這樣的差距可能在風云四號才能趕上。不過風云二號也有很多自己的特色，尤其在圖像定位配準方面已經達到了世界先進水平。2006年12月，FY-2D靜止氣象衛星發射成功，與FY-2C星實現了雙星備份，主汛期每天每15分鐘可提供一張圖像。2008年12月，FY-2E星接替已經超期服役的FY-2C星繼續運行。這三顆星均采用自旋穩定的姿態控制方式，搭載5通道掃描成像儀和空間環境探測儀，但是和發達國家相比，還是有一定的差距。表1是各國靜止氣象衛星搭載主要荷載對比。

　　2.1靜止衛星在水利行業的可用性分析

　　2.1.1水利相關應用參數分析

　　隨著水利現代化的不斷深入，傳統水利監測手段已經無法滿足需求。在水資源監測方面，傳統水文監測只采集站點數據，且水文站網密度有限，展布到面后精度有一定不確定性。水旱災害監測也距實時、持續監測與預警的業務需求有一定差距。傳統水質監測能力也落后于管理需求，指標不夠全面，站點密度不夠，快速機動監測能力差，突發性水污染預警系統不夠完善。

　　極軌等高空間分辨率遙感衛星重訪周期長，幅寬窄，可能在區域性單次監測上精度較高，但在大尺度動態監測方面較為薄弱。靜止衛星可每30min獲取一次影像，尺度可覆蓋全球，并且新一代靜止衛星多配置高分辨率多通道傳感器，將為水利業務監測提供多指標、真實可靠的實時監測數據，大幅提高日常管理和應急能力。

　　從GEOS-1只搭載單臺掃描成像儀，提供單一氣象資料，到如今搭載多種高分辨率空間探測器，并依托各國靜止氣象衛星建立起的全球靜止氣象衛星觀測系統，靜止衛星已實現為水文監測、重大水旱災害監測和實時水情數據傳輸提供動態數據和多種定量產品支持，表2是全球主要靜止氣象衛星的水利相關應用領域。除提供初級遙感信息外，靜止衛星還可提供多種定量產品，為水利行業提供更深入、針對性強的業務應用產品，表3是我國FY-2C衛星提供的水利相關定量產品。此外，靜止衛星還為水利部門提供相關數據轉發和衛星通信系統網絡支持，20世紀90年代，我國水利部就購買了亞洲二號半個轉發器，并以此為依托建立了水利衛星通信系統。另外，靜止衛星移動通信系統和全球導航系統也可應用于水利行業。靜止衛星移動通信系統主要有全球覆蓋的國際海事衛星（Inmarsat）通信系統和區域覆蓋北美的移動衛星（MSAT）通信系統、亞洲蜂窩衛星（ACeS）通信系統、瑟拉亞（Thuraya）衛星通信系統等。比較成熟的衛星導航系統有美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的GLONASS和我國自行研制開發的區域性有源三維衛星定位與通信系統（CNSS），即北斗衛星導航系統。目前，為我國水利通信建設提供服務的靜止衛星系統主要是Inmarsat-C海事衛星系統和北斗衛星導航系統。相對于傳統地面觀測和其它衛星在水利中的應用，靜止軌道衛星的主要優勢在于可以高時間分辨率探測信息，有效的動態跟蹤和監測大尺度系統的形成、發展及演變規律。一顆靜止軌道氣象衛星每30min就能獲得近地球的氣象圖片資料，對水資源運行調度管理實時監測、水旱災害監測，洪水、暴雨和突發水污染事故應急監測以及水情數據轉發具有突出的能力。因此，靜止衛星在水利方面的應用有著廣闊的前景。

　　在水資源監測方面，傳統水文監測只采集站點的數據，擴展到面后精度不高，且許多地區水文站網密度不夠，甚至還存在無監測地區，降水、徑流監測和預報等技術手段尚不能完全不能滿足水資源評價、規劃與管理等方面的需求，而極軌等高空間分辨率遙感衛星由于重訪周期過長，幅寬較窄，可能在區域性水資源監測精度較高，但對于大尺度動態水資源監測方面較為薄弱。在水資源管理方面，由于人工側支循環，使得流域水資源的分配和轉換關系異常復雜，分配層次多，流域降水和徑流變化趨勢不同步，降雨徑流預報和水資源趨勢預測依然是世界級難題，滿足不了流域水資源配置和調度管理的需要。靜止軌道衛星每30min就能獲得水文監測資料，尺度可覆蓋全球，相信配備高空間分辨率傳感器的靜止軌道衛星會在全球水資源領域有更深入的應用。

　　在水旱災害遙感監測方面的，我國雖已開展多年，但距實時、持續監測與預警的行業需求還有一定的差距。高分辨率的靜止軌道衛星數據，進一步提高業務化程度，以形成一套完整的水旱災害遙感監測產品。

　　2.2在水文水資源監測中的應用進展

　　2.2.1降水監測

　　降水是水文循環中的基本環節，在水資源評價、管理、水循環模擬等方面都有著大量的數據需求。從1978年美國人L.E.SpaydJr.和R.A.Scofield[12]第一次基于GOES數據提出估算熱帶氣旋降雨量方法并業務化應用以來，不論是在理論還是手段上，基于靜止衛星的降水監測技術都已相當成熟，方法呈現多樣化。美國NOAA的NESDIS發展了利用GEOS紅外資料估算降水量的系統并于1997年投入業務運用[13]，我國水利部信息中心也使用云分類方法對GMS衛星數字云圖估算面雨量[14]，張云惠、史可傳[15]基于GMS衛星云圖對哈密地區降雨進行估算，徐亮等[16]基于靜止衛星氣象數字化產品采用多元決策加權法估算降雨，熊秋芬[17]提出了基于GMS衛星4通道資料的人工神經網絡技術估算降雨的方法，并進行了實例驗證。

　　為了彌補靜止衛星空間分辨率的不足和發揮其高時間采樣頻率的優勢，靜止衛星降水監測主要采用多種傳感器聯合監測的方法。現在水利行業應用較廣的全球降水監測數據集——全球衛星降水制圖（GSMaP）和GPCP就是多種傳感器聯合監測的成果。GSMaP數據集采用的GEOS衛星的可見光/紅外數據，空間分辨率為0.03635°（在赤道上相當于4km），時間分辨率約為30分鐘，覆蓋區域為60°N～60°S，在海洋上的監測效果最好，在高山上的表現最差。在陸地和海岸帶地區，GSMaP數據難于識別強降水，同時低估強度大于10mm/h的降水。GPCP數據集主要數據源是GOES、GMS、Meteosat衛星，逐月、逐日和每5日降水分析資料空間分辨率分別為2.5°、1°和2.5°。

　　2.2.2土壤含水量與蒸散發監測

　　土壤含水量與蒸散發監測是水資源評價、管理中的重要一環，獲取實時連續監測數據是做好實時調度和管理工作的必要保障。靜止氣象衛星的紅外掃描輻射計在土壤墑情、溫度、溫度和植被監測方面均有所應用。趙長森等[18]提出了基于靜止衛星的陸面區域蒸散模型，并采用FY-2C數據對淮河流域蚌埠以上農業區進行了多時間尺度的區域耗水模擬，開創了利用靜止衛星模型模擬區域耗水的先河。裴浩等[19]借鑒極軌氣象衛星監測植被和土壤墑情的研究成果，采用GMS的多通道數據監測土壤墑情和植被指數。楊曉春[20]利用FY-2數據對土壤濕度進行模擬，并在多年干旱監測中得到了應用。

　　為了彌補靜止衛星在空間分辨率上的不足，舒云巧等[21]提出利用FY-2C結合MODIS產品估算河北灌溉農田實際蒸散量的方法，利用靜止衛星時間分辨率強的優勢，提高了遙感監測的質量。由于靜止衛星的紅外傳感器空間分辨率往往都是千米級的，因此，比較適于大、中區域尺度高時間分辨率的地表參數反演。張霄羽和王嬌[29]利用風云二號靜止氣象衛星數據，提出了多時相熱紅外/可見光反演地表水分的算法，在中尺度區域上定量化土壤表面含水量，并在中國西北地區進行應用，獲得了5km×5km空間尺度的日均土壤含水量，并且與先進的AMSR土壤水分產品相比，均方根誤差為0.025g/cm3，最大估算誤差在0.07g/cm3以內。這一研究為中尺度高時間分辨率土壤含水量產品的獲取提出了一種思路。

　　2.2.3冰雪監測

　　冰雪融量的計算是水文學上的一個重要問題，靜止衛星也在大尺度連續動態觀測冰雪上很有優勢，但由于空間分辨率較低，目前還處于初探階段。裴浩等[19]嘗試利用GMS可見光通道探測冰雪分布并取得了較好的精度。中國科學院冰川所利用氣象衛星云圖來計算雪被覆蓋的范圍、厚度、冰雪融量，并追索其連續演變，進行了祁連山冰川水文學的研究。

　　2.3在水旱災害監測中的應用進展

　　2.3.1洪災監測

　　靜止氣象衛星在全天候洪水監測和汛期降雨預報方面均有應用，是防洪減災輔助決策的重要信息來源。中國氣象局國家衛星氣象中心從20世紀80年代中期開展提供氣象衛星監測洪澇災害的科研服務，曾成功對1991年江淮大水、1996年華北水災以及1998年長江洪水等重大洪澇災害進行了監測[19]。王慶齋等[23]也根據GMS-5靜止氣象衛星數字化衛星云圖曲灰度分布，建立云頂溫度與地面實測降水關系曲線，實現對黃河流域汛期降水的預報。

　　2.3.2旱災監測靜止氣象衛星監測旱情問題，已引起國內外學者的關注，并進行了一些研究嘗試。張元元[24]利用FY-2/VISSR數據生成PRETA干旱指數產品，應用于全國范圍的旱情連續監測，與極軌衛星同類產品相比，在監測范圍和頻次上都具有明顯的優勢，很好地反映了2009年秋季至2010年春季西南大旱的旱情時空變化。姬菊枝等[25]利用風云二號衛星并結合NOAA的數據用熱慣量法估計了2003年哈爾濱春季干旱受災情況，提出了防治措施。

　　2.3.3冰雪災害監測

　　靜止氣象衛星在重大冰雪災害也有一些應用。朱小祥等[26]利用FY-2C、D星結合modis數據在2008年南方雪災中向有關部門提供降雪天氣預報、受災區積雪覆蓋范圍等方面的遙感監測信息。

　　2.4在國內水利通信中的應用進展

　　靜止衛星在水利行業中的應用除包含靜止氣象衛星提供水利相關應用的直接產品外，還承擔著轉發水情數據、進行水利通信的任務。1991年，北京海事衛星通信系統（Inmarsat-C）地面站正式運行，開始承擔起用戶、衛星與移動終端之間水情數據轉發的任務，使得水情測報系統不受距離和下墊面條件的限制。我國自主研發的北斗導航系統也為水情部分流域的水情測報系統提供服務，承擔著部分水利衛星通信任務，具有覆蓋范圍廣、傳輸數據量大和成本低的優勢。此外，我國從1976年開始投資水利通信網。1994年，水利部一次性購買了亞洲二號的半個Ku波段轉發器，建設水利通信系統，經過十多年的努力，建立了以語音、數據、圖像為媒介的水利通信網。2008年，亞洲二號退役，水利部又租用亞洲五號Ku波段轉發器和亞太六號C波段轉發器，實現混網組合，組建了新一代的水利通信系統，并于2010年投入使用，提高了抗雨衰能力，EIRP和G/T指數值在邊遠地區比前代提高了16倍，增強了發射和接收能力。新系統集圖像、數據、語音和應急通信業務為一體，采用新型的DVB-S2通信體制，加大傳輸帶寬，充分提高衛星信號傳輸能力，滿足了防汛、抗旱衛星通信需求，有效保證了水利通信系統的業務應用。

　　3存在問題與展望

　　靜止衛星自身雖然有覆蓋范圍廣、成像周期短、資料來源均勻、連續、實時性強、成本低等先天性優勢，但犧牲了傳感器精度、荷載和傳輸速率等條件，造成業務應用面窄和深化程度不夠的問題。因此，靜止衛星在水利行業得到廣泛應用還需要解決以下幾個問題。

　�。�1）提高衛星穩定性，保證監測數據的持續穩定獲取。我國的FY-2號還采用自旋穩定姿態控制方式，衛星運行穩定性差，數據噪點多，難以實時穩定更新，改進靜止衛星姿態控制方式，提高傳感器靈敏度和穩定性，是保證監測數據高質量持續穩定傳輸的有效手段。

　�。�2）提高傳感器性能，滿足行業應用精度要求，深化業務應用。目前水利行業采用的靜止衛星數據源大多空間分辨率和光譜分辨率較低，離行業應用的精度要求尚有一定距離，另外，有效荷載種類過少，監測范圍不足，相關應用領域較窄，需加大高軌、高分辨率傳感器的研發投入，深化業務應用，在保證靜止衛星同步、大尺度觀測特性的同時，開展新型傳感器的研究，擴展監測領域，進行精細化研究，提高傳感器觀測精度，保證行業應用的可靠性。

　�。�3）做好與傳統地面監測數據的協同應用。不管是單一靜止衛星遙感監測數據，還是傳統地面監測數據，都在反應真實水利應用狀況時存在優缺點，做好和地面觀測數據同化處理，實現與傳統地面觀測技術的結合應用，才能提供更加全面、真實、精確地監測數據。

　�。�4）做好與高空間分辨率數據源的同化應用。靜止衛星可提供全天候、大尺度的遙感監測資料，但不足之處是空間分辨率較低，數據精度有限，做好靜止衛星數據與高空間分辨率遙感衛星數據的協同應用，是保證數據精度的發展方向之一。

　　目前，靜止衛星在水利方面的應用還僅限于一些氣象水文信息、水旱災害的初級監測和水情的轉發，像水土流失、水環境狀況、灌溉面積監測、水利工程監測等更多水利信息的獲取應用還不深入，并且由于應用理論水平的限制，也不能完全滿足業務需求。但是，在高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率為代表的新型傳感器的研發和高穩定姿態控制技術的發展下，隨著數據傳輸能力的提高、地面數據處理技術的發展，靜止衛星數據與傳統監測數據和高空間分辨率數據的同化技術的深入研究，靜止衛星數據的應用水平將不斷提高。近期，依托高分辨率對地觀測系統重大專項，我國將發射一顆高空間分辨率的光學靜止衛星，將在衛星姿態控制和傳感器物理指標上有重大突破，會大幅提升靜止衛星的空間監測能力，為地表水體變化、水利工程運行狀態監測、農作物長勢監測以及水旱災害監測與預警、突發水污染事件和其他突發災害應急監測提供更加全面的監測數據，相信會更加深化靜止衛星數據在水利行業的應用水平。

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