● 文 |北京空間科技信息研究所 宋晶晶

美國商業(yè)衛(wèi)星氣象服務(wù)發(fā)展初探

● 文 |北京空間科技信息研究所 宋晶晶

近幾年，商業(yè)天基服務(wù)領(lǐng)域正在發(fā)生快速變化，產(chǎn)生了一些建造、發(fā)射和運營衛(wèi)星的新技術(shù)和商業(yè)途徑，并將衛(wèi)星能力作為一種服務(wù)進(jìn)行商業(yè)銷售。作為全球商業(yè)衛(wèi)星氣象服務(wù)市場的領(lǐng)軍者，美國在該領(lǐng)域表現(xiàn)尤為活躍，商業(yè)氣象數(shù)據(jù)政策不斷出臺，新興的商業(yè)氣象數(shù)據(jù)服務(wù)公司迅速發(fā)展，美國將通過對氣象數(shù)據(jù)供應(yīng)新型業(yè)務(wù)模式的不斷探索，來彌補(bǔ)政府機(jī)構(gòu)現(xiàn)有能力的不足，從而確保國家天氣預(yù)測和預(yù)警服務(wù)能力不斷提升。

一、美國傳統(tǒng)氣象衛(wèi)星系統(tǒng)及運行管理概況

美國的氣象衛(wèi)星系統(tǒng)由極軌氣象衛(wèi)星和靜止軌道氣象衛(wèi)星組成，衛(wèi)星觀測系統(tǒng)穩(wěn)定，是全球氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的主要組成部分，采用軍民獨立研制、協(xié)同應(yīng)用的發(fā)展方式，來滿足軍民領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

目前美國極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)由民用“諾阿”（NOAA）系列、“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星預(yù)備項目”（Suomi NPP）衛(wèi)星和國防部運營的軍用“國防氣象衛(wèi)星計劃”（DMSP）系列組成，分布在3個太陽同步軌道面，可以獲取多個時段的全球氣象數(shù)據(jù)。靜止軌道氣象衛(wèi)星系統(tǒng)為民用“地球靜止軌道環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”（GOES）系列，定點在美國東、西海岸上空，衛(wèi)星數(shù)據(jù)同時也為軍方所用。

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）負(fù)責(zé)美國民用極軌和靜止軌道氣象衛(wèi)星，其下屬的國家環(huán)境衛(wèi)星、數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心（NESDIS）建立并維護(hù)著規(guī)模龐大的氣象數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)開展氣象學(xué)、氣候?qū)W和海洋環(huán)境應(yīng)用研究。

NOAA成立了衛(wèi)星產(chǎn)品與運行辦公室（OSPO）負(fù)責(zé)收集、處理和分發(fā)環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)與衍生產(chǎn)品，應(yīng)用范圍包括地球氣候、大氣、海洋、陸地和臨近空間領(lǐng)域，使用對象為國內(nèi)和國外用戶。OSPO還負(fù)責(zé)管理中央地面設(shè)施的運行，包括獲取、處理和分發(fā)環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)與衍生產(chǎn)品，確保持續(xù)與穩(wěn)定的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。

二、氣象衛(wèi)星發(fā)展政策的改變

早在1984年和1992年的法案中，美國就明確提出禁止氣象衛(wèi)星商業(yè)化。1992年的法案中提到，無論是美國總統(tǒng)，還是任何政府官員，都不得將氣象衛(wèi)星系統(tǒng)租賃、出售或轉(zhuǎn)讓給私營部門，或使其商業(yè)化。全球氣象衛(wèi)星基本上都應(yīng)用于公益事業(yè)。

近年來，全球商業(yè)航天領(lǐng)域正在發(fā)生快速變化，2013年美國眾議院通過的《2013年氣象預(yù)報改進(jìn)法案》，初步為應(yīng)用商業(yè)氣象數(shù)據(jù)掃清了法律障礙。該法案對美國當(dāng)前禁止將由納稅人資助的氣象衛(wèi)星私有化的法律進(jìn)行了修正，明確提出允許NOAA采購商業(yè)數(shù)據(jù)，或在商業(yè)衛(wèi)星上搭載政府氣象有效載荷，或在政府衛(wèi)星上搭載商業(yè)氣象有效載荷。

2015年9月1日，NOAA發(fā)布了《商業(yè)航天草案》，希望從能夠提供滿足政府?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)運營衛(wèi)星和儀器方采購氣象數(shù)據(jù)，以規(guī)范商業(yè)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用。根據(jù)該草案，首先由NOAA國家氣象服務(wù)中心確定可出售數(shù)據(jù)的類型，然后由NOAA衛(wèi)星和信息服務(wù)中心判斷現(xiàn)有的或規(guī)劃的商業(yè)系統(tǒng)是否能滿足需求。NOAA還將發(fā)布應(yīng)用商業(yè)氣象數(shù)據(jù)的流程指南和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，該指南將按照《商業(yè)航天草案》，通過空間商業(yè)化辦公室這個接口，明確NOAA和有意向的商業(yè)氣象公司之間的合作規(guī)則。

2016年以來，美國更加緊密出臺商業(yè)氣象數(shù)據(jù)政策，使商業(yè)衛(wèi)星氣象服務(wù)有了實質(zhì)性的發(fā)展。2016年1月，NOAA正式發(fā)布名為《商業(yè)航天政策》的機(jī)構(gòu)指導(dǎo)方針，該政策重點關(guān)注天基觀測數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)采購以及其他共計4類商業(yè)航天活動制定了6條指導(dǎo)原則；圍繞7個方面落實利用商業(yè)航天的具體措施；建立了NOAA利用商業(yè)航天的管理架構(gòu)，規(guī)定了商務(wù)部海洋與大氣副部長、NOAA商業(yè)航天辦公室、NESDIS等12個職務(wù)與部門在政策實施中的具體分工與職責(zé)范圍。《商業(yè)航天政策》的發(fā)布為NOAA建立了一個頂層的商業(yè)天基方案框架，使其能充分利用當(dāng)前不斷發(fā)展的商業(yè)氣象衛(wèi)星及商業(yè)氣象載荷能力。

三、美國新興的商業(yè)衛(wèi)星氣象服務(wù)企業(yè)發(fā)展情況

由于美國政府部門在更新其日漸老化的氣象衛(wèi)星星座時面臨諸多困難，從而為商業(yè)供應(yīng)商提供了銷售天基遙感儀器氣象數(shù)據(jù)的機(jī)會。美國空軍開發(fā)了一個長期的氣象衛(wèi)星戰(zhàn)略，因此正在考慮使用商業(yè)氣象數(shù)據(jù)服務(wù)來覆蓋預(yù)報能力上的缺口。

2015年12月底，空軍在聯(lián)邦商業(yè)機(jī)會網(wǎng)站上發(fā)布信息征詢書，希望制定一份能夠闡述氣象行業(yè)“利用現(xiàn)有在軌以及未來規(guī)劃的氣象衛(wèi)星，通過商業(yè)服務(wù)提供氣象數(shù)據(jù)的長期利益”的白皮書。這份征詢書顯然是對于利用現(xiàn)有商業(yè)數(shù)據(jù)滿足需求進(jìn)行服務(wù)的首次嘗試。一些國會議員，如眾議員吉姆·布萊登斯已經(jīng)建議由聯(lián)邦機(jī)構(gòu)采購商業(yè)氣象數(shù)據(jù)，而不是由政府機(jī)構(gòu)，如國防部或NOAA開發(fā)自身的系統(tǒng)。

在這樣的背景下，數(shù)個衛(wèi)星初創(chuàng)公司都表示他們有興趣向NOAA銷售數(shù)據(jù)，以獲取期望的商業(yè)利潤，如斯派爾公司（Spire）、行星智能公司（PlanetiQ）和地理光學(xué)公司（GeoOptics）等新興公司都已經(jīng)宣布了商用氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展計劃，將部署十幾個星座、上百顆小衛(wèi)星來采集GPS無線電掩星數(shù)據(jù)。但由于NOAA堅持認(rèn)為美國有義務(wù)免費共享全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)，盡管有志于商業(yè)氣象的公司應(yīng)該樂于對國家氣象服務(wù)中心用于創(chuàng)建日常天氣預(yù)報的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，但如果到時候政府免費共享數(shù)據(jù)，商業(yè)氣象衛(wèi)星公司則可能因此存在顧慮而不愿意同其進(jìn)行業(yè)務(wù)往來，這將會對商業(yè)衛(wèi)星氣象服務(wù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展造成影響。

1. Spire公司

2015年9月28日，以“衛(wèi)星數(shù)據(jù)公司”自稱的美國Spire公司發(fā)射了由4顆狐猴-2（Lemur-2，見圖1）衛(wèi)星組成的商業(yè)氣象小衛(wèi)星星座。2016年3月23日和10月17日，又分別發(fā)射了9顆和4顆Lemur-2衛(wèi)星，其中1顆釋放失敗。Spire公司將利用該星座為政府和商業(yè)用戶采集氣象數(shù)據(jù)，從銷售數(shù)據(jù)起步，后續(xù)逐步發(fā)展基于氣象數(shù)據(jù)的增值服務(wù)，以響應(yīng)不同用戶的定制化需求。

Lemur-2衛(wèi)星基于3U立方體衛(wèi)星設(shè)計，使衛(wèi)星比其他公司規(guī)劃的衛(wèi)星更加小型化、輕量化。該星座采用GPS無線電掩星技術(shù)獲取氣象數(shù)據(jù)，將獲取的大氣層溫度、壓力和濕度垂直分布數(shù)據(jù)輸入氣象預(yù)測模型來實現(xiàn)氣象預(yù)測。Spire公司計劃在未來兩年半時間里將星座規(guī)模擴(kuò)展至100顆以上。屆時，Spire公司會繼續(xù)用更先進(jìn)的衛(wèi)星更新星座，每隔6個月替換掉現(xiàn)役衛(wèi)星的1/4，以保持技術(shù)更新和全星座的運行能力。此外，Spire公司已經(jīng)與美國及其他國家的政府和商業(yè)用戶簽訂了一系列合同，并正在研發(fā)由20個地面站組成的地面網(wǎng)絡(luò)，用于接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2. PlanetiQ公司

總部位于美國馬里蘭州的PlanetiQ公司在2015年2月宣布了發(fā)射其首個商業(yè)氣象小衛(wèi)星星座的計劃，該星座由18顆部署在低地球軌道的小衛(wèi)星組成，將成為全球首個專用于氣象、氣候和空間天氣觀測的星座。2015年12月，PlanetiQ公司與印度空間研究組織（ISRO）簽署合同，首批2顆衛(wèi)星將作為次級載荷搭載于印度的“極軌衛(wèi)星運載火箭”（PSLV）發(fā)射升空，至2017年發(fā)射完12顆星，其余6顆將在2019年前發(fā)射。

PlanetiQ公司選擇藍(lán)色峽谷技術(shù)公司（Blue Canyon Technologies LCC）作為合作伙伴，負(fù)責(zé)建造該星座。如圖2所示，每顆衛(wèi)星將搭載一個第四代無線電掩星探測儀Pyxis-RO，接收來自4個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)——GPS、GLONASS、Galileo和北斗的信號。屆時有12顆在軌衛(wèi)星的PlanetiQ星座每天將進(jìn)行約34000次掩星探測，可為用戶提供八百萬個近實時觀測數(shù)據(jù)，平均傳輸時間為3min，這些高密度采樣的觀測數(shù)據(jù)均勻分布于全球的陸地和水域。每次掩星探測將以小于200m的間隔從地球表面到電離層進(jìn)行測量，可提供具有極高垂直分辨率的大氣垂直分布圖，這對于極端天氣事件和空間天氣預(yù)測十分重要，將極大提高天氣預(yù)測能力。

3. GeoOptics公司

美國衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)服務(wù)公司GeoOptics在2015年宣布發(fā)展一個小衛(wèi)星星座，該星座名為“連續(xù)地球遙感觀測一致性倡議”（CICERO），由24顆單星質(zhì)量低于100kg的微小衛(wèi)星構(gòu)成，星上搭載全球?qū)Ш较到y(tǒng)無線電掩星探測儀，接收來自GPS和Galileo兩個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的信號。該星座由GeoOptics公司和美國大氣與環(huán)境研究公司（AER）合作開發(fā)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括高精度大氣壓力、溫度和濕度的垂直分布，電離層電子的3D分布圖，以及大量海洋和冰特性數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

四、美國新型的商業(yè)衛(wèi)星氣象服務(wù)案例

近期頻繁出臺的各項政策為氣象數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)展帶來了機(jī)遇，其中有兩個當(dāng)前受到重點關(guān)注的氣象數(shù)據(jù)服務(wù)案例——太陽風(fēng)暴數(shù)據(jù)服務(wù)和GPS無線電掩星數(shù)據(jù)服務(wù)。

1. 太陽風(fēng)暴數(shù)據(jù)服務(wù)

2015年10月30日，由于對衛(wèi)星導(dǎo)航和通信系統(tǒng)、電網(wǎng)以及在遇到強(qiáng)太陽風(fēng)暴時會產(chǎn)生地磁流的其他系統(tǒng)的擔(dān)憂日益加劇，白宮發(fā)布了《國家空間天氣行動計劃》，作為新發(fā)布的《國家空間天氣戰(zhàn)略》的發(fā)展路線圖。該計劃要求空間天氣領(lǐng)域的各政府機(jī)構(gòu)，包括NOAA、NASA、美國空軍和國家科學(xué)基金會等，設(shè)計采集空間天氣數(shù)據(jù)的方法，并對其他政府機(jī)構(gòu)進(jìn)行培訓(xùn)，以及在制定未來的長期觀測計劃中考慮使用商業(yè)數(shù)據(jù)?！秶铱臻g天氣行動計劃》已于2015年經(jīng)奧巴馬總統(tǒng)批準(zhǔn)后開始施行，預(yù)計于2018年10月完成。

2016年4月27日，白宮發(fā)布了《空間天氣研究和預(yù)測法案》，旨在將不同政府機(jī)構(gòu)在預(yù)測和研究空間天氣、電網(wǎng)以及其他重要基礎(chǔ)設(shè)施抗地磁風(fēng)暴安全性的活動中所負(fù)的職責(zé)立法。該法案指示NOAA針對現(xiàn)有提供數(shù)據(jù)的衛(wèi)星開發(fā)失效時的備用計劃，特別是發(fā)射于1995年的“太陽與日光層觀測”（SOHO）衛(wèi)星（見圖3）。政府機(jī)構(gòu)還將開發(fā)下一代空間天氣儀器的研制計劃，可能會作為主載荷或搭載小衛(wèi)星飛行，所需要的數(shù)據(jù)可以從商業(yè)公司以及全世界范圍內(nèi)獲取。該法案還對更好地了解太陽風(fēng)暴的強(qiáng)度和頻率設(shè)定了基準(zhǔn)，要求美國國土安全部對重要基礎(chǔ)設(shè)施抗太陽風(fēng)暴的能力進(jìn)行研究。

上述政策對于商業(yè)公司來說存在發(fā)展機(jī)遇之一是與NOAA合作研制一顆衛(wèi)星，用以替換運行了近20年的SOHO衛(wèi)星。該衛(wèi)星定位于第一拉格朗日點，即L1點是一個介于地球和太陽之間，在引力作用下保持穩(wěn)定的點，極其適用于進(jìn)行空間天氣觀測。

NOAA對商業(yè)空間天氣數(shù)據(jù)的采購情況已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)年的調(diào)查研究。2008年，NOAA花費20萬美元對5個公司進(jìn)行了商業(yè)空間天氣應(yīng)用可行性研究：包括銥星通信公司（Iridium Communications）、 空 間 服 務(wù) 公 司（Space Services Inc.）、軌道通信公司（Orbcomm）、微衛(wèi)星系統(tǒng)公司（Microsat Systems）和GeoOptics公司。

NOAA最近一次在空間天氣領(lǐng)域給工業(yè)界的倡議是在2014年，發(fā)布了利用L1軌道衛(wèi)星采集太陽風(fēng)暴數(shù)據(jù)的要求。按照《國家空間天氣行動計劃》，到2017年年底，NOAA與美國空軍和NASA協(xié)商后，必須向白宮提交關(guān)于發(fā)展下一代L1軌道衛(wèi)星替代這顆美歐合作的SOHO衛(wèi)星的報告。新衛(wèi)星將要搭載的主載荷是日冕觀測儀，用于觀測太陽外圈。該衛(wèi)星上還將搭載其他空間天氣載荷，例如能直接采樣太陽風(fēng)暴粒子的儀器。作為SOHO衛(wèi)星替換計劃的一部分，管理部門特別指示NOAA要考慮商業(yè)解決方案和國際合作。

2. GPS無線電掩星數(shù)據(jù)服務(wù)

2016年4月10日，NOAA發(fā)布了首個“商業(yè)氣象數(shù)據(jù)試點”（CWDP）計劃，美國國防部將從商業(yè)公司采購氣象試驗數(shù)據(jù)，美國國防部長在一年期限終止時向國會提交商業(yè)數(shù)據(jù)的評估報告。NOAA將依據(jù)CWDP計劃的評估結(jié)果制定目前由NESDIS進(jìn)行的下一代衛(wèi)星觀測計劃。

NOAA對商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)是否能夠提供可用于天氣預(yù)報的數(shù)據(jù)，特別是對GPS無線電掩星系統(tǒng)將增加還是取代現(xiàn)有數(shù)據(jù)來源一直表示懷疑。盡管很多公司聲稱有若干在軌硬件，但尚未有任何一家能夠證明其所提供的數(shù)據(jù)達(dá)到了能夠加入國家氣象服務(wù)的水平。通過CWDP計劃可確保用來替代的數(shù)據(jù)能夠具有與之前數(shù)據(jù)相同或更優(yōu)質(zhì)的價值。

NOAA根據(jù)去年收集到的官方信息認(rèn)為，GPS無線電掩星數(shù)據(jù)是最適用于該數(shù)據(jù)試驗計劃的類型。在向所有潛在商業(yè)提供商征詢該類數(shù)據(jù)后，2016年9月，NOAA將CWDP計劃的最初兩個合同分別授予了GeoOptics公司和Spire公司。按照合同，這兩家公司將于2017年4月向NOAA提供GPS無線電掩星數(shù)據(jù)，NOAA將在2017年接下來的時間內(nèi)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，并最終于2018年初完成對該類數(shù)據(jù)有效性的評估報告。

NOAA目前使用 “氣象、電離層和氣候星座觀測系統(tǒng)”（COSMIC）（見圖4）的GPS無線電掩星數(shù)據(jù)，對其它氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。目前正在研制一個名為氣象、電離層和氣候星座觀測系統(tǒng)-2（COSMIC-2）的后續(xù)系統(tǒng)，COSMIC-2將攜帶由美國空軍開發(fā)的空間天氣載荷。該項目由于美國國會的資金問題而前景未定。按照計劃，12顆COSMIC-2衛(wèi)星應(yīng)于2018年前完成部署。

未來，隨著商業(yè)航天市場的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，相關(guān)氣象數(shù)據(jù)政策的不斷出臺，以往由政府機(jī)構(gòu)提供單一服務(wù)的格局將進(jìn)一步被打破，由私營領(lǐng)域提供商業(yè)氣象數(shù)據(jù)的趨勢將保持強(qiáng)勁增長，并占據(jù)顯著的市場份額。

[1]NOAA Cites Data-sharing obligations in Draft Commercial Weather Policy[EO/BL].http://spacenews.com/noaacommercial-space-policy/. 2016.9.

[2]NOAA Commercial Space Policy[EB/OL].http://www.space. commerce.gov/pol icy/noaa-commercial-space-pol icy/. 2016.1.

[3]CICERO[EO/BL].http://space.skyrocket.de/doc_sdat/cicero. htm. 2016.11.

[4]Space weather bill introduced in U.S. Senate[EO/BL]. http://spacenews.com/space-weather-bill-introduced-inu-s-senate/. 2016.4.

[5]NOAA issues timeline for commercial weather data pilot[EO/BL]. http://spacenews.com/noaa-issues-timelinefor-commercial-weather-data-pilot/. 2016.4

[6]Two companies win first NOAA commercial weather contracts[EO/BL]. http://spacenews.com/two-companieswin-first-noaa-commercial-weather-contracts/. 2016.9.