2007年，美国科学院（NAS）发表了《天基地球科学和应用：今后10年和更长时间的国家需求》的报告。在这篇报告1里，梳理了在两个10年时间段，即2000-2010年和2010-2020年美国地球科学领域需要借助天基观测项目。目前，一些主要建议的在2010-2020年时间段项目，在陆续启动和实施。例如，美日合作的全球降雨观测项目（GPM）已经在年初完成第一颗卫星的发射，而该计划中引人注意的SWOT项目（Surface Waterand Ocean Topography，表面水和海洋地形，下图），也在延迟了数年之后，本月在美法之间达成一致，项目从可行性预研究阶段，正式步入实施阶段。
1 2007年NAS报告描述的SWOT项目
地表水为世界上75%以上的人口提供赖以生存的主要饮用水水源。然而，世界上并没有相应的地表水观测系统。此外，就跨境水域而言，一个国家河流的水藏量、流量和改道情况会对下游邻国的水资源产生影响，然而要得到这方面的信息往往是不容易的。通过对河流水位的观测可以实现对河流流量的估计，但是全球相应的河流流量观测网络极为不平衡。在人口密度大的发达国家，观测网的密度比发展中国家要大得多。SWOT项目将以比目前高得多的空间分辨率对全球陆地水面和海洋水面进行扫描带高度观测。该信息会把海洋高度计的结果扩大到内陆水域和沿海水域，为全球范围直接测量湖泊、水库以及湿地的蓄水量提供基础。河流流量不仅是水源管理的重要变量，也是洪水预报的重要变量，它是减少生命财产损失的主要工具。此外，像疟疾这样影响健康的疾病也与淡水蓄水量和流量有直接联系。
SWOT扫描带高度计除了提供陆地地表水分布和地表水流动信息外，也会提供精确测量，以便不间断地提供海平面气候记录并把该记录延伸到受人口增长和发展压力给海洋资源造成威胁的沿海地区。扫描带高度计对海洋深度的测量技术有助于提高航海和海上救护业务水平、改善资源管理规划、改进海啸高度预报，并且通过提供有关海洋环流变化和海洋涡旋对海洋环流变化贡献的基本信息，也会帮助改进气候预报和天气预报。海洋环流在很大程度上与风强迫有关，因此，配合海平面测量改进海洋矢量风观测会极大地提高这两项任务的测量精度。风强迫近海环流的变化对近海生态系统影响巨大，对海平面的高分辨率测量和对海洋矢量风的高分辨率测量有助于改进渔场管理。现已表明墨西哥湾的飓风加强了暖环流和涡旋。海洋—气候模式面临缺乏测量细节的类似问题，改进海洋—气候模式可以提高预报准确性，从而减少风暴对健康和财产的影响。
背景：SWOT将解决与内陆水域的蓄水量及水的流动、海洋和近海水域环流、精密水深测量和海底不平整度相关的科学和应用方面的问题。SWOT中的扫描带高度计不仅可以对内陆水域的水面高度进行测量，也可以对近海岸区域和公海的水面高度进行测量。在陆地上，扫描带高度计用预估的河流流量作为衍生变量，观测河流、湖泊、水库和湿地中的藏水量。地表水藏水量的变化和河流流量是陆地水量平衡的重要条件。从太空对水面高度进行测绘可以捕捉到湿地和泛滥河流的动态，它们将对陆地、大气和海洋间的生物地球化学和示踪气体通量起到重要的调控作用。以前的卫星测高对海洋环流、海潮、海浪海平面变化、大地测量和海洋地球物理的科学价值已得到很好的证明。然而，空间分辨率的问题已经排除了在近海水域使用海洋高度计的可能性。由于扫描带测高技术提供了更高的空间分辨率，SWOT有望给出近海岸和河口地区的水深测量、潮汐变化和涌流方面的信息。
科学目标：扫描带高度计将对内陆水域和海洋水面高度的空间场进行测量。生成新的陆地表面（湖泊、水库、湿地及河道）蓄水动态信息，有助于改进对深海和近海海洋循环的估计，这些观测也将为评估蓄水量及河流流量变化提供基础。SWOT高度计的垂直精度为几个厘米（平均覆盖面积小于1km2）并具有评估地表水倾斜度的能力，在覆盖面积1km2内，精度为1个微弧度。为了达到测量精度的要求，该高度计需要一个精确的（非太阳同步）轨道，重复周期约21天，覆盖范围为纬度78°以内地区。对于河流，项目的目标是把河床的横剖面恢复到低水位时1m的精度，经过水动力模式的同化，可以对宽度约100m的河流流量进行估评。其预估结果将为许多没有适宜流量观测网络的地方或者由于网络过于稀疏无法对地表水大尺度地动态做出评估的地方从根本上进行新的测量。对于海洋，该项目将以厘米精度和小于1km2的空间分辨率对海平面进行测绘，把对海平面的测量延伸到对海洋涡旋场和沿海地区的测量。由于有天底视高度计、非太阳同步轨道以及精确的跟踪，该项目提供的海平面变化气候记录会比目前杰森（Jason）卫星系列高度计提供的多。
使命和星载仪器：一套仪器将搭载在同一个平台上，包括Ku波段近天底SAR干涉计、3-频率微波辐射计、天底Ku波段雷达高度计及GPS接收器。Ku波段SAR干涉计主要继承了宽域海洋高度计（WSOA）和航天飞机雷达地形测绘项目（SRTM）的传统。Ku波段合成孔径干涉计会提供1km2内几个厘米的垂直精度，120km的扫描宽度（包括天底空隙）。天底空隙将由类似于Jason-1卫星高度计的Ku波段高度计填补。由于公海上缺少定高点，因此使用微波辐射计预估对流层水气距离滞后。利用GPS接收器提供无线电掩星探测是潜在的附带效益。为了达到要求的精度，对SRTM的设计有一些变化，把最大视角降低到约4.3°。与SRTM相比，这样做会把扫描带外部误差减少14倍。通过平滑邻域图像像素降低高噪音是数据获取的重要策略，这需要提高仪器的固有距离分辨率。要取得从10m的远扫描带地面分辨率到70m的近扫描带地面分辨率，使用了200MHz的带宽系统（0.75m距离分辨率）。通过合成孔径处理，沿轨迹方向，可以得到大约5m的分辨率。此外，要达到所需的垂直空间分辨率，必须做SAR处理。原始数据随星存储并下传到地面。
项目经费：约4.5亿美元。
进度安排：SWOT的发射时间将由持续的海洋高度观测的需要而定。SWOT能够满足Jason系列卫星的运行要求（意味着SWOT有必要成为Jason-3）。依据Jason-2的寿命（目前计划2008年年中发射），SWOT应在2013-2015年期间发射。考虑到SWOT继承了WSOA和SRTM的传统技术，SWOT的技术非常成熟，因此这样的时间表理论上是可行的。就海洋应用来说，SWOT与XOVWM重叠测风是非常可取的。
2 SWOT进入实施阶段的信息
实际上，自2007年美国科学院（NSA）提出SWOT项目的建议，在NAS报告正式发表（2008年）的转年，即2009年开始，报告建议的SWOT项目实施机构——美国NASA，与法国国家空间研究中心（Centre National d’études Spatiales，CNES）就开始针对SWOT项目的合作开始接触，并就项目在2020年完成实施达成共识。尽管这一时间框架已经较NAS报告建议的实施时间后延了4年之久。
SWOT项目在2008年2月正式命名，并替代了之前建议的WATERHM（Water And Terrestrial Elevation Recovery，水和陆地高度复原）水圈绘图仪项目。后者是2006年设立的一项国际探测项目，当时参与的机构是NASA、CNES和ESA（欧空局），该项目是瞄准水圈过程的预研究阶段的卫星项目。当时设计的项目，关注点主要集中于陆地，特别是占陆地覆盖面积至少4%以上的淡水体，以及地球热带湿地，如占全球湿地近20%的亚马孙流域。该项目的着眼点是这些湿地、水库、河流等巨大的水存储能力以及对全球水循环的影响等问题（链接-1）。当SWOT成为美-法合作项目后，其总的科学目标等仅仅进行了微调，主要是将海表面高度这一和水圈循环密切相关的要素，也列为最重要的探测目标。调整后SWOT的主要科学目标：
• SWOT的海洋探测主要目标，是以10km或更佳的空间分辨率，描述海洋中尺度和次中尺度环流。
• WOT的水文科学目标是：
-提供所有陆地面积超过250m2的水体（湖泊、水库和湿地）和长度超过河流100m（目标是50m）的河流的水收支；
-观测陆地表面水体（对于人造水库，总储蓄量）在月内、季节和年时间尺度上的总储藏量变化；
-估计全球河流在月内、季节和年时间尺度上流量变化。
SWOT卫星可以覆盖地球表面90%的区域，其观测的分辨率将较目前技术提高10倍，从而可以揭示大气和海洋中环流、热量和碳含量等的小尺度特征。借助获得的海洋信息，科学家能够更好地计算海洋环流的速度和能量。
美法双方的协议包含了该项目生命史中所有的任务分工，美发的具体分工如下：
• NASA负责SWOT负载架构、KaRIn、MR及天线、激光后向反射阵、一个GPS接收器架、地面支持和发生服务；
• CNES负责SWOT飞船车、KaRIn仪器的无线频率部件（RFU）、双频Ku/C波段最低点测高计、卫星综合多普勒眶照相和无线电定位（DORIS）的接收装置、卫星指挥控制和数据处理设施。
3 高度计观测——SWOT的重要特征
星载高度计是SWOT中最为重要的传感器之一，但是直到目前，其应用主要是在海洋观测领域（下图），针对河流和湿地观测其空间分辨率如何，尚没有足够的经验。常规的天底高度计（雷达或光达）的覆盖率也非常有限（例如，Jason-1系列卫星中的TOPEX/Poseidon，典型范围为150km）。
SWOT将反复观测湿地、湖泊、水库等的水表面高度（h）的空间分布。连续的h观测能够给出dh/dt（t是时间），从而得到水容积的改变，即获知得到还是丧失水分。从h的单个图像能够得到dh/dx（x是距离），进而得到表面水斜率，该数值是估计水流量所必须的。
4 SWOT项目的基础设施
SWOT是一项基于SAR高度计宽带扫描的任务，针对地球表面的水体表面进行探测并获取其高度值。SAR高度计是进行水表面高度观测生成高分辨率图像的唯一方法（即提供h、Δh/Δx（斜率）和Δh/Δt（水面随时间变化））。针对SWOT的基础设施如下图所示，这些基础设施主要围绕高度计及其产生图像和产品展开。
SWOT项目的设施，包括天基部分（宇宙飞船科学负载）和地面部分（地面站网、飞船和负载中心、数据处理系统和数据存档系统等）。空中系统通过传感器收集数据，并通过X波段800Mbit/s下行中继向CNES支持的地面站传送资料。每天获得的数据量将达到约7Tbit，因此每天需要大约20次中继传输。
SWOT卫星选择倾斜度为78°的非太阳同步轨道以使海洋潮汐的影响最小化，以及保证卫星观测覆盖陆地的主要水体。海洋高度的准确性要求决定了干涉计的基线长度，50m的水探测空间分辨率，使得卫星探测获得的数据量巨大，其中KaRIn原始数据率为360Mbit/s。
5 SWOT探测原理
SWOT观测理念如下页图所示，主要围绕天顶高度计展开，观测对象是海表高度，微波辐射计的作用是对柱状水进行订正。这些观测与KaRIn仪器的扫描观测结果进行耦合。地面的激光测距系统和DORIS信号，加上天基GPS提供了POD（Precision Orbit Determination，精确轨道确定)）以计算SSH（Sea Surface Height，海面高度）。与水文相关的水体和河流高度和斜率观测，也用类似的办法获得，但精度要求不是非常严格因此并不需要通过天底高度计获取。SWOT提供的观测资料，在海洋上的分辨率为1km（在轨处理后），陆地水的空间分辨率为50m，二者的高度准确性分别为~3cm（海洋）和10cm（陆地）。
6 SWOT的综合探测
SWOT除了天底高度计观测外，还有2条非天底、宽度为50km的KaRIn观测。KaRIn观测给出海洋和地表水的高度和捆绑的天气图形以及陆地和海洋分辨率分别为50m和1km的高度。KaRIn包括一个实验性质的天底频道，或者作为NNI（Near-Nadir Interferometer，近天底干涉计），或者作为KNA（Ka-band Nadir Altimeter，Ka波段天底高度计）。其中，NNI是基线。在Jason卫星系统上使用的微波辐射计，在SWOT中用于天顶高度计范围的湿对流层延误订正，而GPS和DORIS接收器，包括LRA（Laser Retrore flector Assembly，激光反射装置），用于确定准确的轨道。综合观测的情形，如下页上图所示。
7 SWOT卫星
SWOT卫星是由CNES提供的航天器以及两个负载模块（天底负载和KaRIn负载）组成。航天器向负载模块提供基本支持，包括C&DH（Commandand Data Handling，指令和数据处理）子系统、EPS（Electrical Power Subsystem，电力子系统）、ADCS（Attitude Determination and Control，姿势决定和控制）子系统、TCS（Thermal Control Subsystem，热控制子系统）和RF通信系统等。超大的35平方米双太阳能板是为了使板联接导致的干热最小。这些太阳能板沿速度矢量方向固定，从而使得动力干扰降到最低。
SWOT卫星的电池系统很有特点，其320Ah的储电量能够支持平均耗电量为2kW的观测需求，一个2.3Tbit容量的SSR（Solid State Recorder，固态记录器）和一个推进器子系统能够满足法国减少轨道垃圾的要求（SWOT卫星其他一些参数，参加下页图表）。
NASA和CNES在地球观测方面的合作，最早始于上个世纪80年代，从1992年成功实施的TOPEX/Poseidon项目，到2001/2008年共同发射的Jason-1/2卫星（海洋表面探测卫星）都实现了很好的合作，也是目前世界上在天基地球观测方面典型的强强联合的合作。以往的合作，为科学家认识海平面的升高，以及厄尔尼诺给全球带来的影响等方面提供了坚实的观测基础，我们有理由相信，双方在SWOT项目上的合作会达到预期效果，给全球变化研究，尤其是全球水循环研究带来惊喜。
2014年2月，美日合作的全球降水卫星观测项目（GPM）卫星升空。SWOT项目的实施在给予我们又一个期待的同时，也让我们感到，国际地球观测卫星机构，在进入21世纪第2个10年后，在竞争的背后，加快了合作的步伐，这种共赢的联合和合作，不仅使得关键项目摆脱经费困局得以执行，更让合作双方长处得到发挥，一些突破更可期待。（贾朋群）
链接-1 SWOT项目的酝酿过程
2003年开始，欧美科学家针对陆地水文卫星观测项目开展频繁的学术研讨，这些会议包括，例如：
-空间水文学术会，2003年9月29日-10月1日在法国Toulouse召开
-Workshop at LEGOS研讨会，2004年11月15-16日在法国Toulouse召开
-ESA/ESRIN地表水卫星使命学术会，2005年3月在意大利Frascaty召开
-雷达高度计15年进展学术会，2006年3月13-16日在意大利威尼斯召开
-支持宽带高度计观测海洋科学和地表水联席会议，2006年10月30-31日在美国华盛顿召开
-OSTST会议，2007年3月12-15日在澳大利亚霍巴特召开
正是在这些会议上，科学家们对地球水文循环的卫星探测兴趣增加。因为经济增长，地面测站的观测越来越困难，将淡水资源的监测纳入天基观测框架中逐步形成了共识。