地球觀測系統

地球觀測系統（EOS）起始於1980年NASA提出的美國全球變化研究計畫（USGCRP），並於1991年建立地球觀測系統（EOS），它是由多顆衛星組成和為實行多學科（大氣、海洋、陸面、生物、化學等）綜合研究，加深對地球系統變化的理解，回答理解全球氣候變化的問題，地球氣候系統是如何變化的，各種地球現象是如何發生的，又是如何變化的，自然和人類對全球環境變化的作用，建立人類對地球系統發生的各種現象的長期監視，改進對全球尺度上地球系統各分量及它們間相互作用的理解目的而建立的全球衛星觀測體系。

基本介紹

• 中文名：地球觀測系統
• 外文名：Earth observation system（EOS）

產生背景

地球觀測在人類生產生活的諸多領域中正發揮著越來越顯著的作用，準確詳盡地獲取地球系統中物理、化學和生物各類信息，對於保護民眾生命和財產安全、維護人類發展成果具有極其重要的意義。當前，世界各國、各組織相繼開發使用了數量眾多、種類龐雜的地球觀測系統。這些系統和設備，分別從空中、水下、地面乃至地下等各個方位和角度，就大氣氣體構成、地殼地質運動、生態系統健康等多個領域開展信息蒐集和數據分析，其為經濟社會建設、災害預測應對、資源開發利用等提供著必要的支持。

地球觀測系統（EOS）計畫是由美國宇航局（NASA）發起，有歐洲空間局（ESA）、日本、加拿大等多國參與的大型國際計畫，是近年來，也是未來幾年國際上最宏大的一項遙測地球計畫，是一項跨世紀的長期計畫，EOS計畫最初是為了參與美國全球變化研究計畫（GCRP），以航天領域能做出貢獻為其目的的緣起的。從80年代開始，NASA一邊準備與美國國家海洋大氣管理局（NOAA）、ESA、日本、加拿大的合作體制，一邊致力於地球環境問題的研究，逐步推進而發展了EOS計畫。EOS科學與任務需求工作組於1884年提出報告，EOS科學指導委員會對報告進行了討論，提出了現在的EOS計畫，並於1985年獲得美國總統的明確支持，並把EOS計畫布置於利用空間觀測技術實施地球系統科學和全球變化研究的主要位置上。因此，EOS計畫與國際地圈生物圈計畫（IGBP、美國全球變化研究計畫（GCRP）間的關係非常密切，起到了相輔相成，互相支持的作用。

進入90年代，在美國、歐空局、日本、加拿大等國的積極推進下，EOS計畫獲得重要進展，隨著EOS數據系統（EOSDIS）的啟動，以及今後幾年的一些大型平台的升空，EOS計畫的主計畫大約從1997左右年開始。在這之前，各參與機構圍繞全球環境變化、資源調查都在積極地推進EOS計畫的實施。目前，EOS計畫的目的已經明確，框架已經建好，學科研究課題及優先領域也已經擬定，衛星及其感測器研製和發射也已列入研製日程。

EOS的目的

EOS目的是把地球作為一個整體，引進地球系統科學，通過空間技術更深刻、更全面地觀測地球系統，了解地球系統的現狀以及現在是怎樣地繼續變化著，為全球環境變化研究做出貢獻。

為達上述目的，EOS計畫從以下三個方面著手：一是建立一個基於空間的綜合觀測系統；二是發展一組龐大的數據信息系統，包括數據獲取和處理過程；三是為了積累連續10年以上的遙感觀測數據，建立全球資料庫。通過這三個方面的工作，能夠對組成地球系統的幾個要素有一個更加深刻的認識：

（1）地球能量收支的全球分布。

（2）從地表到中層大氣層的大氣結構、狀態變數、組成和運動。

（3）包括陸地和內陸水域生態系統在內的地表物理和生物的結構、狀態、組成和運動。

（4）地球的生物地球化學循環的速度，重要的生成、消亡源，主要的要素和過程。

（5）海洋循環、表面溫度、風系統、波浪、生物活動。

（6）冰川、雪、海凍的範圍、類型、狀態、厚度、表面粗糙度、運動以及雪的水當量。

（7）全球範圍降水的強度、數量和分布。

（8）包含地殼運動的地球整體的力學運動。

具體到各個學科或圈層領域，其目的分別包括以下領域：水循環領域、生物地球化學循環領域、氣候過程領域、地球物理過程領域。

組成結構

地球觀測系統（EOS）包括三大部分：

（1）EOS科學研究計畫

（2）EOS數據信息系統（EPSDIS）

（3）EOS觀測（平台、儀器）系統

EOS科學研究計畫

科學研究是EOS的基礎，這一工作早已在進行，由NASA及其它美國研究機構和國際組織開展的地球科學研究是其前奏。在美國全球變化研究計畫(USGCRP)及國際地圈一生物圈計畫(IGBP)和世界氣候研究計畫(WCRP)的共同支持下，在美國本土EOS科學研究已具雛形。

EOS數據信息系統

EOS計畫的一個主要目標是將依靠各研究組織及其合作增強EOS數據的套用能力。以往經驗表明，只有通過一定的組織程式建立起來的信息系統才能更有效地發揮作用，而積極的用戶參與是其程式中的重要一項。因此，數據信息系統需不斷發展、不斷完善，使之具有擴大的外部輸入能力以備研究用戶隨時檢測。從其使用觀點出發，數據信息系統要能充分發揮其計算便利、網路便利的功能，其中包括數據解譯和模式模擬，EOS數據的處理、分發和建檔，對EOS觀測平台、儀器的命令和控制等,從而達到支持EOS研究活動的目的。

EOSDIS已在1991年隨EOS的重新啟動而正式開始實施，初始任務是利用現有數據來支持已有的地球科學與套用數據系統，在適當時機將這些系統納入EOSDIS網路，這一步就靠給用戶配置計算機設備來完成。積累一定經驗之後，有關EOSDIS的處理、分發、建檔等活動的試驗性檔案將產生並提供給研究團體檢驗。根據用戶反饋意見，持續不斷改進原有系統，並在第一台EOS平台發射前達到全部規定功能。EOS的全部功能將用於檢測EOS觀察系統及其儀器的運行狀態，而且用於增強對進行中的EOS研究活動的支持。平台發射之後，EOSDIS仍將繼續改進和擴充，這種不斷的革新需要數據信息系統技術的開拓性進展。

EOS觀測系統

EOS觀察系統將與EOSDIS平行發展，其觀測能力由各種獨立的儀器及其在軌道上的組合排列所決定。為最大限度地科學利用EOS數據，促進EOS科研活動的全面開展，EOS觀測儀器應能觀測如下重要環境變數：

·雲的特徵

·地球與空間的能量交換

·地球表面溫度

·大氣圈、風、閃電及降雨的結構、組成和動力過程

·積雪及其消融過程

·陸地及水體表面生物活動

·洋流

·地球表面和大氣圈間能量、動量及氣體交換

·海凍的結構及其運動;冰川的生長、融化及其流動率

·裸露土壤、岩石的礦物成分

·地質斷層周圍應力和地面高度變化情況

·到達地球的太陽輻射和能粒

EOS觀察平台將主要側重於從近極軌道對全球進行晝夜特殊時次的觀測，為得到強熱帶觀測和完整日循環採樣，需將某些儀器置於低傾角軌道進行觀測。目前由於觀測需求，NASA已與美國氣象預報局、歐空局、日本、加拿大共同設計一個包括五個極軌平台的觀察系統，其中的兩個平台將作為EOS的一部分由NASA提供。NASA原定計畫進行連續15年的觀測，並且每5年要對平台-儀器組合體更換一次，這樣NASA最初的EOS使命將由六個平台和每個入選儀器有3個相同備份來承擔。美國國家研究委員會(NRC)最近研究肯定了NASA這一稱作EOS-A系列的設計理論，同時希望NASA繼續EOS-B系列的研製，以保證EOS觀察系統最大限度地發揮作用。

EOS科學研究計畫、EOS數據信息系統和EOS觀測系統共同構成完整的地球觀測系統。科學研究是其基礎，觀測系統保證了數據信息系統的數據來源，數據信息系統的開發使用促進了EOS科研的順利進行和EOS觀測系統的順利運行;反過來，EOS科研活動的成果又進一步指導和推動了EOS數據信息系統的發展和新型儀器、平台的研製。

美國EOS衛星觀測體系

Terra（EOS/AM-1，10:30/地球星）衛星

Terra衛星是美國、日本和加拿大合作開發的一個項目，Terra衛星是EOS系列衛星第一顆上午衛星，Terra拉丁語意為“地球”，它於1999年12月18日，VAFB,CA用Atlas-CentaurⅡAS火箭發射進入太空。

（1）Terra衛星特點：Terra衛星是三軸定向穩定衛星，6.8米（長）×3.5米（直徑），發射前重量5190千克，進入軌道後重量1155千克，衛星平均功率為2.53千瓦，設計壽命為6年。Terra衛星採用太陽同步軌道，每天環繞地球16圈，衛星高度705千米，傾角98.5°，周期為99分鐘，通過赤道時間10：30。有效載荷平均數據速率是18545Mbit/s，衛星上記錄每一條軌道的數據，由GSFC接收衛星傳送的數據。

（2）Terra衛星攜帶的儀器有：中解析度成像光譜輻射計（MODIS）、星載熱發射和反射輻射計（ASTER）、多角成像光譜輻射計（MISR）、雲和地球輻射能力系統儀（CERES）、對流層污染測量儀（MOPITT）。

（3）Terra衛星研究內容：陸面變化、森林的砍伐和草原變成農田對氣候的影響，樹木和植物吸收大氣中的CO₂，當有機物分解為CO₂進入大氣，知道有多少植被破壞，有多少植被恢復，產生多少有機物質是了解陸地人類對氣候的影響。利用NOAA的衛星資料和總的臭氧成像光譜儀（TPMS）監視熱帶森林的燃燒，MODIS是第一顆獲取地球表面每日陸地覆蓋變化的儀器，MODIS可以監視燃燒著的森林火災，樹林和有機物的燃燒排放二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氣溶膠進入大氣，也可以監視植物和森林火後樹林的恢復，區分林地和作物地，區分老樹林和新的綠草地。

Aqua（EOS/PM-1S/C）衛星

Aqua衛星是EOS系列衛星第一顆下午（13:30）衛星，Aqua名稱是由於它獲取包括海洋、陸地表面水、降水、水汽和徑流等水的信息，Aqua是“水”的意思，它利用6種儀器連續長期記錄地球上的水過程，於2001年12月18日發射入太空。

Aqua是一顆三軸定向穩定太陽同步軌道衛星，衛星的尺寸：2.68米×2.47米×6.49米，太陽電池翼板展開後的尺寸：4.81米×16.70米×8.05米，發射前重量5190千克，進入軌道後重量1155千克。衛星平均功率2.53千瓦，設計壽命6年，Aqua衛星每天環繞地球16圈，衛星高度705千米，傾角98°，通過赤道時間10:30。衛星使用的X和S帶頻段傳送訊號。

Aqua衛星攜帶的儀器有：大氣紅外探測器（AIRS）、高級微波掃描輻射計（AMSR-E）、改進的微波探測單元（AMSU）、雲和地球輻射能量系統（CERES）、濕度探測器（HSB）、中解析度成像光譜儀（MODIS）。

Aura（EOS/Chem-1）衛星

Aura衛星是用於測量從地面到中層大氣化學成分和大氣動力的衛星，其目的是監視自然源與大氣成分之間的相互作用，由此對全球變化的作用和對臭氧的生成和破壞進行研究。Aura提供由人類引起的全球大氣成分源、自由基、貯藏氣和痕量氣體、溫度、位勢高度和氣溶膠分布。

Aura衛星與Aqua衛星十分類似，衛星軌道是圓形太陽同步軌道，軌道高度為705千米，傾角為98°，通過赤道時間13:45，衛星尺寸為：2.7米×2.28米×6.85米，衛星展開後尺寸為4.7米×17.03米×6.85米；衛星是三軸穩定衛星，發射時重量為2967千克，衛星的質量是1767千克，有效負載質量為1200千克，以S頻帶傳送的無線頻率，從太陽陣列提供的功率為4.6千瓦。衛星的壽命不小於6年。衛星於2004年6月19日上午（美國東部時間）由加利福尼亞范登堡空軍基地發射，發射窗3min，衛星分離時間64min，發射後25小時接收到衛星發射信號，衛星於2004年9月28日開始工作。

Aura衛星帶有以下四種儀器：高解析度動態臨邊探測器（HIRDLS）、微波臨邊探測器（MLS）、臭氧監視儀（OMI）、對流層發射光譜儀（TES）。

除此之外，還有歐洲空間局發射的ERS-1、ERS-2等地球遙感衛星。NASA地球系統探索計畫系列衛星。

觀測用儀器

中等解析度成像分光儀

中等解析度成像分光儀(MODIS)是一台使用可見光和紅外線對地球（陸地、海洋和大氣）進行一系列綜合性觀測的成像分光儀。它有足夠高的間隔解析度，幾天之內就可完成對全球的覆蓋。MODIS的綜合性表現在：它能對覆蓋區進行連續的間隔分辨和光譜分辨；能區別各觀測對象的主要頻率變化。

高解析度成像分光儀

高解析度成像分光儀(HIRIS)具有高的間隔解析度和光譜解析度，能夠觀測瞬變過程，並能記錄連續的反射光譜，其解析度超過目前使用的任何設備。

合成孔徑雷達

合成孔徑雷達（SAR)將兼有MODIS和HIRIS的功能。SAR有兩種基本能力：第一種是能以中等解析度（幾百米）覆蓋很大的面積（每3天可覆蓋全球一遍），因而能在全球監測中對MODIS進行補充。第二種是SAR能形成多光譜多極化高解析度的圖像，用於研究具體的地表變化過程，這又是對HIRIS的補充。SAR,HIRIS和MODIS聯合一起，將成為觀測全球地表變化，了解這些變化的過程和相互影響的有力手段。

雷射大氣風探測器

雷射大氣風探測器 (LAWS)是EOS便用儀器中 的一個重要組成部分。它提供的研究信息在改進數值氣象預報的 技能、豐富人們對大範圍大氣環流與氣候動態的認識、加深人們對全球性生物地球化學循環和水文循環的了解方面都是十分重要的。

大氣紅外探測器

大氣紅外探測器（AIRS) 是提高垂直解析度、水平間隔解析度和擴大覆蓋面的研究工具。 其技術目標是貫穿整個對流層的測溫精度達到1°C，垂直解析度為1公里。

地球動力學與雷射測距系統

地球動力學與雷射測距系統 (GLRS)能為板塊構造和區域性地殼變形與應變的研究提供全球性的、精度達到厘米級的大地 據庫。GLRS與設在地面的反光鏡聯合使用，可以研究各種地球動態過程。