張定媛 高 浩（ 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院， 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心）

美國(guó)極軌氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷程和面臨的挑戰(zhàn)

張定媛1高 浩2（1 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，2 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心）

Development Course & Challenges of US Polar-orbiting Meteorological Satellites

據(jù)美國(guó)《每日航天》2015年4月27日?qǐng)?bào)道，美國(guó)鮑爾航空航天技術(shù)公司已將新一代極軌氣象衛(wèi)星上搭載的5個(gè)設(shè)備中的4個(gè)集成完畢，預(yù)計(jì)于2016年初開(kāi)展環(huán)境試驗(yàn)，以確保能在2016年底按時(shí)交付，在2017年第二季度之前發(fā)射升空。極軌氣象衛(wèi)星觀測(cè)是獲取全球范圍內(nèi)地球物理參數(shù)的重要手段。1960年，美國(guó)把世界上第一顆氣象衛(wèi)星送入太空，開(kāi)辟了以太空為觀測(cè)平臺(tái)獲取地球大氣信息的新紀(jì)元。50多年來(lái)，美國(guó)極軌氣象衛(wèi)星經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段，在此，對(duì)其不同階段的進(jìn)展、特點(diǎn)和變化進(jìn)行了回顧和總結(jié)，探討了極軌氣象衛(wèi)星在發(fā)展和應(yīng)用上所面臨的挑戰(zhàn)。

“國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃”衛(wèi)星在軌飛行示意圖

1 引言

氣象衛(wèi)星一般運(yùn)行于極軌或地球靜止軌道。與地球靜止軌道衛(wèi)星和地球保持一個(gè)相對(duì)固定的位置原理不同的是，極軌氣象衛(wèi)星在高度為800～1000km的上空不斷地環(huán)繞著接近南北兩極的軌道運(yùn)動(dòng)，獲取大范圍、多品種、高精度和較高空間分辨率的資料，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候診斷和預(yù)測(cè)、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)等提供有效的全球觀測(cè)數(shù)據(jù)。50多年來(lái)，美國(guó)極軌氣象衛(wèi)星經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段，更新?lián)Q代了4次，科技的進(jìn)步促進(jìn)了美國(guó)在極軌氣象衛(wèi)星研制和地面業(yè)務(wù)應(yīng)用方面的不斷進(jìn)步和發(fā)展。

多年來(lái)，美國(guó)一直運(yùn)行著2個(gè)獨(dú)立的極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)：由美國(guó)海洋和大氣管理局（NOAA）管理的“極軌環(huán)境衛(wèi)星”（POES）系列和由美國(guó)空軍管理的“國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃”（DMSP）。之后，美國(guó)的極軌氣象衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃經(jīng)歷了將民用“極軌環(huán)境衛(wèi)星”系列和軍用“國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃”整合為軍民共用的“國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”（NPOESS）,將“國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”重組為軍用“國(guó)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）,將“國(guó)防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”計(jì)劃取消并僅維持民用“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”項(xiàng)目直至《軍用氣象衛(wèi)星現(xiàn)代化可選方案》出臺(tái)的復(fù)雜歷程。

目前，軍用“國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃”衛(wèi)星有6顆在軌，民用“諾阿”（NOAA）衛(wèi)星有3顆在軌。美國(guó)當(dāng)前的業(yè)務(wù)極軌衛(wèi)星配置是：“國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃”覆蓋清晨軌道；歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）的“氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星”（Metop）覆蓋上午中段軌道；美國(guó)海洋和大氣管理局的“索米國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”（S-NPP）衛(wèi)星覆蓋下午軌道。除業(yè)務(wù)衛(wèi)星外，美國(guó)海洋和大氣管理局、美國(guó)空軍和歐洲氣象衛(wèi)星組織依然維持一些老舊衛(wèi)星繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，作為業(yè)務(wù)衛(wèi)星的備份，以避免其失效或故障帶來(lái)的影響。

世界第一顆氣象衛(wèi)星—泰羅斯－1模型

2 美國(guó)極軌氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷程

氣象衛(wèi)星的歷史可追溯到1958年。當(dāng)時(shí)，美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)用于氣象相關(guān)的航天器，該航天器被命名為“電視紅外觀測(cè)衛(wèi)星”（TIROS，簡(jiǎn)稱(chēng)“泰羅斯”）。1959年美國(guó)航空航天局（NASA）接管該項(xiàng)目。自1960年以來(lái)，美國(guó)的極軌氣象衛(wèi)星共分為5個(gè)不同的發(fā)展階段。

1960-1965年的“泰羅斯”系列

1960年4月1日，第一顆試驗(yàn)性氣象衛(wèi)星泰羅斯－1在美國(guó)佛羅里達(dá)發(fā)射成功，衛(wèi)星為預(yù)報(bào)員提供了第一張?jiān)茍D，展示了云的發(fā)展和移動(dòng)過(guò)程，從此開(kāi)啟了一個(gè)更準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣的時(shí)代?！疤┝_斯”的開(kāi)發(fā)由美國(guó)航空航天局負(fù)責(zé)，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的前身環(huán)境科學(xué)管理局（ESSA）負(fù)責(zé)“泰羅斯”的管理。

其余的“泰羅斯”研究衛(wèi)星在接下來(lái)幾年陸續(xù)發(fā)射，用于測(cè)試新的光學(xué)鏡片和傳輸技術(shù)。例如，泰羅斯－8用于測(cè)試一個(gè)圖像自動(dòng)傳輸系統(tǒng)，可以直接將圖片傳送到地面接收站。1965年發(fā)射的泰羅斯－9，首次獲取了地球整個(gè)白天日照部分的完整覆蓋圖。

1965年7月2日，第一顆臨時(shí)業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星泰羅斯－10發(fā)射。同年，雨云－1（Nimbus－1）衛(wèi)星搭載紅外傳感器，從太空捕獲了第一張夜間圖像。泰羅斯－10和雨云－1證明了攜帶不同儀器和不同環(huán)繞地球軌道的氣象監(jiān)測(cè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可行性。這些早期系統(tǒng)引發(fā)了更復(fù)雜的氣象觀測(cè)衛(wèi)星的發(fā)展。1960年4月1日－1965年7月2日，共有10顆“泰羅斯”衛(wèi)星相繼發(fā)射，這些衛(wèi)星確保了早年間數(shù)據(jù)的連續(xù)性。這一階段為試驗(yàn)試用階段，開(kāi)展了一系列的關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)，包括電視相機(jī)、高級(jí)電視相機(jī)系統(tǒng)、紅外掃描儀、輻射收支儀和輻射計(jì)等，為下一階段的衛(wèi)星研制發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ)。

1966-1969年的“環(huán)境科學(xué)管理局”系列

隨著環(huán)境科學(xué)管理局－1、2衛(wèi)星的發(fā)射，世界上第一個(gè)業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星系統(tǒng)于1966年得以實(shí)現(xiàn)?！碍h(huán)境科學(xué)管理局”項(xiàng)目的啟動(dòng)是作為“泰羅斯”項(xiàng)目的延伸和補(bǔ)充，為美國(guó)國(guó)家氣象中心提供云層攝影。大約4年間，“環(huán)境科學(xué)管理局”衛(wèi)星向地球傳輸了數(shù)千張圖像，使得對(duì)天氣類(lèi)型包括颶風(fēng)的預(yù)測(cè)能夠進(jìn)行。1966年2月3日－1969年2月26日，共有9顆“環(huán)境科學(xué)管理局”系列極軌衛(wèi)星發(fā)射。其中，奇數(shù)號(hào)的衛(wèi)星攜帶高級(jí)光導(dǎo)攝像系統(tǒng)，將資料發(fā)送到指令站；偶數(shù)號(hào)衛(wèi)星攜帶自動(dòng)圖像發(fā)送器，可向全球發(fā)送衛(wèi)星資料。這一時(shí)期為成像儀器業(yè)務(wù)定性應(yīng)用階段，成像儀器資料廣泛應(yīng)用于天氣分析預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，逐步形成了以云解析為基礎(chǔ)的定性衛(wèi)星氣象學(xué)。與此同時(shí)，成像類(lèi)掃描輻射計(jì)和大氣探測(cè)儀器也開(kāi)始研究和發(fā)展。

1970-1976年的“改進(jìn)的‘泰羅斯’業(yè)務(wù)統(tǒng)”/“諾阿”系列

1970年1月23日，“改進(jìn)的‘泰羅斯’業(yè)務(wù)系統(tǒng)”（ITOS）系列第一顆衛(wèi)星成功發(fā)射，被命名為改進(jìn)的“泰羅斯”業(yè)務(wù)系統(tǒng)－1。之后，該系列衛(wèi)星改名為“諾阿”。1970年12月11日－1976年7月29日，諾阿－1～5系列衛(wèi)星發(fā)射。諾阿－1是美國(guó)海洋和大氣管理局于1970年10月成立后發(fā)射的并以其名稱(chēng)命名的首顆衛(wèi)星。

這一階段為業(yè)務(wù)初級(jí)階段，與“環(huán)境科學(xué)管理局”業(yè)務(wù)衛(wèi)星相比，這一代衛(wèi)星有了很大的改進(jìn)。“改進(jìn)的‘泰羅斯’業(yè)務(wù)系統(tǒng)”/“諾阿”采用三軸定向穩(wěn)定姿態(tài)，使儀器能夠連續(xù)地對(duì)地面觀測(cè)并獲取充分的太陽(yáng)能。衛(wèi)星裝載的成像儀器甚高分辨率掃描輻射儀（VHRR）和兩通道掃描輻射儀（SR），提高了觀測(cè)分辨率，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光和紅外兩通道晝夜云圖；大氣溫度廓線儀器（VTPR）由試驗(yàn)轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)應(yīng)用。與此同時(shí)，開(kāi)展了紅外和微波關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)，增加了濕度探測(cè)和微波探測(cè)儀器，為之后多波段全天候遙感積累了重要的經(jīng)驗(yàn)。

改進(jìn)的“泰羅斯”業(yè)務(wù)系統(tǒng)－1在軌飛行示意圖

1978-2009年的泰羅斯－N /“諾阿”系列

1973年，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局奉命將美國(guó)空軍“國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃”的Block 5D航天器設(shè)計(jì)應(yīng)用于下一代的極軌衛(wèi)星系列。1978年10月13日，該系列的第一顆衛(wèi)星泰羅斯－N成功發(fā)射，N表示新一代的業(yè)務(wù)衛(wèi)星。泰羅斯－N搭載了4光譜通道的先進(jìn)甚高分辨率掃描輻射計(jì)（AVHRR），能夠提供晝夜的可見(jiàn)光和紅外數(shù)據(jù)。之后的衛(wèi)星仍以“諾阿”命名，諾阿－6、7相繼發(fā)射。1983年3月28日，第一顆改進(jìn)的泰羅斯－N系列衛(wèi)星發(fā)射，命名為諾阿－8。改進(jìn)后的衛(wèi)星體積變大，能源充足，能夠攜帶更多設(shè)備。與上一代相比，這一代衛(wèi)星的觀測(cè)次數(shù)、觀測(cè)通道和觀測(cè)資料內(nèi)容均有所增加。

1994年12月30日，諾阿－14成功發(fā)射，由此步入了氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)穩(wěn)定階段。該階段衛(wèi)星攜帶的先進(jìn)甚高分辨率掃描輻射計(jì)和大氣業(yè)務(wù)垂直探測(cè)儀（TOVS）等對(duì)地遙感觀測(cè)儀器，可以提供日常業(yè)務(wù)所需的全球氣象和環(huán)境資料，同時(shí)具有從地面觀測(cè)平臺(tái)收集資料和進(jìn)行太陽(yáng)質(zhì)子、電子等監(jiān)測(cè)的能力。先進(jìn)甚高分辨率掃描輻射計(jì)具備定量探測(cè)海面和地表溫度的業(yè)務(wù)能力；大氣業(yè)務(wù)垂直探測(cè)儀中的高光譜分辨率紅外輻射探測(cè)儀（HIRS）能夠獲取地面及各氣壓層大氣溫度和濕度分布；平流層探測(cè)儀（SSU）能獲取平流層溫度信息；微波溫度儀（MSU）能探測(cè)大氣溫度的垂直分布。微波儀器雖然實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)應(yīng)用，但受波段影響，其對(duì)大氣的探測(cè)貢獻(xiàn)仍然有限。此外，還增加了臭氧儀器（SBUV）和地氣系統(tǒng)輻射收支（ERBE）測(cè)量?jī)x器。

1998年5月13日，諾阿－15成功發(fā)射，由此美國(guó)的極軌氣象衛(wèi)星進(jìn)入了穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期。諾阿－15裝有先進(jìn)微波探測(cè)儀－A1、A2、B（AMSU－A1、A2、B），是配備專(zhuān)用微波儀器套裝系列衛(wèi)星的第一顆。該微波探測(cè)儀A機(jī)用于探測(cè)大氣溫度垂直分布，B機(jī)用于探測(cè)大氣濕度垂直分布，它們提供了全天候大氣廓線反演能力。此外，先進(jìn)甚高分辨率掃描輻射計(jì)白天新增了1.6μm觀測(cè)通道，提高了云雪區(qū)分能力。1998－2009年，諾阿－15～19相繼成功發(fā)射。到目前為止，泰羅斯－N/“諾阿”系列共有15顆衛(wèi)星發(fā)射成功。

諾阿－19在軌飛行示意圖

“索米國(guó)家極軌環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”衛(wèi)星在軌飛行示意圖

2011年至今的“索米國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”/“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”系列

2010年，美國(guó)“國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”重新重組并分割為民用和軍用項(xiàng)目后，民用項(xiàng)目由美國(guó)海洋和大氣管理局委托美國(guó)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)”。“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”是美國(guó)的下一代極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)，代表了環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中重要的科技進(jìn)步，將有助于推進(jìn)氣象、氣候、環(huán)境和海洋科學(xué)的發(fā)展。

2011年10月28日，“國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”（NPP）衛(wèi)星發(fā)射成功。2012年1月24日，為了紀(jì)念已故的衛(wèi)星氣象學(xué)之父Verner E. Suomi，該衛(wèi)星被命名為“索米”（Suomi），即“索米國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”，它是“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”計(jì)劃下的第一顆衛(wèi)星，被認(rèn)為是連接美國(guó)海洋和大氣管理局在役極軌衛(wèi)星系列和美國(guó)航空航天局地球觀測(cè)任務(wù)以及“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”衛(wèi)星系列之間的橋梁。衛(wèi)星上裝載了5個(gè)世界領(lǐng)先的有效載荷，包括先進(jìn)技術(shù)微波探測(cè)器（ATMS）、可見(jiàn)光/紅外成像輻射計(jì)（VIIRS）、跨軌掃描紅外大氣探測(cè)器（CrIS）、臭氧成像和廓線儀（OMPS），以及云和地球輻射能量系統(tǒng)飛行模式5（CERES FM5）。上述遙感探測(cè)器使其具備了獲取多通道圖像、全天候氣象要素三維分布、氣溶膠和云的微物理特性、大氣成分和地球大氣輻射收支平衡等地球物理參數(shù)的能力，可以監(jiān)測(cè)臭氧變化、陸地和海洋生物生產(chǎn)率、探測(cè)大氣溫度和濕度、繪制云圖以及測(cè)量海洋表面溫度。

基于“索米國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”的成功，美國(guó)海洋和大氣管理局以及美國(guó)航空航天局正按照預(yù)算和計(jì)劃建造第2顆“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”系列衛(wèi)星，名為聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1，預(yù)計(jì)于2017年初發(fā)射。除星上通信設(shè)備外，它與“索米國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”衛(wèi)星基本相同?！奥?lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”系列計(jì)劃將發(fā)射3顆衛(wèi)星，聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－2預(yù)計(jì)于2021年發(fā)射。目前，美國(guó)海洋和大氣管理局負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的管理和運(yùn)行，美國(guó)航空航天局負(fù)責(zé)衛(wèi)星的開(kāi)發(fā)和制造。

聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)－1在軌飛行示意圖

3 面臨的挑戰(zhàn)

2010年，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)和技術(shù)政策辦公室宣布解散，由美國(guó)空軍、美國(guó)海洋和大氣管理局、美國(guó)航空航天局三家參與“國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”項(xiàng)目，美國(guó)海洋和大氣管理局在美國(guó)航空航天局的協(xié)助下開(kāi)始發(fā)展自己新的衛(wèi)星項(xiàng)目。美國(guó)政府問(wèn)責(zé)辦公室的報(bào)告指出，由于舊的項(xiàng)目中止與新項(xiàng)目開(kāi)始之間的時(shí)間延遲，在下一代衛(wèi)星發(fā)射和業(yè)務(wù)化運(yùn)行之前，衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能會(huì)存在一個(gè)缺口，極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的連續(xù)性面臨著危機(jī)。目前，美國(guó)的極軌衛(wèi)星監(jiān)測(cè)網(wǎng)由美國(guó)國(guó)防部、歐洲、美國(guó)海洋和大氣管理局的衛(wèi)星分別覆蓋清晨、上午和下午的極地軌道，但是這個(gè)系統(tǒng)正變得越來(lái)越不可靠。極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在上午或下午極地軌道上的缺口將導(dǎo)致天氣預(yù)報(bào)精確性和實(shí)效性的降低，包括颶風(fēng)、風(fēng)暴潮和洪水等極端事件的提前預(yù)警也會(huì)因此受到影響。不同情況下，下午的極地軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)缺口時(shí)間跨度有可能從17個(gè)月到3年甚至更多。

美國(guó)海洋和大氣管理局正在為盡快推出下一代極軌環(huán)境衛(wèi)星做出努力。然而，“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”項(xiàng)目正面臨風(fēng)險(xiǎn)，它還未按預(yù)定的日期完成發(fā)射以減小數(shù)據(jù)缺口。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將數(shù)據(jù)缺口的時(shí)間跨度縮短到3個(gè)月，但是這一估計(jì)是基于不一致和未經(jīng)證實(shí)的假設(shè)，并且沒(méi)有考慮到空間碎片會(huì)對(duì)“索米國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”的預(yù)期壽命造成影響的風(fēng)險(xiǎn)。此外，氣象衛(wèi)星設(shè)計(jì)使用壽命不足，運(yùn)行過(guò)程中可能與其他衛(wèi)星、碎片或隕星的碰撞，現(xiàn)代化機(jī)器對(duì)部分歷史資料讀取困難以及資料的保存問(wèn)題，也是氣象衛(wèi)星發(fā)展中所面臨的難題。

縱觀美國(guó)極軌氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷程，由于極軌衛(wèi)星重復(fù)觀測(cè)周期較長(zhǎng)，耗資巨大，所以多國(guó)在極軌衛(wèi)星業(yè)務(wù)上的合作是未來(lái)的重要發(fā)展方向，避免重復(fù)建設(shè)，做到資源共享。未來(lái)需要開(kāi)展極軌氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)的國(guó)際合作，形成多顆衛(wèi)星的觀測(cè)網(wǎng)，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率，以滿(mǎn)足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候變化監(jiān)測(cè)、環(huán)境和自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面對(duì)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求。