Fernerkundungssatelliten für die Ozeane: Schutz der Quelle des Lebens auf der Erde

Ozean-Fernerkundungssatellit

Marine Fernerkundungssatelliten sind Spezialsatelliten zur Erfassung mariner Elemente und der Meeresumwelt. Sie dienen Bereichen wie der Entwicklung und Nutzung mariner biologischer Ressourcen, der Überwachung und Prävention von Meeresverschmutzung, der Entwicklung von Küstenzonenressourcen und der meereswissenschaftlichen Forschung. Zu den marinen Elementen gehören die Ozeanfarbe, die Ozeandynamik und maritime Ziele.

Zusammensetzung und Klassifizierung von Fernerkundungssatelliten für die Ozeane

Ozeanfernerkundungssatelliten bestehen im Allgemeinen aus einer Plattform und Nutzlasten, die typischerweise optische und Mikrowellen-Fernerkundungsinstrumente tragen. Optische Nutzlasten umfassen im Allgemeinen Instrumente zur Messung von Meeresfarbe und -temperatur, Küstenzonen-Bildgeber usw., die hauptsächlich zur Erfassung von Meeresfarbe und -temperatur eingesetzt werden und sich durch schmale Spektralbänder, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, geringe Polarisation und ein großes Sichtfeld auszeichnen. Mikrowellen-Nutzlasten umfassen Streuungsmesser, Radiometer, Höhenmesser, SAR (Synthetic Aperture Radar) usw. Höhenmesser ermöglichen eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Meeresoberflächenhöhe, während andere Nutzlasten ein großes Sichtfeld und Allwettertauglichkeit bieten. SAR zeichnet sich zudem durch eine hohe räumliche Auflösung aus.

Aufgrund ihrer Funktionen lassen sich ozeanische Fernerkundungssatelliten typischerweise in Satelliten zur Messung der Ozeanfarbe, Satelliten zur Messung der Ozeandynamik und Satelliten zur Überwachung von Meereszielen einteilen.

Satellitenbild der OzeanfarbeMultispektrale Fernerkundungssensoren werden zur Erfassung von Meerwassersignalen eingesetzt. Sichtbares und nahinfrarotes Licht liefern Informationen zur Ozeanfarbe, während Infrarotlicht die Ozeantemperatur misst. Mit dieser Technologie lassen sich die Chlorophyllkonzentration, der Gehalt an Schwebstoffen und löslichen organischen Stoffen, die Ozeantemperatur sowie Wassereis im Meerwasser bestimmen. Sie findet zudem Anwendung in der Meeresumweltüberwachung, der Entwicklung und Nutzung von Meeresfischereiressourcen, der Überwachung der Meeresverschmutzung, der Bewertung der Meeresumwelt, dem Schutz maritimer Rechte und der Erforschung des globalen Umweltwandels.

Ozeandynamik-SatellitDurch das Aussenden von Radarsignalen und die Messung der Echos werden die Meeresoberflächenhöhe und der Rückstreukoeffizient bestimmt sowie Windgeschwindigkeit und -richtung an der Meeresoberfläche ermittelt. Passive Mikrowellentechnologie dient der Messung der Mikrowellenstrahlungstemperatur der Meeresoberfläche, um die Meeresoberflächentemperatur zu bestimmen. Aus diesen Daten wird die Windgeschwindigkeit abgeleitet. Das Verfahren wird hauptsächlich zur Erfassung von Windfeldern, Temperaturfeldern, Meeresoberflächenhöhe, Wellenfeldern und Strömungsfeldern an der Meeresoberfläche eingesetzt.

Um globale Daten zum ozeanischen Windvektorfeld und zur Oberflächenwindspannung sowie globale hochauflösende Daten zur Ozeanzirkulation, zum Ozeangeoid, zum Schwerefeld und zu den polaren Eisschilden zu erhalten.

Satellit zur Überwachung von OzeanzielenMikrowellen-SAR (Synthetic Aperture Radar) dient der Erfassung hochauflösender, wetterunabhängiger Informationen über maritime Ziele zur Echtzeitüberwachung von Seegebieten und der Meeresumwelt. Es erfasst Daten wie Wellenfeld, Windgeschwindigkeit an der Meeresoberfläche, Sturmfluten, interne Wellen, Meereis und Ölverschmutzungen und unterstützt so die maritime Überwachung und Strafverfolgung, Küstenzonenuntersuchungen, die Erforschung und Entwicklung mariner Ressourcen, den Schutz und die Überwachung der Meeresumwelt sowie die Wahrung maritimer Rechte.

Entwicklungsgeschichte von Satelliten zur marinen Fernerkundung

Da die Länder weltweit der Meeresforschung zunehmend Bedeutung beimessen, haben marine Fernerkundungssatelliten drei unterschiedliche Entwicklungsstadien durchlaufen, die sich grob wie folgt kategorisieren lassen:

1970–1978 – ExplorationsphaseHauptzweck ist die Durchführung von Experimenten mit bemannten Raumfahrzeugen sowie die Erforschung des Ozeans mit meteorologischen und landgestützten Satelliten.

1978–1985 – Experimentelle PhaseIn diesem Zeitraum starteten die Vereinigten Staaten einen Ozeansatelliten und den Regenwolkensatelliten-7, die beide mit einem Farbscanner für Küstenzonen ausgestattet waren. Beide Satelliten dienten der experimentellen Forschung.

1985 bis heute – Anwendungsforschungs- und GeschäftsnutzungsphaseIn diesem Zeitraum wurden zahlreiche Ozeansatelliten erfolgreich gestartet. Ozeanfernerkundungssatelliten erfassen mithilfe verschiedener Fernerkundungssensoren Informationen über die Meeresumwelt und lassen sich je nach ihren Funktionen in Satelliten zur Messung der Ozeanfarbe, der Ozeandynamik und der Meerestopographie unterteilen.

In den letzten zehn Jahren haben sich speziell für die Meeresbeobachtung entwickelte Satelliten sowie solche mit partiellen Beobachtungsfähigkeiten hinsichtlich ihrer räumlichen, zeitlichen und spektralen Auflösung, ihres Signal-Rausch-Verhältnisses und ihrer Stabilität stetig weiterentwickelt. Dadurch hat die Bedeutung von Meeressatelliten für die Überwachung der Meeresumwelt sowie für militärische und zivile Anwendungen kontinuierlich zugenommen.

Chinas Forschung an marinen Fernerkundungssatelliten begann vergleichsweise spät, entwickelte sich aber rasant und erzielte nach jahrelanger Entwicklung bedeutende Fortschritte. Basierend auf den Fähigkeiten der marinen Fernerkundungssatelliten zur Funktionsklassifizierung und -erkennung werden die marinen Satelliten Chinas in drei Kategorien geplant und entwickelt: Ozeanfarbe, dynamische Meeresumwelt und Meeresüberwachung.

Am 15. Mai 2002 startete mein Land erfolgreich seinen ersten Ozeanfarbbeobachtungssatelliten, Haiyang-1A. Dies markierte einen Durchbruch im nationalen Ozeansatellitenprogramm und verbesserte die Gewinnung von Ozeanfarbinformationen signifikant. In den folgenden 20 Jahren startete mein Land mehrere Ozeansatelliten, darunter Ozeanfarbsatelliten, Satelliten zur Erfassung der dynamischen Meeresumwelt, Satelliten zur Meeresüberwachung und -beobachtung sowie den chinesisch-französischen Ozeansatelliten. Diese Satelliten sind mit Nutzlasten zur Fernerkundung im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereich sowie mit aktiven und passiven Mikrowellen-Fernerkundungsinstrumenten und zugehörigen Hilfsnutzlasten ausgestattet. Sie können schnell Informationen über Windfelder, Wellenfelder, Meereshöhenfelder, Meeresoberflächentemperaturfelder, Ozeanfarbkomponenten und Umweltdaten von Inseln und Küstengebieten erfassen. Darüber hinaus können sie Informationen über Veränderungen der Polarkappen, des Meereises, großer Flüsse und Seen, der Landvegetation und von Waldbränden sammeln. Diese Satelliten haben ein großes Anwendungspotenzial in Bereichen wie der Überwachung mariner und terrestrischer natürlicher Ressourcen und der Umwelt sowie der Überwachung von Naturkatastrophen und leisten technische Unterstützung für den Schutz der Meeresumwelt, die Entwicklung der Meeresressourcen, die Bewirtschaftung der Meeresgebiete, den Schutz der Seerechte und das Polar- und Ozeanmanagement meines Landes.

Satelliten der Ocean-1-Serie

Es dient der globalen Erfassung von Meeresfarbelementen, der Messung der Meeresoberflächentemperatur und der dynamischen Umweltüberwachung von Küstenzonen. Ausgestattet mit optischen Fernerkundungsinstrumenten, hauptsächlich für die Ozeanerfassung, aber auch für Land- und Seegebiete, bieten diese Instrumente Vorteile wie verschiedene räumliche Auflösungen, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, einen hohen Dynamikbereich und eine große Abtastbreite. Die effektive Nutzlastkonfiguration umfasst einen Scanner für Wasserfarbe und -temperatur, einen Küstenzonen-Bildgeber, einen Ultraviolett-Bildgeber, ein Kalibrierspektrometer und ein automatisches Schiffsidentifizierungssystem.

Satelliten der Ocean-2-Serie

Es dient der wetterunabhängigen Überwachung verschiedener dynamischer Meeresumweltparameter wie des globalen Meeresoberflächenwindfelds, der signifikanten Wellenhöhe, der Meeresoberflächenhöhe und der Meeresoberflächentemperatur. Es liefert nahezu in Echtzeit Fernerkundungsdaten zur Frühwarnung und Vorhersage gefährlicher Seebedingungen und unterstützt die Bereiche Meereskatastrophenprävention und -minderung, Schutz maritimer Rechte und Interessen, Meeresressourcenentwicklung, Meeresschutz, Meeresforschung und Landesverteidigung. Zu seiner Nutzlast gehören ein Radaraltimeter, ein Mikrowellenstreuungsmesser, ein Mikrowellenradiometer und ein Kalibrierradiometer.

Satelliten der Ocean-3-Serie

Das System dient der wetterunabhängigen Überwachung globaler Ozean- und Landdaten und nutzt ein synthetisches Aperturradar (SAR). Durch Lageregelungsmanöver lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit verbessern und der Erdbeobachtungsbereich erweitern. Die erfassten C-Band-SAR-Bilder mit Multipolarisation können in verschiedenen Bereichen wie Ozeanographie, Katastrophenschutz, Wasserwirtschaft und Meteorologie eingesetzt werden. Es stellt eine wichtige technische Unterstützung für mein Land dar, um die Meeresentwicklung voranzutreiben, die Überwachung landbasierter Umweltressourcen zu gewährleisten und Katastrophenschutz und -minderung zu ermöglichen.

Chinesisch-Französischer Ozeansatellit

Der internationale Forschungssatellit China-Frankreichs hat die Hauptaufgabe, Daten zu globalen Meeresoberflächenwellenspektren, Windfeldern und polarem Meereis zu gewinnen, um das wissenschaftliche Verständnis der sich verändernden Muster der marinen Dynamik zu vertiefen, die Genauigkeit und Aktualität von Vorhersagen für gefährliche Meeresbedingungen wie Riesenwellen, tropische Stürme und Sturmfluten zu verbessern und Daten zu polaren Eisschilden zu erfassen, um grundlegende Informationen für die globale Klimaforschung bereitzustellen. Der Satellit nutzt ein von China bereitgestelltes Streuungsmessgerät und ein von Frankreich bereitgestelltes Spektrometer. Beide Seiten haben eigene Bodenstationen aufgebaut, teilen aber die Daten. Dies entspricht den Prinzipien der gemeinsamen Beratung, des gemeinsamen Aufbaus und des gemeinsamen Nutzens sowie den fünf zentralen Entwicklungsprinzipien Innovation, Koordination, nachhaltige Entwicklung, Offenheit und Austausch.

Anwendungen von Fernerkundungssatelliten im Ozean

Die marine Fernerkundung dient hauptsächlich der Untersuchung und Überwachung der Meereszirkulation, küstennaher Strömungen, des Meereises, der Oberflächenströmungsfelder, der Hafenwasserqualität, küstennaher Ingenieurbaumaßnahmen, Landgewinnungsmaßnahmen, Schwebstoffe, der Flachwassertopographie, der Chlorophyllkonzentration an der Küstenoberfläche sowie weiterer hydrologischer, meteorologischer, biologischer, physikalischer und hydrodynamischer Aspekte des Meeres. Sie wird auch zur Überwachung der Meeresverschmutzung und küstennaher Ingenieurbaumaßnahmen eingesetzt. Sie hat sich zu einer wichtigen Überwachungsmethode und Informationsquelle für die Ozeane und Küstenzonen entwickelt. Mithilfe mariner Fernerkundungsdaten können wir Beobachtungen der Meeresdynamik, des Ozeangeoids, der Flachwassertopographie und -tiefe, der Ozeanfarbe, der Meeresverschmutzung und des Meereises durchführen.

Mit der stetig wachsenden Bandbreite und Tiefe der Anwendungen von Satellitenfernerkundung im maritimen Bereich läutet die maritime Fernerkundung das Zeitalter von Big Data ein. Daten aus der maritimen Satellitenfernerkundung werden zu einer wichtigen Datengrundlage für den Aufbau eines intelligenten, digitalen und transparenten Ozeans sowie eines digitalen Chinas und einer maritimen Macht.

Entwicklungstrends von Satelliten zur marinen Fernerkundung：Verbesserung der Beobachtungsgenauigkeit und der räumlich-zeitlichen Auflösung

Die Genauigkeit und räumlich-zeitliche Auflösung von Satellitenbeobachtungen sind entscheidende Indikatoren für die Bewertung ihrer Leistungsfähigkeit und Anwendungsmöglichkeiten. Mit der zunehmenden Komplexität der Meeresforschung und ihrer Anwendungen steigen die Anforderungen an die Genauigkeit und räumlich-zeitliche Auflösung mariner Satellitenbeobachtungen. Fortschritte in der marinen Fernerkundung und Datenverarbeitungstechnologie werden diese Indikatoren kontinuierlich verbessern, um den jeweiligen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Beispielsweise verbessert die Erweiterung des Beobachtungsspektrums von Fernerkundungssensoren die räumliche Auflösung und die Detektionsempfindlichkeit und damit die Genauigkeit der Produktdaten. Durch die Vergrößerung des Beobachtungsbereichs und den Einsatz von Satellitenkonstellationen lässt sich die zeitliche Auflösung der globalen marinen Fernerkundung auf Stundenbasis verbessern, während hochrangige Meeressatelliten die regionale Beobachtungsauflösung sogar auf Minutenbasis steigern können.

Die quantitative Fernerkundung ist der Entwicklungstrend bei Ozeansatelliten.

Quantitative Anwendungen sind ein zentrales Merkmal von Anwendungen mariner Satellitendaten. Fernerkundungsprodukte, die aus marinen Satellitendaten generiert werden, wie beispielsweise Chlorophyll, Schwebstoffe, Meeresoberflächentemperatur, Meereshöhe, Windfeld und Wellenfeld, fallen allesamt unter die Kategorie der quantitativen Inversionsanwendungen. Zuverlässige und umfassende Kalibrierungstechniken und Verifizierungsmethoden sind entscheidend für die Gewährleistung qualitativ hochwertiger mariner Satellitendatenprodukte.

Daher wurden international Kalibrierungs- und Verifizierungsfelder für Ozeansatelliten eingerichtet, die speziell für die Kalibrierung von Fernerkundungsnutzlasten und die Überprüfung der Datenqualität dienen. Gleichzeitig werden die bordeigenen Kalibrierungseinheiten der Fernerkundungsnutzlasten immer ausgefeilter, die externe Kalibrierungstechnologie reift und die Kalibrierungsgenauigkeit verbessert sich kontinuierlich. Dies gewährleistet, dass die quantitativen Anwendungen von Ozeansatelliten den wachsenden Bedarf decken können.

Die anwendungsorientierte, autonome Datenverarbeitungstechnologie an Bord wird kontinuierlich verbessert.

Die hohe Dynamik des Ozeans und die geringe Dichte der Objekte an der Meeresoberfläche bedeuten, dass diese Objekte – anders als an Land – keine Dienstleistungen über Datenzentren empfangen können. Um Echtzeit-Fernerkundungsdaten für den Ozean zu ermöglichen, wird der direkte Empfang von Fernerkundungsdaten durch die Objekte an der Meeresoberfläche, die von Satelliten verarbeitet werden, zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung für Ozeansatelliten.

Neue Arten von Nutzlasten für die marine Fernerkundung aktiv entwickeln

Weltweit wird derzeit intensiv an der Entwicklung von Nutzlasten für die maritime Fernerkundung gearbeitet. Dies führt zu einer kontinuierlichen Zunahme beobachtbarer Elemente und einer verbesserten Messgenauigkeit von Marinesatelliten. Dadurch erweitern sich die Anwendungsbereiche von Satelliten und ihre Gesamtleistungsfähigkeit wird deutlich gesteigert. Die Entwicklung neuer Nutzlasten für die maritime Fernerkundung kann die Beobachtungsmöglichkeiten von Meeresobjekten erheblich verbessern und sich optimal an zukünftige Anwendungsanforderungen anpassen.

Das marine Satellitensystem meines Landes ist heute im Wesentlichen fertiggestellt, und die marine Satellitenfernerkundung hat das Zeitalter der Big Data erreicht. Es wird erwartet, dass die marine Satellitenfernerkundung mit der rasanten Entwicklung der Fernerkundungstechnologie und dem kontinuierlichen Start von Satelliten eine entscheidende Rolle in der globalen Klimaforschung, in den tropischen und polaren Ozeanen sowie im Meereis, in der Erforschung der marinen Produktivität und Ökosysteme, der Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre, der Vorhersage von Meereskatastrophen, der Meeresfischerei und des Küstenzonenmanagements spielen und gleichzeitig ein größeres Entwicklungspotenzial sowie bedeutendere Anwendungsergebnisse erzielen wird.

Einige Inhalte dieses Artikels stammen aus folgenden Quellen:

Künstliche Intelligenz und Deep Learning, Chinesisches Netzwerk zur Popularisierung der Luft- und Raumfahrtwissenschaft, Chinesische Wissenschaftsmesse

Lin Mingsen, Zhang Youguang, Yuan Xinzhe: Entwicklungsgeschichte und Zukunftsperspektiven von Satelliten zur marinen Fernerkundung

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