極地環境探測關鍵技術
|
|
中國網/中國發展門戶網訊 地球南北兩極是復雜的耦合系統，其變化機理涉及冰蓋/冰架、海冰、海洋、大氣等相互作用。全球變暖引發了極地環境快速變化，但當前科學界對于很多極地快速變化過程及其機理的理解尚不清晰。這主要源于針對極地環境的立體觀測稀少，尤其是缺乏重要的中小尺度物理過程觀測，限制了我們對極地環境變化機理這一科學問題的認識。
此外，全球氣候持續變暖導致北極海冰面積和厚度快速減小，普通商船在北冰洋的通航窗口期已大幅延長，逐步成為連接東亞、歐洲和北美的“黃金水道”。北極航道的開發急需航道信息保障技術的支持，然而當前北極冰-海-氣環境信息獲取還存在著時間不連續、空間不完整等問題，這直接制約著北極航道的安全開發和高效利用。
因此，加快發展極地環境探測技術，深入開展極地環境科學研究，對于我國參與極地國際治理和為全球氣候變化貢獻中國智慧具有重要意義。
國際極地環境探測技術發展現狀
現場觀測和遙感探測是獲得極地環境信息最有效的2種手段。
國際極地現場觀測技術進展
現場觀測又分為表面（地表、海表或冰表）觀測技術和水下觀測技術。水下觀測技術主要采用調查船走航、固定或剖面浮標、無人潛水器、載人潛水器等技術，發展多平臺組網觀測技術也是當前水下觀測研究的熱點。
表面觀測技術
目前，表面觀測技術主要采用自動氣象觀測站、冰站、冰基浮標等技術；經過多年的發展，相對比較成熟，發展趨勢是組網觀測技術。北極理事會協調建設了“北極可持續觀測網”（SAON），開展了北極陸地氣象觀測。世界氣候研究計劃資助了“國際北極浮標計劃”（IABP），開展了北冰洋氣象觀測。?
水下組網觀測技術
美國國防部于2012年啟動極地環境感知項目，發展冰下環境感知技術，構建北極持續自主監視能力。美國海軍研究署于2020年開始研發“北極移動觀測系統”（AMOS），該系統由浮標基站、多種無人潛水器及其組網設施構成。浮標和無人潛水器搭載各種傳感器，具有低能耗、抗低溫特性，能長期自主收集環境數據，并通過中繼衛星系統實時回傳觀測數據。
歐洲各國發起了“北極聯合觀測系統”（INTAROS）項目；通過擴展、改進、整合歐洲現有分布于北極不同區域的觀測系統，從而構建一套集成的觀測系統。該觀測系統以錨鏈陣列和固定聲學結點為主，并使用少量水下移動式觀測平臺，以獲得空間稀疏位置的連續觀測數據。
俄羅斯積極發展極地聲學探測技術，研發了可用于極地海域的新型反潛探測聲吶監聽系統，該系統由海基、天基和岸基部分組成。其海基系統包括浮標和水下觀測平臺，負責采集水下和水面艦艇的信息；天基衛星通信鏈路負責將數據發送給岸基數據中心。該系統部署后覆蓋范圍可達數百平方公里，可有效限制競爭對手在俄北極領海等關鍵海域的活動。
無人潛水器技術
極地海洋的許多區域長年被海冰所覆蓋，對海冰特征和冰下環境進行考察是極地科學考察的重要組成部分，因此無人潛水器是極地科學考察的重點發展方向。無人潛水器集傳感、通信、導航、控制、能源、推進等技術于一體，是近20年來國際海洋工程領域發展的最尖端的技術之一。由于其成本和使用靈活性上的優勢，近年來已成為水下環境探測的重要工具。典型無人潛水器一般包括：自主水下航行器（AUV）和水下滑翔機。其中，AUV由于其自主機動能力較強，在極地水下有著非常廣闊的應用前景。
1972年，美國國防高級研究計劃局資助華盛頓大學研制無人無纜冰下無人潛水器（UARS），以利用窄波束成像聲吶進行北極冰底形態觀測，并由此拉開應用AUV進行極地調查的序幕。20世紀90年代以來，國外發達國家陸續開展極地AUV研制與應用研究。2001年，美國蒙特利灣海洋研究所（MBARI）聯合麻省理工學院（MIT）等研究機構，開發了具有長續航能力的無人潛水器ALTEX AUV（圖1a）；ALTEX AUV可實現洋盆尺度的水下環境調查，主要用于監測北冰洋的環境變化對全球變暖的影響。美國伍茲霍爾海洋學研究所（WHOI）研制了具有雙體結構的SeaBED系列AUV，并于2007年夏季利用該系列的PUMA AUV和JAGUAR AUV協同完成了冰下深海熱液羽狀流探測及海底測繪任務；這種雙體結構AUV近10年在南北兩極海洋生物、地質調查及海冰測量方面均有出色表現（圖1b）。
英國南安普頓國家海洋中心開發了Autosub系列AUV，其主要用于極地海洋科學研究。其中，2001年，Autosub AUV搭載聲吶設備在南極威德爾海進行南極磷蝦調查研究；AutosubⅡAUV搭載水文傳感器及多波束成像聲吶于2004年在北極格陵蘭冰架、2005年在南極芬布爾冰架下進行水文環境和冰厚測量；AutosubⅢAUV在南極松島冰川下進行了冰下海底地形、冰底結構成像及冰下水體熱傳導規律調查（圖1c）。加拿大國際潛水器工程（ISE）公司于1996年利用Theseus AUV在北極冰鋒水域成功鋪設了長達200km的光纜，用于實時獲取布放于北冰洋的水下聲學陣列數據。ISE公司為加拿大自然資源部研制了5000m水深Arctic Explorer AUV；通過搭載聲吶設備該 AUV于2010年進行了北極高緯度地區冰下海底地圖繪制，以支持加拿大根據《聯合國海洋法公約》維護領土權益。ISE公司還為澳大利亞塔斯馬尼亞大學研制了用于南極冰下探測的AUV nupiri muka（圖1d）；該 AUV擁有變浮力系統可以實現沉積物或冰體采樣，其分別在2019年和2020年開展了南極瑟斯達爾冰架和斯威茨冰川的冰下探測任務，并獲得了寶貴的水文、地形及冰底結構測量數據。
在極地表面和水下觀測方面，國際主流發展趨勢為基于固定或移動平臺的組網觀測技術，利用組網觀測平臺的種類和數量優勢，實現對極地多環境要素的長期、大范圍、同步觀測，為極地科學研究或人為活動提供實時、持久、有效的數據支撐。其中，無人潛水器作為組網觀測系統中的移動結點，具備水下自主作業的性能優勢，可以在三維空間內實現對未知環境的探索或對動態目標的追蹤，在極地冰下觀測領域發揮著越來越重要的作用，揭示了諸多重要的科學發現。
國際極地遙感探測技術進展
相比于現場觀測，遙感探測是對極地開展宏觀連續觀測的重要手段。極地遠離人類世界且自然環境惡劣，這意味著利用遙感方法開展極地觀測，特別是衛星遙感數據的應用具有重要價值和不可替代的作用。
遙感技術可以在較短時間內收集大量信息，并分析極地環境要素的變化特征。1960年TIROS-1衛星首次在加拿大東南部圣勞倫斯海灣拍攝到海冰解凍的遙感影像，由此揭開了極地遙感觀測的序幕。20世紀60年代以來，西方國家積極發展極地衛星遙感技術、開展極地遙感應用研究，在理論和實踐方面都取得突破性進展。圍繞極地海冰、冰蓋和海洋環境變化研究形成了一系列遙感產品。20世紀90年代以來，西方國家陸續發起了多個針對極地環境的衛星計劃（如歐洲航天局發起的CryoSat2）或觀測計劃（如美國國家航空航天局與加拿大航天局聯合發起的RADARSAT南極測圖計劃），目前已經初步建成極地天基遙感觀測體系。衛星遙感技術在極地的應用主要分為光學傳感器、微波輻射計、雷達散射計、合成孔徑雷達（SAR）和高度計5種類型。
（1）光學傳感器。20世紀70年代以來，以美國國家航空航天局和美國地質調查局聯合研制的“陸地衛星”（Landsat）系列為代表的光學遙感衛星率先被應用于極地海洋與冰雪環境研究，搭載在Landsat系列衛星上的多光譜掃描儀（MSS）、專題制圖儀（TM）和陸地成像儀（OLI）等光學傳感器被廣泛應用于海冰與冰蓋變化監測。迄今，已積累近50年連續觀測數據。
（2）微波輻射計和雷達散射計。大尺度的連續極地觀測主要依賴星載微波傳感器。星載微波輻射計和雷達散射計遙感系統不依賴太陽光，能夠實現全天時、連續的極區環境變化監測。其中比較有代表性的是美國國防部于20世紀60年代啟動的國防氣象衛星（DMSP）系列搭載的SSM/I輻射計與歐洲航天局搭載于Metop-1衛星的ASCAT散射計。目前，基于這些衛星遙感數據已業務化生產逐日海冰密集度、類型和運動產品。
（3）合成孔徑雷達。20世紀90年代以來，搭載SAR傳感器衛星的陸續發射升空又將極地遙感推上了新的階段。加拿大RADARSAT系列SAR衛星和ESA的Sentinel-1系列SAR衛星被廣泛應用于高分辨率海冰分類、漂移、冰架崩解、融化和高程監測。
（4）高度計。衛星高度計能夠直接獲取地物的高程信息，美國國家航空航天局2018年發射升空的ICESat-2先進地形激光測高系統（ATLAS）首次將單光子探測技術引入地球高程探測，為精確測定極地冰蓋高程和海冰厚度提供了新的監測手段。
我國極地環境探測技術發展歷程及應用情況
極地現場觀測技術進展
自動氣象站
中國氣象科學研究院自2010年起開始研發超低溫電池、風速儀、能源控制系統等多種設備和系統，并最終實現自動觀測系統集成，用于極地超低溫觀測；研發的極地低溫（?60℃）和超低溫（?100℃）自動氣象站已安裝在南極的泰山站、羅斯海新站、格羅夫山、昆侖站和北極的漂移站等地。此外，南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）于2019年在格陵蘭冰蓋上架設了野外自動氣象站（圖2），用于記錄每小時風速、風向、氣壓、溫度、濕度、雪厚、冰溫等變量，并通過銥星實時將數據傳輸至國內。上述氣象站已在南、北極獲得了大量的連續觀測資料。
浮標
太原理工大學研制了聲學探測浮標、海冰多參數浮標（IMB）、海冰融池觀測浮標、海冰無人冰站（圖3）及海冰溫度鏈浮標等自動觀測裝置，并在北冰洋多點成功布放。
無人潛水器
中國科學院沈陽自動化研究所先后有4種類型6臺/套無人潛水器參加了8次極地科考。例如，其研制的冰下自主/遙控海洋環境監測系統（ARV）分別于2008年、2010年、2014年參加了北極科學考察；通過搭載溫鹽深儀、光通量測量儀和水下攝像機等多種測量設備，該ARV可獲得冰下水體溫度、鹽度、深度、冰下光透射輻照度、冰底形態、海冰厚度等多種科學觀測數據（圖4）。
中國科學院沈陽自動化研究所研制的“探索1000”AUV于2020年在南極進行了海洋多要素走航觀測，實現了南大洋海洋環境的自主調查，獲得了海流、溫度、鹽度、濁度、溶解氧及葉綠素等大量水文探測數據，驗證了我國自主研制的AUV在極端海洋環境下開展科學探測研究的實用性和可靠性。該研究所主持研制的“探索4500”AUV（圖5）于2021年成功完成了北極高緯度海冰覆蓋區的科學考察作業，表現出了在北極冰區良好的低溫環境適應能力、高緯度高精度導航性能、密集冰區故障應急處理能力和洋中脊近海底精細探測能力等。此外，其自主研制的“海翼”號水下滑翔機于2018年首次實現了在白令海公海區域布放應用，通過測量海水溫度、鹽度及深度，為北冰洋動力環境和水文結構研究提供了寶貴觀測數據。
哈爾濱工程大學在水下通信和組網技術等方面取得重要進展，同時攻克了極地AUV總體設計關鍵技術，研制出了工作潛深1000m、續航能力200km、具有海底地形地貌/海冰冰貌及水文數據采集等功能的極地AUV樣機。
近年來，國內相關研究機構相繼在極地開展冰海基觀測系統布放應用研究，在自動氣象站、冰基浮標、無人冰站、無人潛水器研制與應用領域取得了一定進展。然而，受技術水平和地域可到達性等因素限制，我國在極地布放應用的冰海基觀測系統種類和數量有限，尚未能實現組網觀測作業；而且觀測系統長期原位工作能力不足，獲取的觀測數據時間和空間分辨率較低，難以滿足實際的應用需要。為了有效保障我國在南、北極地區的科技與經濟權益，亟待開展極地組網觀測技術研究，以提升對極地冰區冰上和冰下環境變化的認識，為我國在極地相關科研、航運等活動的實施提供信息支撐。
極地遙感探測技術進展
極地衛星遙感探測技術
在小尺度上，國產“高分”和“資源”系列衛星提供了極地高空間分辨率遙感數據。“高分三號”（GF-3）衛星搭載的SAR傳感器具備12種成像模式，同時涵蓋傳統的條帶和掃描成像模式，以及面向海洋應用的波成像模式和全球觀測成像模式，是世界上成像模式最多的SAR衛星。基于GF-3 SAR影像的強度、入射角和極化信息，能夠準確地實現夏季融冰季節的浮冰、碎冰與開放水域分類制圖。目前，基于GF-3 SAR影像獲取了海冰動態變化遙感監測專題產品，“高分”衛星多次為我國商船和破冰船在極區航行期間安全、迅速地在浮冰區穿行和險情化解提供了關鍵保障。“資源三號”（ZY-3）衛星是中國首顆自主研制的民用高分辨率立體測繪遙感衛星；2012年1月9日ZY-3的成功發射代表著我國長期以來依靠采購國外商用衛星影像數據進行測圖工作已成為過去。ZY-3首星配置4臺相機，能夠獲取多光譜影像和三線陣立體影像，填補了中國立體測圖這一領域的空白。隨著ZY-3第三顆衛星在2020年的發射升空，ZY-3形成了業務觀測星座。ZY-3同軌三視立體觀測能夠提供非常豐富的三維幾何信息，在冰蓋表面高程、形態和運動監測方面有很好的應用前景。ZY-3的高分辨率影像已被成功用于南極冰蓋表面流速監測。ZY-3衛星立體像對也被應用于南極龍尼-菲爾希納冰架高分辨率三維建模，能夠很好地獲取冰架表面形態及裂隙發育特征。
在大尺度上，國產“風云”和“海洋”系列衛星提供了極地高時間分辨率遙感數據。“風云三號”（FY-3）衛星搭載的微波輻射成像儀（MWRI）開啟了國產微波傳感器在極地冰雪環境監測領域的新紀元。目前，國際上微波輻射計大多已經或即將超期服役。隨著2021年“風云三號”E星（FY-3E）的發射升空，FY-3已連續提供超過10年的極地觀測資料，MWRI有可能成為未來唯一一個在軌運行的星載微波輻射計。目前，FY-3衛星已被應用于業務化海冰密集度產品生產，以及兩極冰蓋融化監測。“海洋二號”（HY-2）是海洋動力環境衛星，主要用于全天時、全天候、高精度地獲取海面風場、溫度場、海面高度、浪場、流場等參數，也可應用于大尺度極地冰雪環境監測。HY-2搭載雷達高度計、微波散射計和微波輻射計，包括HY-2A實驗星，以及HY-2B、HY-2C 2顆業務星。隨著HY-2B和HY-2C分別于2018年和2020年發射升空，HY-2系列衛星已被應用于南、北極大尺度海冰參數反演研究中，如海冰覆蓋范圍、海冰密集度和海冰類型，精度已達到國際主流同類型傳感器水平。
然而，上述國產衛星均不是專門的極地衛星，無法同時兼顧極地遙感數據的空間分辨率和時間分辨率。2019年9月12日，我國首顆專門面向極地遙感觀測的小衛星“冰路”（Ice Pathfinder）衛星在中國太原衛星發射中心搭載長征四號乙火箭成功發射。該衛星由北京師范大學科學設計，深圳東方紅海特衛星有限公司研制，中山大學負責運行、維護并構建衛星地面應用系統。“冰路”衛星具有大幅寬、高緯度覆蓋等特點，空間分辨率優于80m，能夠5天內完成對兩極的覆蓋觀測。獨特的在軌變曝光技術保證了其獲取影像的質量。截至目前，“冰路”衛星已圓滿完成了3次南極和2次北極觀測任務，目前仍處于良好的超齡服役狀態；已累計獲得影像1萬余幅，其中南極冰蓋影像4300余幅，北極影像3500余幅（圖6），從而彌補了我國長期自主極地觀測數據的短缺，對于促進我國極地與全球變化研究具有重要意義。目前，“冰路”衛星遙感數據已形成了2級衛星產品體系，包括基于自適應遙感影像幾何糾正技術和在軌輻射訂正技術生成的Level 1A（L1A）級產品，以及通過進一步處理獲得幾何精校正的Level 1B（L1B）級產品。“冰路”衛星在應急模式下能夠提升對極地突發事件的連續監測能力。位于中國南極中山站西側的南極洲第三大冰架——埃默里冰架于2019年9月25日發生了大崩解，產生了一個面積約1670km2的巨大冰山。“冰路”衛星對該崩解事件進行密切追蹤，通過對上述地區實施過境即拍和連續監控，取得了一批重要的觀測數據。
極地航空遙感探測技術
隨著航空遙感技術的蓬勃發展，作為一種空間尺度介于遙感衛星與實地測量之間的航空平臺，無人機能在一定程度上彌補遙感觀測空間分辨率不足、現場觀測效率低下和花費昂貴等缺陷。自中國第24次南極科學考察（2007—2008年）以來，多種形式和載荷的國產無人機先后在北極和南極試飛成功并投入業務化運行。這其中最有代表性的是由北京師范大學和中山大學打造的“極鷹”（Polar Hawk）系列遙感無人機平臺。“極鷹”系列無人機能夠在多種時空尺度上對南北極冰蓋、海洋、大氣、地貌、生態等進行靈活監測，對深入理解極地“冰-海-氣-生”變化機制發揮獨特優勢（圖7）。自2014年以來，“極鷹”系列無人機連續攻克極地低溫、大風、光照不均等惡劣環境帶來的技術難題，在南、北極地區累積成功飛行超過180架次，在典型海冰區、冰架、冰川和企鵝棲息地獲取航片5萬余張，從而極大地提高了我國極地現場數據獲取效率。中國第33次南極科學考察期間，在無控制點的情況下，科考隊員利用“極鷹”無人機攝影測量實現了中山站固定冰亞米級制圖，準確地判別冰貌起伏形態，尤其是冰脊的精細特征。這為研究海冰表面形態和發育規律提供了豐富的資料，也為無人機冰區導航提供了新的思路。在中國第36次南極科學考察期間，首次實現了地面光譜特征、“極鷹”無人機和“冰路”衛星同步觀測，旨在將南極遙感觀測體系推向集成化、立體式的“空-天-地”聯合觀測系統。
近年來，我國積極拓展“高分”“風云”“海洋”系列衛星，以及專用于極地遙感觀測的“冰路”衛星在極地環境監測中的應用領域。結合自主的無人機觀測系統，我國的空天基遙感監測平臺在極地冰蓋觀測、極地海冰與海洋環境監測等研究中已得到了較好的應用。但總體而言，目前國產衛星的觀測頻次仍然有限，遙感產品大多基于單一載荷獲得，精度距離國際成熟產品還有一定差距，尚不具備多載荷、多平臺的協同反演能力，亟待提高國產衛星遙感觀測的精細化和定量化程度。
面向新時期我國極地環境探測的研究前沿
極地環境探測的困難與重點突破技術
目前，我國極地觀測和探測技術發展已取得一定成果，但仍不具備系統化、立體化的組網觀測能力，難以實現對極地環境的大范圍、持續探測。在觀測平臺研制與應用方面，尚無法改變高度依賴國外技術和設備進行極地環境觀測的現實，主要原因在于極地極端環境對觀測平臺與設備研發提出極高的技術挑戰，而我國極地現場觀測技術的自主研發投入和實力也亟待提升。
極地極端環境現場觀測的困難體現在極低溫、大范圍冰體覆蓋、高緯度磁場異常、水下聲場環境復雜等方面。相關的現場觀測關鍵技術未來突破重點主要包括：極低溫環境電池高效充放電技術、冰下復雜環境水聲通信定位技術、跨介質組網通信技術、高緯度高精度導航定位技術、高環境適應性平臺總體優化設計技術、安全可靠的冰下布放回收技術、面向任務的智能觀測技術及異構無人平臺組網觀測技術等。極地遙感觀測關鍵技術的未來突破重點主要包括：無人機平臺軟硬件穩定性優化技術、觀測任務智能規劃技術、衛星遙感大范圍連續觀測技術、天基觀測軌道與星座組網技術等。
極地環境探測研究前沿
面向新時期，為解決上述極地環境探測困難，在現場觀測關鍵技術與極地遙感觀測關鍵技取得突破，亟待加快極地觀測關鍵技術國產化、重要裝備產業化，重點發展極地冰海基智能觀測平臺技術、極地冰海基組網通信與組網觀測技術，打造極地長航時、多載荷無人機系統，發展極地衛星遙感-通信-導航一體化技術，建設形成極地環境立體探測體系（圖8）。
極地冰海基智能觀測平臺技術。隨著我國水下觀測技術的快速發展，無人潛水器被廣泛應用于海洋觀測中，但在極地極端環境下的應用仍十分有限。針對極地長期原位作業需求，發展原創性冰海基固定和移動觀測平臺技術，包括固定式的冰基浮標、海底著陸器，移動式的自主水下航行器、剖面浮標，提升觀測平臺的環境適應性。發展極端環境下高性能電池技術，開展平臺低功耗工作模式和能源管理方法研究，實現在有限能源條件下的平臺效用最大化。研究極地復雜環境下的移動平臺導引與導航方法，提升航行器冰下作業的安全性與定位準確性。開發適應海洋動態特征變化的無人平臺智能探測行為，實現在復雜海洋環境下（未知障礙物和海流干擾等）對指定目標的自適應采樣或自主跟蹤觀測；在系統能源受限情況下，最大化觀測數據，提高觀測數據的時空分辨率。
極地冰海基組網通信與組網觀測技術。極地冰海基現場觀測數據的可靠回傳是數據獲取的關鍵環節。因此，需要研發冰基固定平臺通信中繼系統，聯合冰下水聲通信與冰上衛星通信，構建移動平臺到固定平臺到遠程控制中心的通信鏈路，實現現場觀測數據的交互與上傳。此外，開展異構無人平臺組網通信體系研究，著重考慮異構平臺通信協議的建立、通信系統冗余結構設計及動態自治性實現，構建具有分布式、多業務、遠距離的自組網通信系統，實現多平臺組網協同作業。進一步研究異構無人平臺智能優化部署方法，以觀測效率和精細化程度為優化目標，在平臺能源、通信性能和運動空間約束條件下，研究變拓撲結構的多無人平臺協同控制技術，實現對觀測目標的協同組網觀測。在實時獲取多平臺觀測數據基礎上，進一步開展海洋多源數據融合、反演與顯示方法研究，為科學、航運研究提供有效、直觀的觀測信息。
極地長航時、多載荷無人機系統。近年來，我國自主研制的航空遙感飛行器和觀測載荷技術取得了長足的發展。然而，極區惡劣的飛行環境（如大風、低溫、高地磁偏角等）對現有的無人機技術仍然提出了挑戰。針對極地獨特的冰雪環境觀測目標，尚無系統的無人機科學設計方案。在觀測系統建設方面，需研發高性能的機載冰雷達探測系統，研制綜合數據處理算法和軟件，構建光學遙感、合成孔徑雷達、激光雷達、重力和磁力計等聯合應用系統。在觀測技術上，發展適合極地特殊惡劣環境的長航時、多載荷無人機航空遙感測量技術，多機實時航線優化與重規劃算法，實現實時航線優化與調度，以提高極地極端環境下的觀測效率和數據質量，從多尺度空間和時間上理解極地冰蓋和海冰變化機制特征。
極地衛星遙感-通信-導航一體化技術。現有國產衛星在極地具有一定的觀測和通信能力，但衛星遙感觀測頻次仍然不足；現有的通信衛星均不能對極地形成覆蓋，極地航運和科學考察缺乏高頻次觀測信息保障。針對這些問題，可發展面向極地全天時、全天候監測目的高重訪SAR微納衛星星座技術，以實現極地2—3天全覆蓋、關鍵區域24h重復觀測，重點服務極地航道開發。在光學衛星方面，可考慮發展大橢圓軌道（HEO）衛星。HEO衛星相對中高緯度地區準靜止的特點很大程度上能彌補常見極軌衛星和地球靜止軌道衛星在極地觀測頻次的不足。在極地衛星通信方面，需突破極區衛星寬帶通信和同步數據傳輸技術，解決極區自主衛星通信技術與裝備匱乏，以及數據時效嚴重滯后問題，實現地面/船基和星上數據雙向傳輸和通信。最后，在上述基礎上研制并發射極地遙感-通信-導航一體化衛星，服務極區冰雪和海洋環境監測、北極航運、應急救援，以及極區科學考察。
針對極地極端環境長時間、大范圍、全海深、多參數環境現場觀測和遙感監測的迫切需求，遵循由外緣向中心遞進、固定觀測與移動觀測相結合、從單一平臺到組網系統拓展、信息互聯互通的研究思路，研制極地探測與觀測新型技術與裝備，提高我國極地觀測裝備的自主研發能力。打造我國自主的極地遙感-通信-導航一體化、空-天-地-海協同的立體觀測體系，為極地信息獲取、資源開發和安全保障提供支撐。
（作者：程曉、鄭雷、周娟伶，中山大學測繪科學與技術學院南方海洋科學與工程廣東省實驗室；范雙雙，中山大學海洋科學學院。《中國科學院院刊》供稿）