■ 葉夢姝 樊奕茜

2017年，太空和導彈系統(tǒng)中心主導成立了太空企業(yè)聯(lián)盟（SpEC），旨在通過簡化合同流程、弱化太空初創(chuàng)公司和軍事買家的文化差異、允許承包商共同投資項目，來保持國防訂單的開放性，吸引以前未與國防部合作過的公司在內(nèi)的各種成員公司響應研發(fā)活動。

美國國防氣象衛(wèi)星項目（DMSP）是世界上發(fā)展歷史最為悠久、產(chǎn)品應用范圍最為廣泛的氣象衛(wèi)星項目之一。本文從技術發(fā)展和項目組織兩個角度出發(fā)，梳理了在美國氣象衛(wèi)星技術飛速發(fā)展的大背景下，DMSP項目從1960年代至今走過的三個發(fā)展階段。嘗試梳理了DMSP項目發(fā)展過程中形成的三條經(jīng)驗，包括SSMIS儀器設計和產(chǎn)品迭代的持續(xù)性，在美國海軍研究實驗室（NRL）主導下資料應用的開放性，探討該系列衛(wèi)星在不同時期技術探索的前瞻性，對我國氣象衛(wèi)星國家戰(zhàn)略具有一定的啟發(fā)性。

1 DMSP項目三個發(fā)展階段

1960年，美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星泰羅斯-1（Tiros-1）。從此，氣象衛(wèi)星的研究和應用蓬勃發(fā)展，推動大氣科學進入了全新的時代。從冷戰(zhàn)時期的美蘇衛(wèi)星競賽，到和平年代的歐美衛(wèi)星合作，美國一直處于氣象衛(wèi)星研發(fā)和衛(wèi)星氣象應用的國際領先地位。在技術上，由美國國防部（DOD）負責的美國國防氣象衛(wèi)星項目（DMSP）作為美國氣象衛(wèi)星戰(zhàn)略布局中的重要組成部分，和同期美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、美國國家航空航天局（NASA）主導的氣象和地球觀測衛(wèi)星同步發(fā)展，但同時又因獨特的戰(zhàn)略定位發(fā)展出了差異化的技術側(cè)重。在研發(fā)模式上，美國軍方雄厚的資金支持，以及政府、研究機構、軍企合作研發(fā)模式，使得DMSP項目走出了一條獨特的發(fā)展之路。

1.1 1960—1980年代：衛(wèi)星技術試驗階段

1960年代，美國陸續(xù)啟動了四個國防衛(wèi)星計劃，分別是國防衛(wèi)星通信系統(tǒng) （DSCS）、國防氣象衛(wèi)星計劃（DMSP）、國防支持計劃（DSP）和全球定位系統(tǒng)（GPS），其中國防氣象衛(wèi)星項目最初旨在開發(fā)一個專注于云層攝影的氣象系統(tǒng)，滿足和支持戰(zhàn)略空軍司令部（SAC）和國防情報局（NRO）的偵察需求。DMSP項目衛(wèi)星研發(fā)從衛(wèi)星批次（Block）考慮，Block 1～4均為實驗衛(wèi)星，和10顆泰羅斯實驗衛(wèi)星、9顆艾薩業(yè)務衛(wèi)星，以及同期雨云（Nimbus）實驗衛(wèi)星相似，主要通過類似照相機和攝像機的載荷完成的光學成像。隨著1972年發(fā)射的諾阿-2（NOAA-2）衛(wèi)星標志著光電攝像時代的結束以及多通道高分辨率掃描輻射計時代的開始，1975年發(fā)射的DMSP的Block 5衛(wèi)星在衛(wèi)星重量及載荷數(shù)量也得到了大幅度提升，并在1976年通過“業(yè)務線掃描系統(tǒng)（OLS）”得到像素級別的數(shù)據(jù)，在可見光和紅外成像基礎上逐漸拓展至微波頻段。

從項目組織上來看，DMSP隸屬國防部，是美國空軍、海軍在太空領域的探索性聯(lián)合項目。位于加利福尼亞州洛杉磯空軍基地的太空和導彈系統(tǒng)中心（SMC）負責項目管理，位于華盛頓的美國海軍研究實驗室（NRL）負責載荷研發(fā)和定標校準。SMC于1954年成立，是美國國防系統(tǒng)中歷史最悠久的機構之一。2019 年美國太空軍成立時，SMC更名為“太空系統(tǒng)司令部”。NRL于1923年建立，1950年代后一度成為空間科學技術的全球領導者，曾成功研制并發(fā)射了美國第二顆人造衛(wèi)星——先鋒一號（Vanguard I），這是目前仍在存續(xù)在太空的歷史最為悠久的人造衛(wèi)星。無論是SMC還是NRL，都是歷史悠久、空間研發(fā)力量雄厚的政府軍事部門，它們的聯(lián)合為DMSP項目的最初起步打下了堅實的基礎。

總的來看，DMSP項目從Block 1到Block 5的 F7衛(wèi)星，從衛(wèi)星技術上來看均處于試驗探索階段，嘗試不同載荷、測試極軌衛(wèi)星技術、在遙感技術上不斷精進，雖然在越南戰(zhàn)爭中初步展示了氣象偵察能力，但真正業(yè)務化、廣泛的應用尚未開始。

1.2 1980—2000年代：軍民差異化探索階段

隨著1973年DMSP項目解密，數(shù)據(jù)向民間和科學界公開，國防和民用衛(wèi)星形成了“并駕齊驅(qū)”的布局，并在1980年代后明確了各自定位，呈現(xiàn)出差異化發(fā)展的態(tài)勢。民用氣象衛(wèi)星的重點在于利用全球可見光紅外成像滿足民用天氣預報分析的需要，并且持續(xù)努力改進全球大氣垂直探測，以促進全球數(shù)值天氣預報的發(fā)展。例如，針對特殊吸收光譜設計探測儀器并不斷提高探測器的信噪比，技術方法上利用多波段觀測儀器沿著衛(wèi)星前進軌道跨軌掃描獲得大氣溫濕度垂直廓線；國防氣象衛(wèi)星則更加側(cè)重穿云透雨看地表的能力，OLS掃描成像系統(tǒng)還包括夜間微光成像儀器，因此以優(yōu)化可見光/紅外成像功能為主要的技術改進方向。國防氣象衛(wèi)星也有垂直探測器，但是技術路線上直到DMSP F15（1999年）以前基本上與民用氣象衛(wèi)星的大氣垂直探測儀器類似，一直到DMSP F16（2003年）以后的新儀器SSMIS，使得該儀器可以同步地獲得圓錐成像和斜程大氣探測信息。

1987年，DMSP的F8星首次搭載了SSM/I微波成像儀，該傳感器共7個通道、4種頻率，可探測海表風速、降水強度、海冰覆蓋和土壤濕度等環(huán)境要素，產(chǎn)品可用于評估平均氣候狀態(tài)及其年際/季節(jié)變化。SSM/I的微波圓錐掃描成像儀器是DMSP衛(wèi)星成像觀測的一大特色和亮點，并不斷提高國防衛(wèi)星成像的空間分辨率。此后數(shù)十年里，SSM/I在技術迭代中保持了儀器的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的連貫性，成為了氣象衛(wèi)星微波探測最具代表性的儀器，貢獻了跨度達三十多年的長時間序列高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)，在氣候變化等研究領域表現(xiàn)出了巨大的學術價值：一方面推動國際衛(wèi)星微波遙感技術取得了長足的發(fā)展；另一方面也幫助DMSP項目成為了在世界范圍內(nèi)有持續(xù)影響力的衛(wèi)星項目。除了SSM/I之外，可用于夜間微光探測的業(yè)務線性掃描系統(tǒng)（OLS），以及用于空間環(huán)境探測的特殊傳感器紫外成像儀（SSULI）等也是DMSP項目有特色的代表性儀器。

從項目組織上來看，美國國防部在衛(wèi)星產(chǎn)品研發(fā)和應用上進行了有效探索，建立了面向軍隊、政府、高?？蒲袡C構開放的定標團隊和驗證團隊（Cal/Val Team），通過“科研向業(yè)務轉(zhuǎn)化機制”面向針對性需求。在美國國防部相關研究機構深厚的理論基礎和產(chǎn)品研發(fā)能力、開放的應用機制、有效的項目管理能力共同支撐下，DMSP項目在1980年代末—1990年代初初取得了快速發(fā)展。由于美國防部在氣象衛(wèi)星研發(fā)上的經(jīng)驗和理念得到了充分認可，1994 年白宮指示國防部（DOD）、商務部（DOC）以及宇航局（NASA）的極地軌道氣象衛(wèi)星計劃合并運營，空軍負責系統(tǒng)開發(fā)和采購，NOAA衛(wèi)星業(yè)務辦公室負責衛(wèi)星運維。但遺憾的是，由于三個不同政府部門的應用需求優(yōu)先級差異，以及預算管理方面的風格差異，導致合并后的項目持續(xù)超支，極軌衛(wèi)星合并計劃在執(zhí)行一段時間后被迫解體。

1.3 2000年代至今：協(xié)同發(fā)展階段

進入21世紀，NOAA民用極軌氣象衛(wèi)星發(fā)展迅速。微波廓線儀（AMSU）、掃描干涉大氣探測器（CrIS）、先進技術微波廓線儀（ATMS）等一批更高光譜、更多通道、更高分辨率的探測儀器，支撐了衛(wèi)星數(shù)據(jù)在高分辨率地球系統(tǒng)數(shù)值模擬中的大規(guī)模應用。2003年，DMSP項目的F16星也曾進行了一次重大升級。主要是將DMSP的F15以前的相互分離的圓錐成像（SSM/I）和橫跨軌跡大氣垂直探測（大氣溫度廓線探測儀SSM/T和大氣濕度廓線SSM/T-2）融合為一體的新儀器SSMIS，使得該儀器可以同步地獲得圓錐成像和斜程大氣探測信息。儀器通道增加到24個、21種頻率，可探測近地表風速，水汽、云水、雪，在洋面風等陸面參數(shù)反演的基礎上，也具備了大氣探測功能。二是更新了太空環(huán)境探測器SSULI和SSUSI，探測高度可以達到100 km左右，探測來自地球大氣和電離層的紫外線輻射，滿足導彈探測和發(fā)射保障等涉及到高層大氣和空間環(huán)境的國防需求。與此同時，美國的氣象業(yè)務極軌衛(wèi)星主要定位在下午軌道，具有相似探測水平的歐洲的MetOp系列衛(wèi)星定位為上午軌道，與美國國防衛(wèi)星的晨昏軌道，形成了三足鼎立的協(xié)同發(fā)展布局。

在組織運營方面，美國國防部不斷完善同上下游、大中小軍企的合作機制。從1960年代起就和美國空軍合作密切的非營利性企業(yè)航天公司（Aerospace Corporation）從DMSP項目的策劃階段，就承擔了軍事氣象衛(wèi)星需求研究工作，并從1970年代中期起承擔了DMSP的一般系統(tǒng)工程和集成責任。美國無線電公司（RCA）及后來并入到的洛克西德·馬丁公司，更是作為主承包商，在50多年的時間里和美國空軍在DMSP項目上保持著合作。與此同時，2017年，SMC主導成立了太空企業(yè)聯(lián)盟（Space Enterprise Consortium，SpEC），旨在通過簡化合同流程、弱化太空初創(chuàng)公司和軍事買家的文化差異、允許承包商共同投資項目，來保持國防訂單的開放性，吸引以前未與國防部合作過的公司在內(nèi)的各種成員公司響應研發(fā)活動。

2 DMSP項目發(fā)展經(jīng)驗

2.1 儀器產(chǎn)品持續(xù)性

在DMSP衛(wèi)星上搭載微波成像儀（SSM/I）和微波成像儀/輻射計（SSMIS） 是NASA“探路者計劃”的一部分。SSM/I是一種七通道無源微波成像儀，1987年至今，分別被搭載在DMSP的F8（1987年）、F10（1990年12月）、F11（1991年11月）、F12（1994年8月）、F13（1995年3月）、F14（1997年4月）和 F15（1999年12月）衛(wèi)星上，2003年后升級為SSMIS，是第一個提供大氣溫度和水汽剖面信息的錐形掃描探測儀器，在19～183 GHz的24個通道上測量從地球發(fā)射的熱輻射，分別搭載在DMSP的F16（2003年10月）、F17（2006年11 月）、F18（2009年10月）和F19（2014年4月）衛(wèi)星上。SSM/I和SSMIS月平均產(chǎn)品包括降水、云液態(tài)水、可降水總量、積雪和海冰范圍，可用于評估平均氣候狀態(tài)及其年際/季節(jié)變化，并檢測與大尺度（例如ENSO和北極濤動）和區(qū)域氣候變化相關的異常。

和超長時間的儀器部署連續(xù)性相伴隨的，還有衛(wèi)星遙感產(chǎn)品研發(fā)的持續(xù)性。負責儀器和產(chǎn)品研發(fā)的美國海軍研究實驗室（NRL）在衛(wèi)星資料質(zhì)量控制上做了大量工作：一是非常注重不同衛(wèi)星上同一個載荷的數(shù)據(jù)質(zhì)控，在亮溫水平上進行了仔細的校準，使得這一長時間序列探測數(shù)據(jù)集保持了連續(xù)性和氣候均一性，產(chǎn)品的整體誤差幾乎沒有變化；二是伴隨著儀器制造工藝和衛(wèi)星應用算法的不斷升級，在開展業(yè)務應用的同時申請單獨的經(jīng)費，不斷使用最先進的算法對歷史數(shù)據(jù)開展持續(xù)性的“再分析”，既彌補了因業(yè)務技術升級形成的數(shù)據(jù)集不連續(xù)，也保證了氣候數(shù)據(jù)集制作技術的與時俱進。正如一位同化專家所說，正是由于很多科學家對該數(shù)據(jù)集持續(xù)不斷地研究迭代，用的人多了，就使得這個數(shù)據(jù)集成為了“經(jīng)典”。

通過以上兩個措施，SSM/I和SSMIS被反復打磨成為了一套經(jīng)典的氣候研究數(shù)據(jù)集，成為可以媲美MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）的高引用衛(wèi)星資料，不僅在ERA5再分析數(shù)據(jù)集的制作中發(fā)揮了重要作用，在ECMWF數(shù)值預報貢獻度排名中，DMSP F17和F18的SSMIS資料均榜上有名。與此同時，不斷深入開展的“再分析”過程也孵化了對遙感領域科學問題的研究，通過密切的團隊合作培養(yǎng)出了一批專注衛(wèi)星資料研發(fā)的國際頂尖人才。

2.2 資料應用開放性

高度持續(xù)的開放性是影響一個衛(wèi)星計劃是否成功的重要因素之一，這一點已經(jīng)成為了從衛(wèi)星設計到產(chǎn)品研發(fā)應用整個鏈條科學家們的共識。在研發(fā)端，需要確保新理論、新模式、新算法能夠不斷地融入到衛(wèi)星業(yè)務體系中，在應用端，如果這個衛(wèi)星的應用領域越多、方法越全面，衛(wèi)星資料越容易成為經(jīng)典，也能夠反哺衛(wèi)星研發(fā)項目，獲得持續(xù)發(fā)展。

美國國防部為推進DMSP衛(wèi)星資料的應用，以美國海軍研究實驗室（NRL）為核心，建立了一套資料研發(fā)和應用機制。NRL的航天器工程部和空間科學部負責衛(wèi)星儀器開發(fā)，傳感器研究部負責載荷的校準和定標等工作。在1980年代，NRL憑借大氣探測遙感深厚的理論積淀，在地球輻射偏振效應、多頻率效應、圓錐掃描成像、海洋散射發(fā)射理論等方面的研究具有領先地位。

NRL召集了一個開放性的產(chǎn)品研發(fā)團隊——定標驗證團隊（Cal/Val Team），該團隊由40位左右專家學者組成，分為十幾個小組，包括海風、大氣、液態(tài)水等，每個小組只有約3～4位專家。該團隊對NOAA、NASA等美國政府機構，以及高等院校、國家實驗室等研究機構開放，由國防部設立專項經(jīng)費，發(fā)放給參與團隊的各機構和大學。例如，NOAA有5～6個人參與到團隊中，主要關注DMSP項目的衛(wèi)星數(shù)據(jù)如何用到大氣探測領域，尤其是降水、大氣中云、水汽等氣象領域關注的要素；威斯康星州立大學等高校主要用微波成像儀得到的新資料，拿來驗證輻射傳輸理論等。這種開放性的產(chǎn)品研發(fā)和應用模式取得了巨大成功，并在1990年代后在NASA等機構得到了推廣應用。為給業(yè)務用戶提供足夠的支持，建立了“科研向業(yè)務轉(zhuǎn)化機制”，由政府和高校模式中心、試驗基地、原型設計中心組成，具體包括NASA、美國國家科學基金會資助的波士頓大學綜合空間天氣建模中心（CISM）、美國海軍研究實驗室（NRL）、空軍氣象局（AFWA）、NOAA 空間天氣預報中心、空軍研究實驗室（AFRL）等的研發(fā)人員。

2.3 衛(wèi)星技術前瞻性

相比較業(yè)務衛(wèi)星的穩(wěn)扎穩(wěn)打和為支撐業(yè)務持續(xù)性的剛需，國防衛(wèi)星更重視技術的前瞻性，沒有支撐業(yè)務預報預測和公共服務的業(yè)務壓力，因此更多的投資在為未來發(fā)展做技術儲備，而不是體現(xiàn)在對當下業(yè)務的支撐。例如1970年代NRL制造了可應用于太空環(huán)境的原子鐘及其原型系統(tǒng)，從而使得目前應用極為廣泛的全球定位系統(tǒng)成為可能，關心未來的戰(zhàn)略領域，NRL開展范圍廣泛和科學研究和先進技術發(fā)展，領域包括計算機科學、人工智能、等離子體物理、聲學、雷達、流體動力學、化學、材料科學、光學科學、凝聚態(tài)與輻射科學、電子科學、環(huán)境科學、海洋地球科學、遙感、海洋學、海洋氣象學、空間技術和空間科學等。

對于DMSP項目，其儀器的探測高度均為80～100 km，用于支撐未來可能的空間探測需求，以及空間模式的發(fā)展，而針對目前數(shù)值模式層頂約為80 km的需求，NOAA的氣象衛(wèi)星儀器探測高度一般為70 km左右。美國國防部也率先開展了立方體衛(wèi)星和星座計劃的技術嘗試，并將分散化、小型化、輕量化、低成本的理念應用到了國防氣象衛(wèi)星的研發(fā)中。DMSP的換代衛(wèi)星，將傳統(tǒng)集成在一個平臺上的多個儀器分散到多顆衛(wèi)星上，以降低項目運營風險、縮短研發(fā)周期。同時研發(fā)小型化的衛(wèi)星觀測儀器，例如將傳統(tǒng)的黑體定標發(fā)展為噪聲源定標，壓縮衛(wèi)星的體積，以適用于更小型化的立方體衛(wèi)星。

3 結果討論和啟示

美國國防氣象衛(wèi)星經(jīng)過60年的發(fā)展，已經(jīng)成為了美國氣象衛(wèi)星布局中重要的組成部分，共同構成了軍民協(xié)同、政商互補、美歐聯(lián)動的氣象衛(wèi)星生態(tài)。近年來，國防氣象衛(wèi)星換代計劃中，在儀器小型化、平臺分散化、研發(fā)市場化等方面的探索，在一定程度上代表了美國氣象衛(wèi)星整體的發(fā)展趨勢。美國國防氣象衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)驗，對于我國整合氣象衛(wèi)星國家戰(zhàn)略科技力量，建立健康可持續(xù)的衛(wèi)星研發(fā)機制，實現(xiàn)不同部門衛(wèi)星氣象應用協(xié)同發(fā)展，激活企業(yè)在科技創(chuàng)新方面的活力，打通從科研到業(yè)務到產(chǎn)業(yè)的研發(fā)應用鏈條，具有一定的參考價值。

致謝：本文在寫作過程中，與多位專家進行了詳實、有意義和廣泛的討論，讓作者得到很多啟發(fā)性的思路。審稿專家提出的具體修改意見，為完善本文起到積極作用，特向這些專家致謝！

深入閱讀

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