龔燃（北京空間科技信息研究所）

美國非常重視極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的連續(xù)性，20世紀(jì)90年代初就開始規(guī)劃其下一代極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展。在過去的20年間，美國的極軌氣象衛(wèi)星發(fā)展計劃經(jīng)歷了將軍用“國防氣象衛(wèi)星計劃”（DMSP）和民用“極軌環(huán)境衛(wèi)星”[（POES），又稱“諾阿”（NOAA）衛(wèi)星]整合為軍民共用的“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”（NPOESS）、“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃終止并重組為軍用“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”（DWSS）和民用“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”（JPSS）、取消“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃并僅維持民用“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”，直至最新軍用極軌氣象衛(wèi)星方案出臺的復(fù)雜歷程，其未來發(fā)展還難以最終確定。

1 美國極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展歷程

美國出臺軍民共用的氣象衛(wèi)星發(fā)展計劃

多年來，美國一直由國防部（DoD）與國家海洋和大氣管理局（NOAA）分別獨立運行軍用的“國防氣象衛(wèi)星計劃”和民用的“諾阿”。目前，軍用“國防氣象衛(wèi)星計劃”衛(wèi)星有6顆在軌，還有2顆衛(wèi)星未發(fā)射；民用“諾阿”衛(wèi)星有5顆在軌，最后一顆諾阿－19衛(wèi)星已于2009年2月發(fā)射。

考慮到軍用和民用極軌氣象衛(wèi)星的任務(wù)基本相同，都是收集、處理和分發(fā)氣象、海洋和空間環(huán)境數(shù)據(jù)，因此美國決定合并“諾阿”和“國防氣象衛(wèi)星計劃”。1994年5月，克林頓發(fā)布總統(tǒng)令，將這2個衛(wèi)星系統(tǒng)合并為軍民共用的“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”。

“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”軍民共用項目出現(xiàn)危機(jī)

“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”項目的進(jìn)展并不順利。2005年11月，美國政府問責(zé)辦公室（GAO）對該項目進(jìn)行評估，認(rèn)為其經(jīng)費超支、進(jìn)度延誤，并且項目管理在主承包商、分承包商、項目辦公室和執(zhí)行領(lǐng)導(dǎo)層等諸多方面出現(xiàn)問題，導(dǎo)致該項目處于危機(jī)之中。

2006年6月，由于成本超支和進(jìn)度延期，國防部對“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”項目進(jìn)行了重組，包括減少衛(wèi)星和有效載荷數(shù)量，以及降低部分有效載荷的性能。另外，該項目由美國空軍、國家海洋和大氣管理局、美國航空航天局（NASA）三家共同負(fù)責(zé)，管理模式混亂，靈活性差。于是2009年6月，政府問責(zé)辦公室和項目獨立審查小組建議解散三家共管模式，全部由國家海洋和大氣管理局負(fù)責(zé)。

然而，項目進(jìn)度延期和成本超支等問題依然嚴(yán)重?；谶M(jìn)度已落后計劃5年，成本超過計劃經(jīng)費的100%，達(dá)到139億美元，2010年2月，獨立評審小組和美國國會建議終止“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”項目。因此，白宮在2011財年的預(yù)算申請中提出停止該項目，終止國家海洋和大氣管理局與美國空軍關(guān)于該項目的合作以及美國空軍與諾格公司的合同。

軍民兩用系統(tǒng)重新分家

2010財年，“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”重新分割為民用和軍用項目，民用項目由國家海洋和大氣管理局委托美國航空航天局負(fù)責(zé)管理，命名為“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”；軍用項目由國防部負(fù)責(zé)管理，命名為“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”。此外，歐洲“氣象業(yè)務(wù)”（Metop）衛(wèi)星系列為美國提供上午軌道的極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

成功發(fā)射下一代極軌氣象衛(wèi)星預(yù)備項目衛(wèi)星

2010年，項目重組和分割后，“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項目”（NPP）衛(wèi)星仍按原計劃發(fā)射，并成為美國“地球觀測系統(tǒng)”（EOS）的一顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星，用于保持“地球觀測系統(tǒng)”任務(wù)和首顆“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”之間的數(shù)據(jù)連續(xù)性。此外，該衛(wèi)星有效載荷的研制、測試和飛行經(jīng)驗對“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”項目具有重要意義。

2011年10月28日，“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項目”衛(wèi)星搭乘德爾他－2運載火箭從范登堡空軍基地成功發(fā)射。2012月1月24日，為了紀(jì)念已故的衛(wèi)星氣象學(xué)之父弗納·索米，該衛(wèi)星被重新命名為“索米NPP”（Suomi NPP）衛(wèi)星。該衛(wèi)星原計劃作為“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”的技術(shù)驗證星，對重要有效載荷進(jìn)行飛行驗證，以降低系統(tǒng)的研制風(fēng)險。

2 下一代極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)介紹

“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”

美國航空航天局戈達(dá)德航天飛行中心負(fù)責(zé)“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”的采購和集成。據(jù)相關(guān)報道，該計劃的全壽命周期成本為129億美元，其中包括“索米NPP”、聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1和2以及自由飛行者－1（Free Flier－1）和2等5顆衛(wèi)星的研制和運行成本。

“索米NPP”衛(wèi)星是“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃下的第一顆衛(wèi)星，軌道高度824k m，傾角98.7°，軌道周期101min，降交點地方時10：30。衛(wèi)星總質(zhì)量2000k g，設(shè)計壽命5年，采用BCP－2000平臺，三軸姿態(tài)穩(wěn)定，姿態(tài)敏感精度優(yōu)于10″，姿態(tài)控制精度優(yōu)于36″，實時定位精度優(yōu)于25m。

“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”

衛(wèi)星主要有效載荷包括先進(jìn)技術(shù)微波探測器（ATMS）、可見光紅外成像輻射儀（VIIRS）、跨軌紅外探測器（Cr IS）、臭氧制圖與垂直分布組件（OM PS）以及云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）。這些有效載荷不但可以用于監(jiān)測臭氧變化、陸地和海洋生物生產(chǎn)率、大氣成分以及氣候系統(tǒng)的輻射收支平衡；還能夠探測大氣溫度和濕度、繪制云圖以及測量海洋表面溫度。

聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1衛(wèi)星是該計劃下的第2顆衛(wèi)星，計劃于2017年秋季發(fā)射。除星上通信設(shè)備外，與“索米NPP”衛(wèi)星基本相同。

“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”

2010年6月，美國五角大樓向國會提交了“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”的初步要點，并指出首顆衛(wèi)星最早于2018年發(fā)射。“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”將位于上午軌道，主要有效載荷包括可見光紅外成像輻射儀、空間環(huán)境監(jiān)視器（SEM-N，原計劃由“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”攜帶）以及一個尚未確定的微波遙感器。

“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”保留了“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃的核心設(shè)計、功能和可靠性，同時優(yōu)化了有效載荷的體積和功率?！皣罋庀笮l(wèi)星系統(tǒng)”的衛(wèi)星平臺由諾格公司研制，該衛(wèi)星質(zhì)量是“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”平臺的2/3，功率是其平臺的1/2。

3 最新發(fā)展動態(tài)

新軍用極軌氣象衛(wèi)星方案出臺，發(fā)展方向仍不明確

2012財年，美國空軍為“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”項目申請了4.45億美元的經(jīng)費，但2012年1月23日，美國空軍宣布了最終的國防授權(quán)法案和撥款法案，僅提供了4300萬美元用于終結(jié)該項目，這一事件說明此項目正式終止。

2012年11月，美國國會預(yù)算辦公室（CBO）發(fā)布了《軍用氣象衛(wèi)星現(xiàn)代化可選方案》（以下簡稱《方案》）報告?！斗桨浮氛J(rèn)為，美國國防部下一代軍用氣象衛(wèi)星系統(tǒng)將耗資44億～61億美元，包括2顆衛(wèi)星的研制、發(fā)射以及在軌運行等（到2037年）。

聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1衛(wèi)星外形圖

對于下一代軍用氣象衛(wèi)星系統(tǒng)，《方案》提出了3種可選方案，并詳細(xì)評估了每種方案的性能及相應(yīng)成本。其中，耗資最大的方案將對“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”有效載荷進(jìn)行全面改進(jìn)和升級；耗資中等的方案將采用為民用極軌氣象衛(wèi)星研制的可見光紅外成像輻射儀，其總成本約為49億美元；而耗資最少的方案則僅改進(jìn)空間環(huán)境監(jiān)視器，但衛(wèi)星性能也最弱。

此外，《方案》還討論了美國國防部可能采取的其他方法。例如，在多顆小衛(wèi)星上部署一臺探測器，而不是在一顆衛(wèi)星上集成多個探測器；完全放棄下一代軍用氣象衛(wèi)星計劃，而依靠其他衛(wèi)星系統(tǒng)如民用“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”和“歐洲極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”（EPS）所獲取的氣象數(shù)據(jù)。

聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1確定最終研制合同

2012年8月13日，美國航空航天局宣布已分別與4家公司簽訂了聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1平臺及其有效載荷的研制合同。

聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1平臺及其有效載荷合同在2011年9月－2012年6月之間簽訂。據(jù)美國海洋與大氣管理局透露，聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1及其有效載荷研制合同的總價值約為6.555億美元。鮑爾宇航技術(shù)公司負(fù)責(zé)研制聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1平臺和臭氧制圖與垂直分布組件，合同價值分別為2.804億美元和6110萬美元。雷聲航天航空系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)研制可見光/紅外成像與輻射組件，合同價值1.882億美元，將用于阿拉斯加等地區(qū)的極端天氣監(jiān)測，以及火山灰和森林火災(zāi)的探測和跟蹤。ITT?？巳账沟乩砜臻g系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)研制穿軌紅外探測器，合同價值9110萬美元。諾格電子系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)研制先進(jìn)技術(shù)微波探測器，合同價值3470萬美元。

美國國會預(yù)算辦公室提出的軍用氣象衛(wèi)星方案

此外，“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”的通用地面系統(tǒng)的合同于2011年7月授予雷聲情報與信息系統(tǒng)公司，合同價值為14億美元；挪威航天中心（NSC）將為“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”項目提供綜合數(shù)據(jù)支持服務(wù)，如衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與分發(fā)服務(wù)等。雙方簽訂的固定價格合同價值2200萬美元，包括1年期的基礎(chǔ)服務(wù)合同和4個1年期的可選合同。

美國極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性仍面臨危機(jī)

目前，美國國防部、美國海洋和大氣管理局及歐洲氣象衛(wèi)星組織（Eumetsat）基于各自的極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)，互通探測儀器，共享數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)全天時的持續(xù)覆蓋能力。其中，“國防氣象衛(wèi)星計劃”衛(wèi)星覆蓋時間最早的上午軌道；歐洲氣象衛(wèi)星組織的“氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星”覆蓋稍后的上午軌道；“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項目”衛(wèi)星覆蓋下午軌道。

下午軌道數(shù)據(jù)方面，“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項目”衛(wèi)星計劃于2017年由聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1衛(wèi)星替代。但即使按照最好的情況估計，該衛(wèi)星能夠持續(xù)工作5年，且聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1衛(wèi)星能夠如期發(fā)射，下午軌道的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)仍將面臨長達(dá)17個月的缺口。

上午軌道數(shù)據(jù)方面，美國海洋和大氣管理局原計劃在自己的衛(wèi)星出現(xiàn)覆蓋缺口時，依靠美國空軍的軍用極軌氣象衛(wèi)星和歐洲的極軌氣象衛(wèi)星保持觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)。然而，后兩者同樣面臨著嚴(yán)重的不確定性。美國國會已命令空軍取消“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃，目前上午軌道數(shù)據(jù)的收集仍不得不依靠20世紀(jì)90年代研制的“國防氣象衛(wèi)星計劃”衛(wèi)星，盡管“國防氣象衛(wèi)星計劃”系列衛(wèi)星中還有兩顆沒有發(fā)射，正常情況下，這兩顆衛(wèi)星將能工作至2026年，但老化的“國防氣象衛(wèi)星計劃”衛(wèi)星的可靠性值得懷疑。

與此同時，美國政府預(yù)算的大幅削減也對歐洲氣象衛(wèi)星組織的下一代“歐洲極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃造成了影響，美國海洋和大氣管理局已表示無法按計劃為“歐洲極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”提供3個遙感器。受此影響，“歐洲極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃的首顆衛(wèi)星可能無法按時發(fā)射，從而難以在預(yù)計壽命末期以前替換“氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系列的最后一顆衛(wèi)星。

4 結(jié)束語

美國下一代極軌氣象衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)歷了從軍民分開到合并，最終再次分開的過程，且軍用極軌衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展仍懸而未決。雖然，民用“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃已經(jīng)基本明確，但美國下一代極軌氣象衛(wèi)星計劃仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。