邢 強(qiáng)

美國(guó)的氣象衛(wèi)星的發(fā)展

邢 強(qiáng)

氣象衛(wèi)星的發(fā)展速度在所有應(yīng)用類衛(wèi)星中可謂名列前茅。如今的氣象衛(wèi)星擁有紫外、可見光、紅外和微波等多種工作頻段，可以在高軌的地球同步軌道和低軌的太陽(yáng)同步軌道上對(duì)地球遂行氣象觀測(cè)、成像探測(cè)等多種任務(wù)。作為最早發(fā)射氣象衛(wèi)星并且多次嘗試采用新型氣象衛(wèi)星工作方式的國(guó)家，美國(guó)對(duì)氣象衛(wèi)星的探索和發(fā)展已經(jīng)逐漸形成了自己的體系。

早期嘗試

1959年2月17日，美國(guó)在卡納維拉爾角發(fā)射了世界上第一顆氣象衛(wèi)星“先鋒2號(hào)”。這顆重10.8千克，直徑只有50.8厘米的衛(wèi)星被送入近地點(diǎn)560千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)2953千米、傾角為32.87°的軌道上。按照原設(shè)計(jì)，在電池用盡之前，星上的2組光學(xué)設(shè)備能夠?qū)Φ厍蜻M(jìn)行持續(xù)拍攝，以便獲取大氣中云層的情況。但事與愿違的是，“先鋒2號(hào)”入軌不久，就出現(xiàn)了自轉(zhuǎn)軸不穩(wěn)定的情況，還未傳回一幅有用的畫面就被宣布報(bào)廢，成為了一顆太空垃圾。該星至今仍在軌道上以121.54分鐘的周期繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。

1960年4月1日，也就是“先鋒2號(hào)”失敗后不到1年時(shí)間，美國(guó)宇航局用“雷神”火箭發(fā)射了一枚重新設(shè)計(jì)的氣象衛(wèi)星。該星運(yùn)行在近地點(diǎn)631千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)665千米的近圓軌道上。這顆名為TIROS-1 （TIROS的全稱為Television Infrared Observation Satellite，即：電視紅外觀測(cè)衛(wèi)星）的衛(wèi)星首次成功拍攝到了氣旋、多種云層等大氣物理現(xiàn)象。在可靠運(yùn)行的78天時(shí)間里，TIROS-1向地球上的控制中心傳回了22952張照片，為氣象衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，成為了世界上第一顆成功運(yùn)行的氣象衛(wèi)星。

兩種軌道

從1960年4月1日到1965年7月2日這5年時(shí)間里，美國(guó)陸續(xù)發(fā)射了10顆TIROS氣象衛(wèi)星，對(duì)多種傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。至此，有關(guān)衛(wèi)星拍攝圖像和傳輸信息的技術(shù)已經(jīng)掌握，接下來就要考慮軌道優(yōu)化的問題了。

氣象衛(wèi)星相當(dāng)于懸在頭頂?shù)囊恢桓Q視之眼。而一只眼睛要想看清事物，首先是要本身足夠健康，功能要完好；其次，觀看物體的角度和當(dāng)時(shí)的光照條件也是重要的影響因素。在發(fā)射了10顆試驗(yàn)性質(zhì)的衛(wèi)星之后，科研人員開始認(rèn)真考慮氣象衛(wèi)星的軌道優(yōu)化問題。

他們首先想到的，就是太陽(yáng)同步軌道。所謂太陽(yáng)同步軌道指的是衛(wèi)星的軌道平面和太陽(yáng)始終保持相對(duì)固定的取向，軌道的傾角（軌道平面與赤道平面的夾角）接近90度，衛(wèi)星在南北兩極上空附近通過。衛(wèi)星軌道每天向東進(jìn)動(dòng)0.9856°，這個(gè)角度恰好是地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)每天東移的角度。這樣，衛(wèi)星每天拍攝地面上同一個(gè)地點(diǎn)時(shí)，恰好都是同一個(gè)當(dāng)?shù)貢r(shí)刻。這樣的軌道保證了衛(wèi)星拍攝的圖像擁有同樣的可見光或者紅外光的光源條件。

1966年2月3日，太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星“艾薩”1號(hào)升空。該星軌道高度約1400千米，云圖分辨率為4000米。該星軌道設(shè)計(jì)合理，拍攝出的云圖較為清晰，大幅提升了氣象預(yù)報(bào)的精確度。因此，“艾薩”系列的9顆衛(wèi)星終于讓民眾接受了氣象衛(wèi)星這個(gè)概念，被很多人認(rèn)作是最早的實(shí)用型氣象衛(wèi)星。

進(jìn)入上世紀(jì)70年代，美國(guó)的太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星開始采用三軸穩(wěn)定技術(shù)，并且裝載了掃描輻射儀、高分辨率紅外探測(cè)器、平流層探測(cè)器等設(shè)備，成為了氣象預(yù)報(bào)部門的重要信息來源。

除拍攝時(shí)的光照條件穩(wěn)定外，太陽(yáng)同步軌道上的衛(wèi)星還有其他優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能帆板角度易于維持與太陽(yáng)相對(duì)較為優(yōu)化的角度，因此星上能源和星上的熱控制問題相對(duì)較易解決，這使得該軌道特別適合于在軌工作時(shí)間較長(zhǎng)的氣象衛(wèi)星。但是，這種軌道也有缺陷：一天只能飛臨同一地區(qū)上空2次，而且軌道高度較低，視野范圍較小。這就難以滿足對(duì)特定地區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)的要求。

1960年，TIROS-1氣象衛(wèi)星拍攝到的地球大氣的氣旋現(xiàn)象

于是，地球同步軌道氣象衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生。所謂地球同步軌道，就是軌道周期等于地球的自轉(zhuǎn)周期，且軌道上的衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致的軌道。當(dāng)氣象衛(wèi)星在傾角為0°，高度為35786千米的這條特殊軌道上運(yùn)行時(shí)，就像是一盞懸掛在赤道上空的燈籠，靜靜地守護(hù)著人們的安寧。

1975年，美國(guó)發(fā)射地球同步軌道氣象衛(wèi)星成功。其紅外與可見光自旋掃描成像設(shè)備能夠?qū)χ付ǖ攸c(diǎn)實(shí)施24小時(shí)不間斷成像監(jiān)測(cè)。到1978年，美國(guó)嘗試部署了3顆地球同步軌道氣象衛(wèi)星。該系列衛(wèi)星均被冠以GOSE的編號(hào)。上世紀(jì)90年代直到本世紀(jì)初，美國(guó)GOSE衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了全球組網(wǎng)觀測(cè)。

值得注意的是，這些GOSE衛(wèi)星雖然被稱作“靜止氣象衛(wèi)星”，但實(shí)際上它們是能夠移動(dòng)工作位置的。2006年，GOSE-11衛(wèi)星由西經(jīng)104°轉(zhuǎn)移到西經(jīng)135°，以便替代壽命將盡的GOSE-10衛(wèi)星。而GOSE-12衛(wèi)星在2001年至2003年在西經(jīng)90°上空，觀測(cè)太平洋西岸海面情況，到了2003年就移到了西經(jīng)75°的南美洲上空，在2010年，更是挪到了西經(jīng)60°的位置，以便更好地監(jiān)測(cè)亞馬遜流域上空的情況。

三大體系

如今，美國(guó)的太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星（又稱“極地氣象衛(wèi)星”）和地球同步軌道氣象衛(wèi)星（又稱“靜止氣象衛(wèi)星”）都已發(fā)展了4代，并已經(jīng)有了明確的新一代發(fā)展計(jì)劃。這些在軌的氣象衛(wèi)星整體上被劃分為三大體系。

前兩個(gè)體系為民用極軌氣象衛(wèi)星（POSE）和民用靜止氣象衛(wèi)星（GOSE），由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，簡(jiǎn)稱NOAA）來進(jìn)行管理。如今，NOAA的對(duì)大氣和海洋氣象的預(yù)報(bào)以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)已經(jīng)擴(kuò)張到了全球范圍。

第3個(gè)體系為軍用極軌氣象衛(wèi)星，正式名稱為國(guó)防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)，由美國(guó)國(guó)防部管理，歸口單位為美國(guó)空軍的空間和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心。美國(guó)運(yùn)營(yíng)著世界上唯一一個(gè)以軍事用途為主要目的的氣象衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。在1999年的科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，以美國(guó)為首的北約調(diào)用了10顆氣象衛(wèi)星來為風(fēng)云變幻的巴爾干半島上的軍隊(duì)提供24小時(shí)不間斷的天氣預(yù)報(bào)。而在使用高精度偵察衛(wèi)星對(duì)特定地區(qū)實(shí)施偵察攝像之前，通常需要調(diào)用氣象衛(wèi)星對(duì)該地區(qū)的云層情況和天氣情況進(jìn)行提前摸底，以便偵察衛(wèi)星能夠選擇在最佳的時(shí)機(jī)實(shí)施拍攝。