地球环境变化影响着地球上的每一个生命，气候变化也对社会有深远影响。将地球作为一个复杂系统来研究，对理解气候变化和其它全球环境问题的因果关系至关重要。NASA地球科学部ESD（Earth Science Division）形成了地球的跨学科观点，探索大气层、海洋、冰盖、地表内部和生命本身之间的相互作用。科学家能监测全球气候变化，并及时将决策通报给政府、其它组织以及美国和世界各地的人们，收集的数据和生成的结果可供其它机构和组织改进产品和服务，包括空气质量指标、灾害预测和应对措施、农业产量预测和航空安全。ESD的飞行计划为任务操作和科学数据处理与分发提供了天基观测系统和基础设施，支持NASA地球科学研究和建模活动。目前正在运行的有21个空间地球观测任务，其中包括最近发射的全球降水测量GPM（Global Precipitation Measurement）任务、轨道碳观测卫星-2（OCO-2）、土壤湿度主被动SMAP（Soil Moisture Active Passive）任务和国际空间站ISS（International Space Station）的海风散射计RapidSCAT和云-气溶胶输运系统CATS（Cloud-Aerosol Transport System）仪器。ESD在未来十年有22个任务和仪器将要发射，包括地球科学十年调查的第一和第二级任务、气候变化任务、关键气候数据集任务、Landsat系统持续陆地成像任务、小型轨道任务和EV（Earth Venture）计划的任务。

 

1. NASA地球科学活动

从太空研究地球是NASA战略计划的关键要素，一个主要战略目标是“提高对地球的认识，发展技术改善地球上的生活质量。” NASA地球科学部ESD的目的就是开展对地球系统，以及地球系统对自然或人为因素所导致变化响应的科学认识，改进对气候、天气和自然灾害的预测能力。NASA通过地球科学计划来回答关键科学问题，处理气候变化和环境敏感性的问题和机遇，关键科学问题包括：

• 地球全球系统如何变化？ （描述）

• 什么导致地球系统的这些变化？ （理解）

• 未来地球系统将如何变化？ （预测）

• 地球系统科学如何带来社会效益？ （应用）

这些科学问题可转化为六个重点领域，指导ESD选择调查和其它程序决策：气候变异和变化，大气组成，气候、碳循环和生态系统、水和能量循环，地球表面和内部。

通过与执行预测和决策支持系统的其它机构之间建立伙伴关系，包括国家海洋和大气管理局NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）、美国地质调查局USGS（U. S. Geological Survey）和环保局EPA（Environmental Protection Agency）等，NASA改善对气候、天气和自然灾害的预报能力，管理资源，并制定环境政策。NASA地球科学活动是国家和国际服务于社会所做努力的重要组成部分，理解全球变化并利用地球观测，NASA还与外国空间机构、国际研究组织保持着广泛的合作关系，开展从数据共享到共同开发卫星任务的活动。NASA是美国民用航天局，在扮演这个角色过程中对满足空间地球观测国家需求方面有重要责任。NASA提供了大部分全球观测资料（将由美国全球变化研究计划USGCRP（U.S. Global Change Research Program）采用），以及大部分观测和研究（形成了气候和环境变化国际科学评估的基础）。NASA与NOAA、国家科学基金NSF（National Science Foundation）、美国海军及其它机构合作，进行全球海洋观测与研究。NASA是跨部门的气候变化适应特别小组（Climate Change Adaptation Task Force）的重要参与者。美国国会长期授权NASA监督和定期报告地球保护平流臭氧层的状态。NASA与NOAA、USGS、NSF和科学技术政策办公室OSTP（Office of Science and Technology Policy）一起，在美国对全球地球观测系统体系GEOSS（Global Earth Observation System of Systems）的贡献上起到跨部门协作的领导作用。

 

2. 指导文件

两份文件指导了NASA地球科学计划的总体方法：NRC的2007年地球科学十年调查 “空间地球科学与应用：未来十年及以远的国家重点”和NASA的2010年气候中心建设计划“应对气候环境变化的挑战：NASA关于地球观测和空间应用的气候中心建设计划”。NRC 2007年的地球科学十年调查揭示了关于地球科学研究与支持社会应用的愿景。

了解我们居住的复杂且正在变化的地球，它如何支撑生命，以及未来人类活动如何影响的能力，是人类面临的最大挑战之一。这也是社会谋求繁荣、健康和可持续发展时所面临的重大挑战之一。

2007年的十年调查推荐了多个任务组合来支持所需研究，以期能提供关键科学问题的答案，完成相关科学目标。认识到气候变化挑战的紧迫性，NASA在其2010年气候中心建设计划中提出了关键气候连续监测测量的需求。该计划反映了收集关键气候监测测量的需求，这对通报政策和行动至关重要，而且其它机构和国际伙伴并没有计划继续开展。该计划还加快了关键十年调查建议，解决了国家气候的优先级。2012年，NRC发布了地球科学十年调查中期报告（Earth Science Decadal Survey Mid-Term Report），其中，NRC支持NASA对2007年十年调查的回应，并提供了指导。目前，NRC正在组织指导委员会和配套支撑小组，开展地球科学与应用的下一个十年调研工作，将在2017年完成。

 

3. 地球科学部概况

NASA ESD的首要目标是推进地球系统科学，包括气候研究（通过航天数据采集、研究与分析）和预测建模。为了支持这一目标，ESD将开展五大活动：

• 建立和运行地球观测卫星任务，其中许多任务是通过国际和跨部门合作

• 将高质量数据产品提供给广泛的科学界

• 开展和支持前沿研究（包括互补卫星测量的活动），分析NASA和非NASA任务数据并建模

• 展示能实现社会效益的应用

• 开发提升地球观测能力的技术

ESD组织位于NASA科学任务部SMD（Science Mission Directorate）。SMD章程是使用地球观测的空间观测台和空间探测器进行科学探索，观察和访问太阳系其它天体，凝视星系和外太空。科学计划寻求与所有人息息相关深远问题的答案。该组织旨在建立对地球、其它行星及其演化的理解，将地球研究的教训带到太阳系探索，加强太阳系研究工作。

 

4. 地球科学计划

ESD由四个领域组成：飞行、研究、应用科学和技术，和这些领域相关的一些计划和工程负责开展和支持研究，以加强对地球系统的科学理解，收集和分发新观测结果，开发新技术和计算模型，构建开展基于地球科学观测和研究成果的创新应用能力。从先进概念研究到飞行硬件开发，再到在轨操作，飞行任务开发是在地球系统任务ESM（Earth Systematic Missions）计划和地球系统科学探索ESSP（Earth System Science Pathfinder）计划内进行管理的。ESM计划包括广泛的多学科科学调查，旨在对地球系统及其对自然和人为力量反应的科学理解。ESM计划实施ESD的战略任务，包括地球观测系统EOS（Earth Observing System）和基础任务。该计划还包括2007年十年调查推荐的系统任务，和提供额外持续测量的任务，包括陆地成像和气候持续性任务。ESSP计划实施低至中等成本的研究与应用任务，促进革命性科学，培养太空地球科学与应用领域的未来领导者。该计划包括地球科学十年调查推荐的EV任务，由低成本、项目负责人PI领导、竞争性亚轨道和轨道任务，以及机会任务MoO（Missions of Opportunity）组成。ESSP计划还包括竞争性选择的运行任务：2014年6月发射的轨道碳卫星-2（Orbiting Carbon Observatory-2，OCO-2），以及OCO-3任务。

 

5. 地球探险任务

NASA的Earth Venture级项目为高质量地球科学调查提供了经常性的飞行机会，成本低廉，可以在五年或五年内进行开发和飞行。调查通过开放竞争，以确保广泛的群众参与，并鼓励创新方法。调查增强了ESD更好理解地球系统现状的能力，增强了持续改进未来变化预测的能力。征集在空间小卫星任务、设备级仪器机会任务（Missions of Opportunity，MoOs）和空载/亚轨道机会之间进行交替。NASA根据2007年地球科学十年调查报告的建议，成立了Venture级项目。

目前的地球探险任务包括：

• 2010年遴选的五项亚轨道地球探险任务-1 EVS-1（Earth Venture Suborbital -1）调查，其中三项已完成运行。

• 2012年遴选的EVM-1（Earth Venture Mission -1），飓风全球导航卫星系统（Cyclone Global Navigation Satellite System，CYGNSS）。

• 2012年遴选的地球探险仪器-1 EVI-1（Earth Venture Instrument-1），对流层排放：污染监测（TEMPO）仪器。

• 2014年遴选的地球探险仪器-2 EVI-2（Earth Venture Instrument-2），空间站生态系统天基热辐射实验（ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station，ECOSTRESS）。

• 2014年遴选的地球探险仪器-2 EVI-2（Earth Venture Instrument-2），全球生态系统动态调查（GEDI）激光雷达。

• 2014年遴选的五项亚轨道地球探险任务-2 EVS-2（Earth Venture Suborbital -2）调查。

EVS是可持续的亚轨道科学调查。2014财年每个招标上限为1.5亿美元，NASA每次招标选择多个调查，单个成本上限为3000万美元。每隔四年进行EVS征集，EVS调查需使用一系列ESD机载科学计划的飞机和无人机UAVs。EVS-1调查即将完成，其中五分之三完成了运行阶段。小型EVM任务（Earth Venture small Missions）允许NASA ESD追求高风险（D级）小型卫星任务，具有潜在的科学回报。2014财年每次招标费用为150万美元，EVM招标也是间隔四年。EVI任务（Earth Venture Instruments）是在NASA选定的航天飞行平台上，2014财年每次招标成本上限为9000万元，征集间隔不超过18个月。ECOSTRESS和GEDI是最新的EVI-2选项。EVI-3招标已经结束，挑选过程正在进行中。

 

6. 正在运行的任务

目前ESD有21个航天飞行任务，其中12个已完成基本任务，处于拓展运营阶段。芬兰国家极轨伙伴S-NPP（Suomi National Polar-Orbiting Partnership）任务、Landsat-8、全球降水测量GPM（Global Precipitation Measurement）任务、碳卫星OCO-2、NASA和NOAA总太阳辐射传输校准实验TCTE（Total solar irradiance Calibration Transfer Experiment）、最近发射的土壤湿度主被动SMAP任务，以及海风散射计RapidScat和云-气溶胶输送系统CATS国际空间站载荷，都处于其基本运营阶段。12个老化飞行器中有些由于仪器或飞行器的总线子系统故障或退化（包括机构和电池性能退化）而受到限制。2015年4月，NASA正式结束已运行17年极其成功的热带降雨测量任务TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission），其在燃料用尽后进行轨道维持和降轨，该卫星于2015年6月15日安全再入印度洋上方的地球大气层。2015年6月7日，失去了与Aquarius / SAC-D卫星的联系，该卫星是与阿根廷合作于2011年发射的，随着飞行器总线供电故障，任务宣告结束。

 

7. Afternoon星座“A-TRAIN”

NASA及其国际合作伙伴运营着一些地球观测卫星（包括小卫星），在同一轨道“轨迹”一个接一个紧密相连。这种协作卫星组称为午后星座（Afternoon Constellation）或A-Train。这些卫星位于极轨，每颗卫星间隔几秒钟到几分钟，可以近乎同时观测各种参数，帮助科学家增强对地球系统科学的认识。目前有六颗卫星在A-Train上运行，包括日本GCOM-W1卫星、美国Aqua卫星、美法联合CALIPSO卫星、美国云探测CloudSat卫星和多国联合Aura卫星。轨道碳观测卫星-2（Orbiting Carbon Observatory-2，OCO-2）于2014年7月加入了A-Train。

 

 

图1.目前运行的NASA地球科学任务   

 

图2.A-Train星座（2015年）

 

8. 国际空间站地球科学任务

国际空间站ISS提供了地球观测的独特视角，其51度中倾斜轨道能观测到地球热带地区绝大多数人口中心地区，以及许多关键的动态现象。其低轨可实现高分辨率观测，轨道进动使得ISS安装的仪器可以观察白昼变化，由于与多数极轨卫星和同步观测卫星的轨道有交叉，使得ISS仪器可以对其它观测结果进行交叉检验和交叉校正。该能力对发展和改进长期数据记录尤其重要，需要不同轨道观测仪器间保持一致。除了由ESD单独资助的任务，像ISS上的平流层气溶胶和气体ISS实验III（Stratospheric Aerosols and Gas Experiment-III，SAGE III）、ECOSTRESS仪器、GEDI激光雷达、云-气溶胶输送系统CATS和RapidSCAT，也是ESD支持ISS科学利用计划的一部分。CATS云气溶胶激光雷达是气溶胶/云/生态系统ACE十年调查任务先驱。ESD为CATS科学团队、算法开发和运营提供资金资助。RapidSCAT利用QuikSCAT任务的剩余仪器硬件，也依赖于ESD对科学团队和运行的资金支持。ISS倾斜轨道为散射仪提供全天任意时间的海风矢量测量，观测海风和海面相互作用的日变化。RapidSCAT和CATs分别于2014年9月和2015年1月发射到国际空间站。闪电成像传感器LIS（Lightning Imaging Sensor）计划使用来自ESD TRMM的剩余硬件，原计划于2016年发射到ISS。最近，总太阳辐射和光谱太阳辐射传感器TSIS-1从NOAA转移到ESD，轨道碳观测卫星OCO-3和CLARREO探路者任务被确定为NASA预算2016财年的新起点，是追加的ESD仪器，计划于本十年末在国际空间站上运行。

 

图3.国际空间站地球科学仪器

  

9. 2014年到2015年的5次发射任务

从2014年到2015年12个月里，ESD增加了5次发射任务，这是10年里增幅最大的一年。全球降雨测量GPM核心观测站是在2014年2月从日本发射的。2014年7月发射了碳卫星OCO-2，2014年9月和2015年1月发射两个ISS地球观测仪器RapidScat和CATs。土壤湿度主被动SMAP任务是于2015年1月31日在加利福尼亚州发射升空。此外，深空气候观测卫星DSCOVR（Deep Space Climate Observatory）是一个多部门合作任务，包括NOAA、NASA和美国空军，是在2015年2月发射到日地拉格朗日L1点的，将提供空间天气预测、太阳物理学和地球科学研究。

 

图4.GPM IMERG多卫星降水NRT结果（30分钟，10km×10km）

 

图5.OCO-2全球二氧化碳浓度和太阳诱导叶绿素荧光（2014年11-12月）

 

10. 土壤湿度主被动任务SMAP

SMAP将低频微波辐射计和L波段（1.20-1.41 GHz）雷达组合，测量土壤湿度和冻融状态，提高对区域水循环、生态系统和水、能源与碳循环过程的理解。高分辨率土壤湿度信息将有助于改善天气预报、洪水和干旱预报，以及对农业生产力和气候变化的预测。SMAP于2015年1月31日在美国加利福尼亚州范登堡空军基地由Delta II 7320运载火箭发射升空。辐射计和雷达共用一个旋转的6米网格天线，从其685公里的轨道高度每两到三天提供高分辨率高精度的全球土壤湿度和冻融状况图。SMAP于2015年4月完成试运行并开始科学运营，于2015年4月21日发布了第一幅全球土壤湿度图。7月7日，经过近3个月的科学数据采集，SMAP雷达由于雷达高功率放大器的一个异常停止了传输，在经一系列诊断测试和程序后宣布无法恢复，NASA建立了一个事故调查委员会以确定异常如何发生，以及如何在将来任务中防止这类事件。雷达数据丢失将使若干SMAP应用无法从辐射计数据全面受益，主要是降低了空间分辨率。然而，利用辐射计数据该任务也为重要地球系统研究创造了科学价值，并通过研究新技术来提高分辨率。SMAP土壤湿度全球时间序列如图6所示。

 

图6.SMAP全球土壤湿度图

 

11. 深空气候观测卫星DSCOVR

深空气候观测卫星DSCOVR是NOAA、NASA和USAF之间相互合作的。主要任务目标是继续测量太阳风，满足NOAA第一日地拉格朗日点（L1）的空间天气监测需求。为达到NASA地球科学和太阳物理学研究目的，它具有二级和三级任务目标观测地球，测量L1点活跃粒子环境。具体来说，ESD为地球观测提供了两个仪器，用于成像的地球多色成像相机（Earth Polychromatic Imaging Camera，EPIC）和用于辐射收支测量的NIST先进辐射计（NIST Advanced Radiometer，NISTAR）。DSCOVR于2015年2月11日从CCAFS利用USAF的Falcon 9火箭发射升空。经过几个月转移到150万公里高度的L1轨道，DSCOVR开始试运行活动，包括检查和启动EPIC和NISTAR操作。在2015年7月10日，采集到第一幅图像几天后，EPIC获得了月球穿过阳光照射地球时的过境图像（图7）。由于同步自转，在地球上看不到月球反面。现在DSCOVR正完成向全面运行转变。

 

图7. DSCOVR地球多色成像相机EPIC月球掠过成像

 

12. 2015年—2023年的计划任务

在接下来十年里，NASA有22个地球任务发射计划，如图8所示，国际伙伴用黄色标识。在2015财年，辐射收支仪器RBI（Radiation Budget Instrument）进入研制阶段（A阶段）。此外，戈达德太空飞行中心GSFC建立了气溶胶、云和海洋生态系统PACE（Pre-Aerosol, Clouds, and ocean Ecosystem）和Landsat 9项目，于2016年进入研制阶段。TSIS-1、测高后续任务、OCO-3和CLARREO探路者任务是在2016财年NASA预算中新增内容。

 

图8. 2015年—2023年规划的NASA地球科学任务

 

13. 正在研发中的任务

NASA地球科学飞行计划有五个正在开发的任务（C / D阶段），一个十年调查一级系统任务、两个系统性气候可持续任务、一个地球探险低成本小卫星任务和一个地球探险仪器任务。

 

13.1国际空间站上的平流层气溶胶和气体实验三SAGE III

ISS的SAGE III将对地球大气关键组成部分进行全球长期测量，其中最重要的是从对流层上层到平流层的气溶胶和臭氧的垂直分布。SAGE III还可以对平流层和中间层的温度进行专门测量，以及大气辐射和化学过程起重要作用的痕量气体（如水蒸汽和二氧化氮等）廓线分布。它将延续从1979年开始的SAGE测量数据。NASA的ISS计划通过与欧洲空间局ESA、ExPRESS托盘适配器和Nadir观测平台的合作，提供了Hexapod指向系统。Space-X Falcon 9龙飞船于2017年2月将SAGE III运送到ISS上，安装在ExpRESS物流后勤位置（ExpRESS Logistics Carrier-4，ELC-4）。

 

图9. ISS上部署的SAGE III

 

13.2 冰、云和地面海拔卫星ICESat-2

ICESat-2将继续进行全球时间序列精细冰地形测绘，这最初由ICESat任务启动，通过OIB（Operation IceBridge）机载测量活动拓展到一些选定地区，利用机载仪器在所选极区进行一系列巡查。ICESat-2利用改进的精密激光测距技术测量格陵兰和南极冰盖的地形与海冰厚度。与ICESat设计相反，ICESat-2采用微脉冲多光束激光测距方法，提供了稠密交轨采样，以在轨道基础上解决表面倾斜问题。ICESat-2正在进行仪器和航天器测试，预计于2017年从VAFB利用Delta II 7320运载火箭发射。

 

图10. ICESat-2激光高度计和飞行器总线测试SBT(Spacecraft Bus Testing)

 

13.3 飓风全球导航卫星系统CYGNSS

飓风全球导航卫星系统CYGNSS（CYclone Global Navigation Satellite System）将在热带风暴和飓风的全周期内对海表风进行频繁和准确的测量，目标是改进飓风预报。CYGNSS数据使科学家可以探测风暴核心附近发生的主要海气相互作用过程，该过程变化迅速，并在飓风发生和加剧中发挥着关键作用。CYGNSS是在密歇根大学领导下，使用八个18公斤微小卫星的星座。CYGNSS微小卫星将接收来自全球定位系统GPS卫星的直接和反射信号。直接信号精确定位CYGNSS卫星的位置，反射信号反映了海表粗糙度，可以获得风速。CYGNSS于2016年通过Pegasus运载火箭发射到35度倾角约500公里轨道。

 

图11. CYGNSS微卫星制造和概念图

 

13.4重力恢复与气候实验卫星GRACE FO

GRACE FO后续任务（Gravity Recovery and Climate Experiment Follow On）将扩展主要的全球质量通量数据，最初由12年重力恢复与气候实验卫星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）任务启动。GRACE FO将最大化GRACE先驱任务的价值，并增加一个实验激光测距干涉仪LRI（Laser Ranging Interferometer）。NASA正与德国GFZ（German Geoforschung Zentrum）合作开展项目，GRACE FO计划于2017年通过Dnepr运载火箭发射升空，目前正处在实施阶段（D阶段），进行仪器和航天器集成和测试。

 

图12. GRACE FO卫星集成和在轨概念

 

13.5对流层排放：污染监测卫星TEMPO

由史密松天体物理台SAO（Smithsonian Astrophysical Observatory）领导了对流层排放污染监测卫星TEMPO（Tropospheric Emissions: Monitoring of Pollution）的仪器，是首例EVI（Earth Venture Instrument）调查。TEMPO将在地球静止轨道对大北美GNA（Greater North America）上的污染物（对流层气体和气溶胶）进行高时空分辨率测量。它将确定与污染物和其它气候因素相关的日间瞬时辐射效应，并作为空气质量监测国际星座的北美区组成部分。紫外可见光栅光谱仪将托管到商业通信卫星，计划2017年交付，2019-2021年发射，主要看适合托管的飞行器是否可用。TEMPO目前正处在实施阶段（C阶段），并已完成了关键设计。

 

图13. TEMPO仪器概念图

 

14. 预研和规划任务

NASA地球科学飞行计划（Earth Science Flight Program）目前有12个任务：十年调查（Decadal Survey）、气候可持续性（Climate Continuity）和EV（Earth Venture）任务，正处于预先研究阶段（A阶段前）和规划制定阶段(A和B阶段）。两个十年调查任务是在2010年气候倡议中指定加快发射的NISAR第1级任务和SWOT第2级任务。PACE气候倡议任务是在2010年倡议中定义的，并处在预先制定阶段（A阶段前）。此外，两个EVI（Earth Venture Instrument）任务，ECOSTRESS和GEDI都处在制定阶段（B阶段）。2016财年拟议的NASA预算指出，重新开启OCO-3仪器、TSIS-1仪器和测高后续任务（由Jason CS组成）相关工作，并将从NOAA转移到NASA，启动CLARREO 探路者任务。此外，Landsat 9项目已建立并进入预研阶段（A阶段前），辐射收支仪RBI（Radiation Budget Instrument）还在制定阶段（A阶段），臭氧测绘和分析套件OMPS-L（Ozone Mapping and Profiler Suite）仪器仍处在制定阶段（B阶段）。RBI和OMPS-L都计划于2021年在NOAA联合极地卫星系统-2（Joint Polar Satellite System-2，JPSS-2）飞行器上飞行。

 

14.1空间站天基热辐射计实验ECOSTRESS

ECOSTRESS（ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station）是2014年选定的两个EVI-2（Earth Venture Instrument-2）任务中的一个，通过国际空间站上的热红外辐射计对蒸散发进行高时空分辨率测量，将对植物水动力学以及生态系统如何随气候变化形成深刻理解。ECOSTRESS正由JPL开发，计划于2017年通过Space-X Falcon 9 Dragon货运补给任务发射，安装在日本实验舱-暴露设施JEM-EF（Japanese Experiment Module - Exposed Facility）的Site 10。

 

图14. ECOSTRESS仪器概念图

 

14.2 全球生态系统动力学调查GEDILIDAR

GEDI（Global Ecosystem Dynamics Investigation）植被激光雷达EVI-2（Earth Venture Instrument-2）是2014年选定的另外一个任务，将以精细的空间分辨率量化地上碳分布、由扰动和后续恢复产生的碳变化、森林结构时空分布及其与栖息地质量和生物多样性的关系、森林在不断变化的土地利用和气候条件下的固碳潜力。GEDI由马里兰大学的PI（Principal Investigator）领导，正在GSFC实施，已处于制定阶段（B阶段），计划于2018年通过Space-X Falcon 9 Dragon货运补给任务进行发射，并将安装JEM-EF的Site 6上。

 

图15. GEDI仪器概念图和JEM EF位置

 

14.3 地表水和海洋地形SWOT

SWOT将提供表面积超过1平方公里（例如湖泊、水库、湿地）和河流宽度超过100米的所有陆地水域全球目录；按月、季和年度测量淡水的全球储量变化；并按月、季和年度估算河流排放的全球变化。SWOT将以10公里或更大的空间分辨尺度描绘海洋中尺度和亚尺度循环。SWOT仪器的有效载荷包括Ka波段干涉合成孔径雷达、常规单波束nadir高度计、微波辐射计和精密定轨POD套件。SWOT是NASA与法国国家空间研究中心CNES、加拿大航天局CSA和英国航天局UKSA合作的产物。2015年1月，CNES正式与法国Cannes的Thales Alenia Space签署了飞行器合同。SWOT正处在研制阶段，计划于2020年发射。

 

图16. SWOT飞行器

 

14.4 NASA-ISRO合成孔径雷达NISAR

设计NASA-ISRO合成孔径雷达或NISAR卫星用于观察和测量地球上的一些最复杂过程，包括生态系统扰动、冰盖崩溃和诸如地震、海啸、火山和山体滑坡等自然灾害。NISAR数据将揭示地壳演化和状态的信息，帮助科学家更好地了解我们星球的演化过程和气候变化，有助于未来资源和灾害管理。该任务是NASA与印度空间研究组织ISRO合作完成的，其先进雷达成像套件包括一个L波段偏振合成孔径雷达和S波段极化合成孔径雷达。NISAR目前在研制阶段，计划于2020年/ 2021年初利用ISRO的GSLV Mark II运载火箭发射。

 

图17. NISAR飞行器

 

14.5 地球资源卫星Landsat 9

在2015年初，NASA与其伙伴USGS合作开展Landsat 9工作，Landsat 9计划于2023年发射，将地球观测计划的陆地图像记录拓展至半个世纪。GSFC是ESD领导的，建立了一个旨在把Landsat 8升级改造为Landsat 9的项目。除了Landsat 8的陆地成像仪OLI外，该项目还将包括热红外传感器 TIRS-2，类似于Landsat 8上的TIRS。与Landsat 8传感器三年设计寿命相比，改进的TIRS将具有五年设计寿命。

                                

                               

图18. Landsat 9飞行器

 

15. 其它最近的ESD任务

如前所述，政府2015财年促成NASA ESD启动的几个新任务包括：

•气溶胶、云和海洋生态系统PACE（Pre-Aerosol, Cloud, and ocean Ecosystem） ：2010年“应对气候与环境变化挑战”报告中确定了海洋颜色、气溶胶和云任务，PACE预期携带海洋颜色传感器作为主要载荷，偏振计作为第二载荷。于2014年底在GSFC确立，将于2022/2023完成发射准备。

• 总太阳辐射（Total Solar Irradiance，TSI）光谱太阳辐射（Spectral Solar Irradiance，SSI）TSIS-1：ISS有效载荷，将于2018年发射，2016财年从NOAA转入NASA。

• 测高后续任务AFO（Altimetry Follow-On）：通过欧美Jason CS / Sentinel 6计划的合作，将继续进行Jason-3任务之外的海洋高度测量，其在2016财年由NOAA转入NASA。

• CLARREO探路者：十年调查任务的第一级技术示范，CLARREO的反射太阳和红外仪器将在2019年末开展ISS运行。

• OCO-3 ： ISS载荷，用于继续由OCO-2启动的二氧化碳测量，计划2016财年重新启动。

 

16. 地球科学技术

地球科学技术计划由地球科学技术办公室ESTO运作，展示并提供技术研究和研发项目，用以发展地球观测仪器、任务组成和信息系统，使未来任务可行且可承担。该计划基于一个科学驱动战略，采用公开同行评审招标来发展最合适的技术。ESTO拥有超过过去的700多个广泛投资组合，超过100个全国机构积极投资。地球科学技术计划要素包括：

• 仪器孵化器（Instrument Incubator Program，IIP）

• 高级组件技术（Advanced Component Technologies，ACT）

• 高级信息系统技术（Advanced Information Systems Technology，AIST）

• 地球科学技术在轨验证（In-Space Validation of Earth Science Technologies，InVEST）

InVEST计划为组件和系统提供在轨技术验证和风险降低，这些无法在地面或机载系统中全面测试。小型拼载飞行器作为计划的一部分，从InVEST计划第二次招标中选出四个6U立方体星，包括一个紧凑型红外辐射计、一个红外大气探测器和一个Ka波段降水雷达。

 

 

文献来源: Steven P. Neeck. The NASA Earth Science Flight Program – An Update. Proc. of SPIE, Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites XIX, 2015, 9639, 963907.