■ 樊奕茜 肖芳 賈朋群

第三次升級(jí)，是2003年F16星將SSM/I、SSM/T和SSM/T-2合并為更先進(jìn)的SSMIS微波傳感器，該傳感器共有24個(gè)通道、21種頻率，可探測(cè)近地表風(fēng)速、水汽、云水、雪。同時(shí)，更新太空環(huán)境探測(cè)器SSULI和SSUSI，探測(cè)來(lái)自地球大氣和電離層的紫外線輻射，增強(qiáng)對(duì)空間的觀測(cè)。

在全球氣象圈享有一定聲譽(yù)的美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）系列，起步于人類進(jìn)入太空時(shí)代不久的1960年代初，已經(jīng)走過(guò)60年。目前依然有兩顆DMSP衛(wèi)星在軌，分別于2006年和2009年升空的DMSP F17和F18星，運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10年并開(kāi)始邁向第2個(gè)完整10年的數(shù)據(jù)提供周期。與此同時(shí)，DMSP換代方案也經(jīng)歷了大約10年的一波三折，2022年初才基本確定：用微波氣象衛(wèi)星（Weather System Follow-on-Microwave，WSF-M）和電光/紅外氣象衛(wèi)星（Electro-Optical/Infrared (EO/IR)Weather System，EWS）兩個(gè)系列，接替DMSP的功能（圖1）。本文回顧了DMSP的發(fā)展，討論換代DMSP衛(wèi)星最可能具有的“換代”意義。其中美國(guó)換代國(guó)防氣象衛(wèi)星，因?yàn)樵俅闻c民用氣象衛(wèi)星分離，在美國(guó)目前強(qiáng)化軍備背景下，針對(duì)軍用太空裝備可能優(yōu)先配備“核動(dòng)力”或其他先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，讓衛(wèi)星具有“更低軌道”和在極地軌道之間以及極軌、地球靜止軌道之間變軌和在軌添加推動(dòng)劑等能力，尤其值得關(guān)注，或許能夠開(kāi)啟、啟發(fā)和引領(lǐng)下一代極軌氣象衛(wèi)星換代周期。

圖1 DMSP衛(wèi)星的發(fā)展和換代歷程（圖中衛(wèi)星標(biāo)記見(jiàn)正文）

1 DMSP系列衛(wèi)星60年發(fā)展回顧

1950年代末，美蘇冷戰(zhàn)升級(jí)，為滿足軍事需求，人類開(kāi)始探索太空以獲取大面積地面信息。1962年，美國(guó)軍方秘密提出美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃，這是美國(guó)國(guó)防部的專用軍事氣象衛(wèi)星。自1962年發(fā)射第一組衛(wèi)星升空，DMSP系列衛(wèi)星服役時(shí)間已長(zhǎng)達(dá)60年。在技術(shù)上，DMSP經(jīng)過(guò)幾次升級(jí)，主要使命一直瞄準(zhǔn)云、地表和海洋表面狀態(tài)以及大氣三維溫濕環(huán)境探測(cè)，其數(shù)據(jù)主要用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)天氣預(yù)報(bào)，以幫助美軍規(guī)劃海上、陸地和空中的行動(dòng)。例如：微波成像儀可以探測(cè)路面泥濘程度以確定是否適合坦克和裝甲車投入軍事行動(dòng)中等。在管理上，經(jīng)歷了1970年代初資料解密并被民間研究和業(yè)務(wù)利用、1990年代初軍用和民用氣象衛(wèi)星合并，以及2010年前后的再次分離等。

DMSP系列衛(wèi)星早期頻繁發(fā)射為極軌氣象衛(wèi)星成熟積累了經(jīng)驗(yàn)。DMSP衛(wèi)星以“批”（Block）為單位研發(fā)，共分為5批，每批次還可以進(jìn)一步劃分用數(shù)字標(biāo)記的不同階段，各階段的再劃分則以英文字母A、B、C等標(biāo)記。自1962年5月23日Block-1（早期標(biāo)注為P35-1）首顆衛(wèi)星發(fā)射開(kāi)始，經(jīng)歷了Block-1（1962—1963年，5顆）、Block-2（1964—1965年，4顆）、Block-3（1965—1966年，6顆）、Block-4A（1966—1968年，4顆）、Block-4B（1968—1969年，3顆）、Block-5A（1970—1971年，3顆）、Block-5B（1971—1974年，5顆）和Block-5C（1975—1976年，4顆）等早期密集發(fā)射階段，以及被應(yīng)用和研究最廣泛、影響力最大的Block-5D（1976—2009年，19顆）。

Block-1至Block-5C階段衛(wèi)星發(fā)射從不到一半的成功率，到發(fā)射技術(shù)相對(duì)成熟，衛(wèi)星載荷也不斷增加。盡管該階段主要是衛(wèi)星試驗(yàn)階段，但由于起步較早，到1965年前后DMSP衛(wèi)星達(dá)到了領(lǐng)先水準(zhǔn)。1965年4月，Block-3計(jì)劃剛開(kāi)始實(shí)施，其技術(shù)吸引了承擔(dān)美國(guó)民用氣象衛(wèi)星TIROS研發(fā)的NASA，后者采用了DMSP的技術(shù)方案。1965年1月，美國(guó)氣象部門發(fā)射的TIROS-9即是DMSP的復(fù)制品（圖2）。一年后的1966年2月，第一個(gè)按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)建造的ESSA-1衛(wèi)星升空，并且在1966—1969年，共有9顆這樣的民用氣象衛(wèi)星進(jìn)入軌道。

圖2 以DMSP的Block-3衛(wèi)星為藍(lán)本的民用TIROS業(yè)務(wù)系統(tǒng)（TOS）氣象衛(wèi)星

該時(shí)期DMSP的另一項(xiàng)最重要的技術(shù)換代，是1970年從Block-5A開(kāi)始，增加了全新的OLS系統(tǒng)（Operational Linescan System，業(yè)務(wù)線掃描）并開(kāi)展試驗(yàn)。研發(fā)OLS是受到氣象預(yù)報(bào)員使用的天氣圖的啟發(fā)和瞄準(zhǔn)預(yù)報(bào)員的需求，從Block-5系列開(kāi)始摒棄了之前采用的TIROS技術(shù)，由此衛(wèi)星從提供亮度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榻o出反照率產(chǎn)品。這一變化解決了衛(wèi)星探測(cè)的亮度，從太陽(yáng)光到部分月光環(huán)境下其變化可達(dá)幾個(gè)量級(jí)并因此帶來(lái)的數(shù)據(jù)解釋問(wèn)題，讓用戶更加關(guān)注的反照率直接作為被測(cè)量值。

從Block-5D-1開(kāi)始，DMSP系列衛(wèi)星完成技術(shù)蛻變。DMSP計(jì)劃于1976年從Block-5D-1開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)了全面的技術(shù)升級(jí)。因?yàn)檫@時(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)解密，該系列第一顆衛(wèi)星（1976年9月11日升空，衛(wèi)星系列編號(hào)改為F1，并一直延續(xù)至今）開(kāi)始，載荷中除了OLS外，還陸續(xù)增加了SSI/T（Special Sensor Microwave-Temperature）和SSM/I（Special Sensor Microwave-Imager）等重要的微波傳感器。進(jìn)入21世紀(jì)之后，SSMIS（Special Sensor Microwave-Imager/Sounder）等更高性能傳感器也開(kāi)始加載，衛(wèi)星重量從之前數(shù)百千克提高到1200 kg左右，傳感器數(shù)量保持基本穩(wěn)定。

自2014年DMSP系列衛(wèi)星中最后一顆，即5D-3中編號(hào)為F19的衛(wèi)星升空后，編號(hào)F20的衛(wèi)星雖然已經(jīng)研發(fā)出來(lái)，卻因F19星在升空2年后出現(xiàn)電源問(wèn)題，考慮到兩顆衛(wèi)星為姊妹星，F(xiàn)20最終沒(méi)能升空。當(dāng)前DMSP系列衛(wèi)星中，分別在2006年和2009年升空的F17和F18，依然在軌工作。

DMSP系列衛(wèi)星從Block-5開(kāi)始的3次重要技術(shù)換代產(chǎn)生積極作用。第一次升級(jí)，是在Block 5計(jì)劃中提出的OLS，為此航天器還采用了新的動(dòng)力偏置姿態(tài)控制系統(tǒng)以滿足OLS的掃描精度。在1970年開(kāi)始的Block 5A，以及后來(lái)的5B和5C開(kāi)展了前期試驗(yàn)，從1976年開(kāi)始，在DMSP 5D的所有衛(wèi)星搭載改進(jìn)的業(yè)務(wù)化的OLS傳感器，用于云探測(cè)和火災(zāi)/燈光探測(cè)的晨昏光學(xué)傳感器，為軍事天氣預(yù)報(bào)員提供全球云層覆蓋圖像。OLS傳感器的可見(jiàn)通道可探測(cè)煙霧、沙塵暴和冰蓋等對(duì)軍事戰(zhàn)略規(guī)劃至關(guān)重要的信息，使指揮官能夠?qū)Ρ确治鰬?zhàn)爭(zhēng)前后特定區(qū)域的光線，以評(píng)估戰(zhàn)場(chǎng)損毀程度。正是這次升級(jí)，DMSP在業(yè)界也具有了更加重要的影響，開(kāi)始啟用新的衛(wèi)星編號(hào)，5D-1批次的首顆星被賦予編號(hào)F1，并一直沿用至今。

第二次升級(jí)，是1987年，F(xiàn)8星首次搭載了SSM/I微波傳感器，該傳感器共7個(gè)通道、4種頻率，可探測(cè)海表風(fēng)速、降水強(qiáng)度、海冰覆蓋和土壤濕度等環(huán)境要素。

第三次升級(jí)，是2003年F16星將SSM/I、SSM/T和SSM/T-2合并為更先進(jìn)的SSMIS微波傳感器，該傳感器共有24個(gè)通道、21種頻率，可探測(cè)近地表風(fēng)速、水汽、云水、雪。同時(shí)，更新太空環(huán)境探測(cè)器SSULI（Special Sensor Ultraviolet Limb Imager）和SSUSI（Special Sensor Ultraviolet Spectrographic Imager），探測(cè)來(lái)自地球大氣和電離層的紫外線輻射，增強(qiáng)對(duì)空間的觀測(cè)。

60年來(lái)，DMSP系列衛(wèi)星從重量小、載荷少但頻繁發(fā)射的小型衛(wèi)星試驗(yàn)開(kāi)始，隨著發(fā)射成功率提高，不斷增加衛(wèi)星載荷和重量，以期搭載體量更大、性能更先進(jìn)的傳感器（圖3）。

圖3 DMSP系列衛(wèi)星（F1～F19）重量和載荷變化

隨著衛(wèi)星技術(shù)的成熟，進(jìn)入21世紀(jì)以后，DMSP的發(fā)射頻次降低，但在軌衛(wèi)星的長(zhǎng)壽命保證了星載觀測(cè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)提供，成為很多相關(guān)研究和業(yè)務(wù)依賴時(shí)間最長(zhǎng)、性能最可靠的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來(lái)源之一（圖4）。

圖4 地表風(fēng)反演項(xiàng)目海表風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品依據(jù)的衛(wèi)星和地表探測(cè)數(shù)據(jù)（a），以及反演海洋降水的不同單個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在南北緯50°之間月平均TPW與所有衛(wèi)星均值之間的差（b）

2 DMSP的換代過(guò)程和技術(shù)

2.1 換代過(guò)程簡(jiǎn)述

早在DMSP衛(wèi)星技術(shù)基本定型的20世紀(jì)末，隨著1999年5D-3批次中的第一顆星F15順利升空，該批次計(jì)劃在隨后10～20年升空的同批次的F16～F20衛(wèi)星，也基本上定型到F15。也就是說(shuō)，雖然F16～F19直到21世紀(jì)前20年里才陸續(xù)發(fā)射，但它們的主要技術(shù)性能卻停留在20世紀(jì)末。因此，到了21世紀(jì)初，美國(guó)意識(shí)到DMSP的技術(shù)限制，啟動(dòng)DMSP換代項(xiàng)目，但是換代方案卻是一波三折。

21世紀(jì)初，美國(guó)軍用和民用氣象衛(wèi)星還處于合并狀態(tài)，當(dāng)時(shí)提出了耗資65億美元的國(guó)家極地軌道環(huán)境衛(wèi)星（NPOESS）換代方案，并于2008年發(fā)射了第一顆衛(wèi)星。但因后續(xù)合并造成的應(yīng)用優(yōu)先級(jí)不一致等管理問(wèn)題，衛(wèi)星儀器研制延誤和制造成本飆升等諸多問(wèn)題，2010年NPOESS項(xiàng)目被迫停止。

在NPOESS被取消后，2010年美國(guó)軍用和民用氣象衛(wèi)星被再次分離。當(dāng)2011年民用衛(wèi)星啟動(dòng)了后來(lái)被更名為Suomi NPP項(xiàng)目及后續(xù)的聯(lián)合極地衛(wèi)星系統(tǒng)（JPSS）時(shí)，美國(guó)軍方開(kāi)始圍繞DMSP換代，出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的搖擺。先是提出了短命的DWSS（下一代國(guó)防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)，2010—2012年，投入4.29億美元）計(jì)劃，之后曾經(jīng)考慮“翻新”已經(jīng)研發(fā)完畢等待升空的DMSP最后2顆衛(wèi)星F19和F20，但由于F19升空后20個(gè)月后電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致F20被徹底放棄，并將其從昂貴的存儲(chǔ)狀態(tài)中分離出來(lái)，放置到位于洛杉磯的空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心作為永久展覽。DMSP地面部分也于2015年徹底中止。2016—2019年，軍方還曾于NASA合作，試圖用ORS-8（作戰(zhàn)響應(yīng)空間-8）衛(wèi)星取代DMSP，卻因簽訂合同遭到業(yè)界抵制而作罷。直到2016年，美國(guó)審計(jì)署（GAO）批評(píng)軍方在DMSP后繼衛(wèi)星計(jì)劃方面沒(méi)有與民用衛(wèi)星研發(fā)機(jī)構(gòu)充分協(xié)調(diào)，導(dǎo)致?lián)Q代衛(wèi)星方案遲遲無(wú)法確定，美國(guó)軍方才重新考慮國(guó)防氣象衛(wèi)星的換代方案。

2017年，美國(guó)軍方?jīng)Q定將DMSP的換代星WSF（Weather Satellite Follow-on，氣象衛(wèi)星后繼）分為微波衛(wèi)星（WSF-M）和電光/紅外星（WSF-E）兩個(gè)系列。2017年11月，承包商Ball Aerospace公司獲得3.496億美元負(fù)責(zé)研發(fā)兩顆WSF-M星。此前，Ball Aerospace公司與軍方以及NOAA、NASA等聯(lián)邦機(jī)構(gòu)曾多次合作，還為L(zhǎng)andsat衛(wèi)星提供載荷小型化服務(wù)以展示改進(jìn)的陸地衛(wèi)星任務(wù)性能。美軍方正是看中了該公司這方面的能力，希望WSF-M星的第一顆最早能在2023年發(fā)射升空，2024年中期業(yè)務(wù)運(yùn)行；第二顆衛(wèi)星于2028年發(fā)射。衛(wèi)星重量約1200 kg。

相對(duì)于微波星，后來(lái)被重新命名為EWS（Electro-Optical Weather System，電光氣象系統(tǒng)）衛(wèi)星的研發(fā)則經(jīng)歷了更多周折。為了避免可能出現(xiàn)的資料空白，2019年，NOAA退役的備份靜止衛(wèi)星GOES-13被軍方征調(diào)，轉(zhuǎn)為EWS系列（命名為EWS-G1），被重新定位到了印度洋區(qū)域（61.5°E），2020年2月開(kāi)始，提供部分EWS衛(wèi)星功能。用退役的靜止氣象衛(wèi)星作為被延誤研發(fā)的EWS極軌衛(wèi)星發(fā)揮部分功能，既是一種補(bǔ)救，也說(shuō)明兩種軌道氣象衛(wèi)星至少在天氣圖提供方面，有一定的互補(bǔ)功能。

2022年1月，美軍方發(fā)布EWS招標(biāo)書，并于3月1日確定通用原子公司（General Atomics）和獵戶座公司（Orion Space）共同承包EWS星研發(fā)，預(yù)計(jì)于2024年或2025年發(fā)射衛(wèi)星。

2.2 換代衛(wèi)星技術(shù)分析

2.2.1 微波氣象衛(wèi)星（WSF-M星）

WSF-M為極軌氣象衛(wèi)星，采用軌道高度為833 km的近地軌道（LEO），與DMSP系列衛(wèi)星的軌道特征類似。WSF-M依靠Ball公司自主開(kāi)發(fā)的可配置平臺(tái)（the Ball Configurable Platform）進(jìn)行研發(fā)，衛(wèi)星的概念設(shè)計(jì)如圖5所示。WSF-M將搭載被動(dòng)微波成像儀MWI和太空空間天氣探測(cè)儀ECP。其中，MWI由Ball公司自主開(kāi)發(fā)，而ECP探測(cè)儀則由軍方統(tǒng)一提供。

圖5 美國(guó)下一代國(guó)防氣象衛(wèi)星WSF-M概念圖，衛(wèi)星包括一個(gè)被動(dòng)微波成像輻射計(jì)和高能帶電粒子傳感器

MWI成像儀是被動(dòng)微波成像儀，與同樣由Ball公司為全球降水觀測(cè)衛(wèi)星（GPM）研發(fā)的GWI成像儀相似，可進(jìn)行多頻率多極化方向微波探測(cè)，觀測(cè)海面風(fēng)速、熱帶氣旋強(qiáng)度和其他環(huán)境數(shù)據(jù)。如表1所示，MWI共有17個(gè)通道，6個(gè)頻率，最好的空間分辨率為15 km×10 km，其中低頻段用于探測(cè)海溫。與GMI相比，MWI成像儀不僅有V和H方向，還有第三和第四Stokes參數(shù)，V和H極化可用于探測(cè)風(fēng)速，加上第三和第四Stokes參數(shù)即可探測(cè)矢量風(fēng)。因此，MWI成像儀的探測(cè)任務(wù)集中在海表探測(cè)，尤其是海表矢量風(fēng)，性能有望在GMI基礎(chǔ)上有所提升。此外，MWI成像儀采用數(shù)字偏振測(cè)量，可降低探測(cè)復(fù)雜度，提高校準(zhǔn)性能。相較于傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)，數(shù)字偏振測(cè)量可自由選擇多個(gè)頻率，提高定標(biāo)精度，降低噪音。

表1 MWI成像儀微波通道特性和性能

WSF-M星的天線系統(tǒng)由1.8m的主反射器MR（Main reflector）、四個(gè)獨(dú)立的信號(hào)接收器和校準(zhǔn)目標(biāo)組成。反射器部署組件RDA（Reflector Deployment Assembly）搭載了主反射器MR，并部署到在軌配置中，這樣使得儀器在孔徑1.8 m的情況下具有相對(duì)緊湊的尺寸。MWI成像儀采用了GMI成像儀同款的旋轉(zhuǎn)組件SMA（Spin Mechanism Assembly），可實(shí)現(xiàn)的功能包括錐形掃描和信號(hào)傳遞。

MWI成像儀采用已校正的VDA反射器（Vapor Deposited Aluminum reflector），即在主反射面采用氣態(tài)沉積鋁表面涂層，以減少在太空觀測(cè)時(shí)天線自身發(fā)射熱輻射帶來(lái)的校準(zhǔn)誤差。但是VDA涂層在反射面上存在細(xì)小裂縫，在精密輻射測(cè)量（尤其是高頻下）極易出現(xiàn)誤差。DMSP的F16星就存在這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)反射面面對(duì)太陽(yáng)時(shí)，反射面不僅接收到地球的反射信號(hào)，還會(huì)有天線等干擾信號(hào)，由此會(huì)出現(xiàn)幾度的輻射誤差。不過(guò)，這些誤差可以通過(guò)物理模型消除，將獲取的數(shù)據(jù)剔除天線帶來(lái)的自身熱輻射，最終留下所需要的輻射量。MWI成像儀10～37 GHz通道上的噪聲二極管（noise diodes）用于在軌校準(zhǔn)，主要基于在軌非線性趨勢(shì)和備用增益校準(zhǔn)方法，以顯著提高M(jìn)WI輻射測(cè)量的穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確輻射定標(biāo)的Stokes參數(shù)對(duì)在軌極化接收機(jī)的性能至關(guān)重要。第三和第四Stokes參數(shù)的在軌校準(zhǔn)是通過(guò)在每個(gè)接收機(jī)前端輸入的相關(guān)噪聲源（Correlated Noise Source，CNS）實(shí)現(xiàn)的。CNS采用穩(wěn)定的傳統(tǒng)噪聲二極管，與一個(gè)簡(jiǎn)單的組合網(wǎng)絡(luò)一起，將相關(guān)校準(zhǔn)信號(hào)注入到接收機(jī)前端。

基于上述微波系統(tǒng)，WSF-M將探測(cè)全球大氣，陸地和海洋表面來(lái)改善全球和區(qū)域的天氣預(yù)報(bào)，填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白。WSF-M的任務(wù)旨在具體解決六項(xiàng)天基環(huán)境監(jiān)測(cè)要求（space-based environmental monitoring，SBEM，表2），三個(gè)優(yōu)先變量分別是海表矢量風(fēng)、熱帶氣旋強(qiáng)度、LEO高能帶電粒子特性，同時(shí)彌補(bǔ)其他三點(diǎn)不足，包括海冰特性、土壤濕度和雪深。不過(guò)MWI成像儀不像SSM/T那樣包括大氣溫度濕度的垂直探測(cè)功能，美方認(rèn)為可以通過(guò)其他氣象衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)共享得到補(bǔ)充。

表2 WSF-M旨在解決的六項(xiàng)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)SBEM要求

基于測(cè)試結(jié)果，Ball公司認(rèn)為，MWI成像儀的設(shè)計(jì)要優(yōu)于美國(guó)空軍對(duì)海表矢量風(fēng)和熱帶氣旋強(qiáng)度等探測(cè)要求。2020年MWI成像儀通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)審查，MWI成像儀在風(fēng)速5～25 m/s的預(yù)期性能如圖6所示，其中風(fēng)速不確定性明顯下降，風(fēng)速的RMSE基本在1 m/s以內(nèi)；風(fēng)向不確定性也低于軍方標(biāo)書中的要求，風(fēng)向RMSE在風(fēng)速為6 m/s時(shí)最大，風(fēng)速大于11 m/s后趨于平穩(wěn)。

圖6 WSF-M地表風(fēng)速（a）和風(fēng)向（b）探測(cè)不確定性試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 電光/紅外氣象衛(wèi)星（EWS星）

DMSP的下一代電光/紅外星EWS于2022年3月正式確定由通用原子公司（General Atomics）和獵戶座空間公司（Orion Space）共同開(kāi)發(fā)。前者研發(fā)一個(gè)重量?jī)H為400 kg的小衛(wèi)星，計(jì)劃在2024年或2025年發(fā)射，進(jìn)行為期三年的試運(yùn)行；后者則將在2022年底發(fā)射一組約50顆12 U立方體衛(wèi)星，進(jìn)行一年的試運(yùn)行。兩顆示范衛(wèi)星都在LEO軌道上運(yùn)行，收集天氣圖像和云特征數(shù)據(jù)。

美軍方對(duì)EWS星的要求集中在提高云數(shù)據(jù)的精度上，通用原子公司的傳感器用從可見(jiàn)光到不同波長(zhǎng)的紅外線的16個(gè)光譜頻道觀測(cè)云層，與WSF-M星需要提交的數(shù)據(jù)一致。

EWS關(guān)鍵技術(shù)在云特征（Cloud Characterization）方面，包括確定云量和云頂溫度，可用于衛(wèi)星和遙控飛機(jī)收集情報(bào)、監(jiān)視和偵查優(yōu)化，其中還包括空中加油、空中主權(quán)警報(bào)任務(wù)。如表3所示，在云特征數(shù)據(jù)精度方面，云檢測(cè)（Cloud Detection）要求白天和夜晚的精度分別為98%和95%，大氣光學(xué)厚度（Cloud Optical Depth）要求白天和夜晚的精度分別為最大值加減20%和30%。

美軍對(duì)戰(zhàn)區(qū)天氣圖像（Theater Weather Imagery）進(jìn)一步要求，必須有經(jīng)驗(yàn)的氣象學(xué)家進(jìn)行人工分析，以確定無(wú)論是黑夜還是白天發(fā)生的云層、雷暴、霧、沙塵暴、火山灰等地點(diǎn)，而且要求在晨昏等光線條件較差情況下可識(shí)別上述圖像（表3）。

表3 云特征和戰(zhàn)區(qū)天氣圖像的預(yù)期性能要求

由此可推測(cè)，美軍希望利用EWS實(shí)現(xiàn)在惡劣天氣和夜晚等不利條件下更高精度的戰(zhàn)區(qū)環(huán)境觀測(cè)，以提供及時(shí)有效的環(huán)境信息支持軍事行動(dòng)規(guī)劃和執(zhí)行。此外，EWS被要求在晨昏軌道飛行，提供戰(zhàn)區(qū)晨昏圖像，幫助軍隊(duì)部署在關(guān)鍵時(shí)間做出決策，在易受天氣影響下開(kāi)展打擊戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)爭(zhēng)預(yù)測(cè)。EWS衛(wèi)星將為美國(guó)和北約盟國(guó)提供天氣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)軍事操作至關(guān)重要，如飛行路線、戰(zhàn)斗搜索和救援、敵方導(dǎo)彈觀測(cè)和情報(bào)收集。

3 結(jié)果討論

DMSP衛(wèi)星馳騁60年，無(wú)論是在技術(shù)端還是在促進(jìn)氣象業(yè)務(wù)端，都在20世紀(jì)中后期收獲了氣象界乃至全球遙感應(yīng)用領(lǐng)域的良好口碑。雖然其最先進(jìn)的技術(shù)依然停留在20世紀(jì)末，但該系列遙感數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期有效性，還是展示了衛(wèi)星遙感提供穩(wěn)定、均一和高質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)源的特征。在過(guò)去20年里，世界上各主要國(guó)家民用氣象衛(wèi)星的性能，大幅度超越DMSP老化的技術(shù)情形下，美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星換代是否能夠帶來(lái)衛(wèi)星新技術(shù)的發(fā)展，從而引領(lǐng)氣象衛(wèi)星新一輪換代潮，受到各方關(guān)注和期待。

DMSP整整60年運(yùn)行的歷史是氣象衛(wèi)星發(fā)展的縮影。從1961年開(kāi)始醞釀，到1962年正式立項(xiàng)的DMSP項(xiàng)目，經(jīng)歷了從“看圖”技術(shù)到大型、多傳感器綜合探測(cè)衛(wèi)星。在1965年前后，確定了其技術(shù)領(lǐng)先地位。DMSP提供了太空天氣信息最早的戰(zhàn)事用途，在世界上首次使用氣象衛(wèi)星圖像在越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間發(fā)揮了支持戰(zhàn)術(shù)軍事行動(dòng)作用。此后，從第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)到伊拉克和阿富汗等美國(guó)參與其中的國(guó)際沖突的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知等方面，DMSP提供的信息對(duì)軍事行動(dòng)的支持至關(guān)重要。

在軍民共用階段，DMSP衛(wèi)星數(shù)據(jù)被納入WMO衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)，其特有的晨昏軌道展示了極軌氣象衛(wèi)星借助微弱光線的探測(cè)能力。DMSP衛(wèi)星上裝載的微波等傳感器，是學(xué)界探知地球極地冰雪和全球陸地表明濕度等關(guān)鍵信息的最重要的來(lái)源之一。

DMSP系列衛(wèi)星令人印象最深的，是其長(zhǎng)壽命。除了目前依然在軌的F17/F18（分別于2006年和2009年發(fā)射，設(shè)計(jì)壽命5年）已經(jīng)分別在軌工作了15年和12年外，1997年發(fā)射的DMSP-14衛(wèi)星雖然設(shè)計(jì)壽命為3年，但在2017停止工作前，歷史性地完成了第10萬(wàn)次繞地球運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間達(dá)20年。其設(shè)計(jì)壽命之后的17年里繼續(xù)提供天氣數(shù)據(jù)，也證明了衛(wèi)星的制造工藝的水準(zhǔn)。

此外，DMSP還是目前美國(guó)與歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）合作研發(fā)的極軌衛(wèi)星在三個(gè)軌道上運(yùn)行之一（晨昏軌道），這種三軌道提供的衛(wèi)星云圖至少每4小時(shí)覆蓋地球上的每個(gè)點(diǎn)。

換代國(guó)防氣象衛(wèi)星技術(shù)上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)尚不清晰。

從2010年開(kāi)始，美國(guó)民用和軍用氣象衛(wèi)星再次分離，DMSP換代衛(wèi)星的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，再次處于保密狀態(tài)。但是，從美國(guó)軍方公開(kāi)的相關(guān)標(biāo)書、廠家和媒體信息，尤其是在各種學(xué)術(shù)會(huì)議上相關(guān)研討內(nèi)容上，還是能夠初步勾勒出兩個(gè)系列換代星的主要特點(diǎn)。未來(lái)此系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)是否可以公開(kāi)并和民用氣象衛(wèi)星用戶共享，是一個(gè)很大的未知因素。WSF-M是微波星，可不受云層干擾和白天夜間的影響探測(cè)，尤其是探測(cè)基礎(chǔ)氣象要素上有較大優(yōu)勢(shì)。WSF-M帶來(lái)的突破性成果，各方聚焦在其在解析SBEM中海表矢量風(fēng)速的能力和精度上。MWI成像儀的原型測(cè)試表現(xiàn)出不俗的降低風(fēng)速和風(fēng)向探測(cè)不確定性的指標(biāo)。該技術(shù)如果能夠?qū)崿F(xiàn)，并與NOAA的颶風(fēng)中心等機(jī)構(gòu)的預(yù)報(bào)技術(shù)融合，能大幅度提升熱帶氣旋發(fā)生和發(fā)展預(yù)測(cè)能力，能夠?yàn)楹娇漳概灥群Ｉ宪娛略O(shè)施活動(dòng)提供關(guān)鍵情報(bào)。

EWS星可直接獲取地面直觀影像，其技術(shù)創(chuàng)新主要集中在高精度云特征數(shù)據(jù)和戰(zhàn)區(qū)天氣圖像兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上，探測(cè)產(chǎn)品的空間分辨率在2 km以內(nèi)，衛(wèi)星重訪周期在12 h以內(nèi)。EWS對(duì)云特征數(shù)據(jù)（包括云覆蓋、云頂溫度和大氣光學(xué)厚度）的探測(cè)要求分為白天和夜間，而EWS星也將在晨昏軌道運(yùn)行。這說(shuō)明美軍意在提升黎明和黃昏時(shí)明暗之間關(guān)鍵氣象要素的探測(cè)能力。

衛(wèi)星研發(fā)的主動(dòng)權(quán)在廠商手中。DMSP項(xiàng)目研發(fā)，雖然最早是由國(guó)家機(jī)構(gòu)承擔(dān)，但高度商業(yè)化的美國(guó)很快就將衛(wèi)星研發(fā)交給廠商，美國(guó)洛馬公司一直以數(shù)十年研發(fā)DMSP衛(wèi)星為榮。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，早期在各國(guó)家實(shí)驗(yàn)室孕育的很多衛(wèi)星前端技術(shù)，因以軍工復(fù)合體為代表的企業(yè)研發(fā)的大量投入，尖端技術(shù)已經(jīng)從聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到廠家，尤其是實(shí)力雄厚的大廠商。這一點(diǎn)，在美國(guó)軍用和民用氣象衛(wèi)星研發(fā)承包商分布上，也表現(xiàn)得十分突出。

DMSP換代星占據(jù)美軍方SEBM重要位置。美國(guó)涉及氣象衛(wèi)星等天基觀測(cè)活動(dòng)，都被納入國(guó)家天基環(huán)境監(jiān)測(cè)（SBEM）能力進(jìn)行規(guī)劃和評(píng)價(jià)，其中軍用和民用之間既有交接又有所區(qū)別。借助DMSP等項(xiàng)目，美國(guó)在過(guò)去60年里在全球占據(jù)了領(lǐng)先地位。目前的困境是：當(dāng)前仍在軌道的DMSP氣象衛(wèi)星的估計(jì)壽命在2023—2026年，如果換代衛(wèi)星研發(fā)有延遲或目前在軌的衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，都有可能造成DMSP氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)的中斷。從長(zhǎng)期來(lái)看，美國(guó)在規(guī)劃其到2040年的新的SBEM能力。面對(duì)國(guó)際地緣政治發(fā)展態(tài)勢(shì)，美國(guó)無(wú)疑要借助DMSP后繼項(xiàng)目，保持其天基全球環(huán)境監(jiān)測(cè)的國(guó)際領(lǐng)先地位和具有更大能力服務(wù)于美國(guó)的全球軍事策略和行動(dòng)。

換代后的DMSP將由美國(guó)太空部隊(duì)管理和運(yùn)行。在美國(guó)太空部隊(duì)最新的空間感知體系中，包括了下一代頭頂持續(xù)紅外（Neхt-Generation Overhead Persistent Infrared，OPIR）系統(tǒng)、國(guó)防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)和持久戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視和混合架構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)降低的所謂Blackjack技術(shù)平臺(tái)等。而在以國(guó)防氣象衛(wèi)星為主要手段的環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，三個(gè)分系統(tǒng)作為支撐：EWS/地球靜止（EWS-G1）平臺(tái)為作戰(zhàn)人員提供全球地面云預(yù)測(cè)和戰(zhàn)區(qū)天氣圖像數(shù)據(jù)，以便及時(shí)執(zhí)行任務(wù)、計(jì)劃和執(zhí)行；WSF-M為軍事行動(dòng)提供關(guān)鍵和可操作的環(huán)境情報(bào)；另外，所有國(guó)防衛(wèi)星加裝的空間天氣傳感器瞄準(zhǔn)空間態(tài)勢(shì)感知和環(huán)境監(jiān)測(cè)（SSAEM）目標(biāo)，收集電離層和空間天氣數(shù)據(jù)，以預(yù)測(cè)對(duì)通信、導(dǎo)航和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響。

核動(dòng)力衛(wèi)星等美軍用衛(wèi)星優(yōu)先試驗(yàn)技術(shù)或給DMSP換代星性能帶來(lái)更多突破。在深空探測(cè)中發(fā)展的衛(wèi)星核動(dòng)力技術(shù)，有快速進(jìn)入地球衛(wèi)星觀測(cè)領(lǐng)域的可能①，尤其是在國(guó)防安全領(lǐng)域。美國(guó)國(guó)防部就下一代美國(guó)國(guó)防衛(wèi)星研發(fā)，提出要具有足夠的動(dòng)力以躲避攻擊等新的要求。進(jìn)入21世紀(jì)，已經(jīng)有俄、美、印等多國(guó)成功實(shí)施了在軌衛(wèi)星攻擊試驗(yàn)。面對(duì)這樣的新戰(zhàn)略能力，美國(guó)軍方認(rèn)為，如果關(guān)鍵國(guó)防衛(wèi)星被攻擊，美軍很難打贏一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)。如果關(guān)鍵衛(wèi)星具有核動(dòng)力，這樣的極軌衛(wèi)星可以在幾小時(shí)爬升到3.6萬(wàn)km的地球靜止軌道或經(jīng)常變化軌道成為軌道不可預(yù)測(cè)的衛(wèi)星，從而有效躲避被打擊。衛(wèi)星增加核動(dòng)力可能除了具有更好地躲避被打擊的優(yōu)勢(shì)外，還以目標(biāo)為導(dǎo)向，通過(guò)變軌實(shí)現(xiàn)更有效、精準(zhǔn)地獲取關(guān)鍵和完整的氣象信息：例如，通過(guò)變軌讓衛(wèi)星跟隨航母等，實(shí)現(xiàn)頻繁在目標(biāo)頭頂觀測(cè)等。此外，極軌衛(wèi)星通過(guò)動(dòng)力條件改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更低軌道（軌道高度從800 km降低到400 km左右）以及實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌添加推進(jìn)劑等，都有望全部或部分最先在換代國(guó)防氣象衛(wèi)星上試驗(yàn)并帶來(lái)新的能力提升。

深入閱讀

張鵬, 楊磊, 谷松巖, 等, 2015. 晨昏軌道衛(wèi)星的氣象應(yīng)用需求分析.氣象科技進(jìn)展, 5(2): 6-12.

Atlas R, Hoffman R N, Ardizzone J, et al, 2011. A cross-calibrated multiplatform ocean surface wind velocity product for meteorological and oceanographic applications. Bulletin of the American Meteorological Society, 92(2): 157-174.

Hersbach H, Bell B, Berrisford P, et al, 2020. The ERA5 global reanalysis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 146(730): 1999-2049.

Gail S J, Walter P, Wesley B, et al, 2017. The Global Precipitation Measurement (GPM) Mission for science and society. Bulletin of the American Meteorological Society, 98(8): 1679-1695.

Hall R C, 2001. A history of the military polar orbiting meteorological satellite program. Center for the study of national reconnaissance.

Hou Z Y, Tian H, Wang J S, et al, 2022. Three-dimensional propagation of the Global EUV Wave associated with a solar eruption on 2021 October 28. The Astrophysical Journal, https://doi.org/10.48550/arXiv.2202.13051.

Kidd C, Huffman G, Maggioni V, et al, 2021. The global satellite precipitation constellation: current status and future requirements.Bulletin of the American Meteorological Society, 102(10):E1844-E1861.

Menzel W P, Schmit T, Zhang P, et al, 2018. Satellite-based atmospheric infrared sounder development and applications.Bulletin of the American Meteorological Society, 99(3): 583-603.

Newell D, Draper D, Remund Q, et al, 2020. Weather Satellite Followon-Microwave (WSF-M) Design and Predicted Performance.20th Symp on Meteorological Observation and Instrumentation.Boston: American Meteorological Society.