叱咤風云的“太空戰士”從美國發射新型軍用氣象衛星談起

叱咤風云的“太空戰士”從美國發射新型軍用氣象衛星談起

2014年4月3日，美國空軍從范登堡空軍基地用宇宙神－5（Atlas－5）火箭成功發射一顆新型軍用氣象衛星——國防氣象衛星計劃－F19（DMSP－F19）。該衛星由洛馬公司建造，價值5.18億美元，質量1233.8kg，運行在高度約847km的極軌道上，能夠獲取可見光和紅外云層覆蓋，測量降雨量，以及采集特定的氣象信息。它是2009年以來美國發射的首顆“國防氣象衛星計劃”衛星，可向地面連續發送圖像監測全球天氣狀況，為美國軍方在全球范圍識別和確定雷暴、颶風和臺風強度。此外，它還承擔了民事用途，將會通過美國國家海洋和大氣管理局為公眾提供廣泛的氣象信息。

1 戰爭的保護神

現在,氣象衛星在現代戰爭中的作用日益明顯。例如，用光學成像偵察衛星拍攝重要軍事目標或出動飛機轟炸要塞之前，需要知道那里的云層情況，以提高偵察效率；在海上航行的艦艇需了解未來的海浪、水速及是否有大霧或臺風等氣象情報；空襲用的導彈命中精度也與大氣的溫度、壓力和風速等密切相關。所以,氣象衛星已成為從空間獲取戰略目標和作戰地區氣象情報的重要手段。為此，民用氣象衛星也常被用于提供軍用氣象支持。

在1999年美國空襲南聯盟的行動中有一個突出的特點，那就是動用了大量氣象衛星。這主要是因為春季的巴爾干地區天氣多變，常常陰云密布，而且丘陵地形起伏，從而給空襲行動帶來很大麻煩，對定時獲取特定目標圖像的偵察衛星來說影響也不小。為此，北約投入了10顆軍用和民用氣象衛星來洞察風云變幻。它們都把主要服務區對準了巴爾干地區，從不同角度獲取氣象信息，為空襲行動提供氣象服務。所以，有人說氣象衛星是戰爭的保護神。

自1962年起，美國開始實施長期“國防氣象衛星計劃”，該計劃曾因涉及支持中央情報局的第一批間諜衛星而作為高度機密。目前,該項目還有6顆衛星在軌運行，運行時間超過預期。

美國宇宙神－5火箭發射國防氣象衛星計劃－F19

美國“國防氣象衛星計劃”拍攝的云圖

蘇聯1969年3月發射的流星－1和1975年7月發射的流星－2是軍民兩用氣象衛星。流星－1裝有用于觀測云和冰雪覆蓋情況的可見光電視攝像機和用于觀測云和冰的分布情況的紅外線電視攝像機。為了觀測地球對太陽輻射的反射、云頂和下墊面的溫度,還裝有掃描輻射儀。流星－2增裝了可見光/紅外掃描輻射儀、垂直溫度探測器和自動圖像傳輸系統新設備。它們的可見光分辨率是0.7～2km，紅外分辨率是3～42km。它們每繞地1圈可獲8%～20%地球表面云層覆蓋和輻射的數據。這2顆衛星在24h之內就能對半個地球觀測一遍。這些數據由星載存儲設備記錄下來,然后根據地面站指令在數分鐘內傳輸給地面站進行處理。

2 原理大同小異

目前，在世界上已有多個國家擁有民用氣象衛星，但只有蘇聯曾經擁有軍民兩用氣象衛星，美國獨自擁有軍用氣象衛星。其實，軍用氣象衛星和民用氣象衛星的工作原理都是一樣的，但前者具有分辨率高、保密性好等特點。蘇聯的軍民兩用氣象衛星的性能則居于軍用氣象衛星和民用氣象衛星之間。

氣象衛星的最大特點是具有很短的覆蓋周期，并可細分兩種，一種是極軌氣象衛星，另一種是靜止軌道氣象衛星。極軌氣象衛星可實施全球覆蓋，每天能繞地球運行14圈，對同一地區觀測2次，并且分辨率高，適于全球長期天氣預報，美國“國防氣象衛星計劃”就是這種氣象衛星。靜止軌道氣象衛星可對衛星下方40%的地球進行連續觀測，能持續不斷地對同一地區觀測，每隔30min即可獲得一幅地球圓盤圖像，特別適合監測生命期較短而危害又大的強對流災害性天氣，開展地區性短期天氣預報業務。這2種衛星互相補充，基本可以做到對全球的連續監測。

氣象衛星所攜帶各種氣象遙感器能接收和測量地球及其大氣層的可見光、紅外和微波輻射，并將它們轉換成電信號傳回地面；然后復原繪制成各種云層、地表和洋面圖片，再經過進一步處理和計算，即可得出各種氣象資料供研究大氣運動和為天氣預報服務。

衛星上的氣象遙感器主要有成像儀（如多通道高分辨率掃描輻射計）和垂直探測器（如高分辨率紅外光譜儀和微波輻射計）兩類。前者選用的遙感光譜段都在大氣窗區，用于透過大氣層觀測下面的云和地表狀況；后者選用的光譜段則位于大氣吸收帶及其邊緣，利用大氣在這些光譜段對光譜的吸收率和放射率與大氣中某些組成成分的含量及溫度有關的這種特點，再通過對這些光譜段的觀測反推大氣微量組成成分的含量及大氣溫度垂直分布。

因為需求不同，每顆氣象衛星上的遙感器也不完全一樣。衛星上的氣象遙感器的光譜段一般都要經過精心選擇，有特定用途，被稱為通道。通道越多，觀測范圍就越大，但氣象遙感器也就越復雜。

未來的氣象衛星遙感器將廣泛利用微波進行全天候觀測；增加遙感儀器的通道數目，通道劃分越來越細，從而辨別不同的遙感目標；提高空間分辨率，開發主動式遙感器；采用大容量、高可靠的星上存儲器和數字壓縮技術，實現氣象信息的數字化傳輸，以提高傳輸品質。極軌氣象衛星的發展趨勢是：使用多通道輻射計和大型天線，從而增加微波遙感器的種類；進行氣象觀測、海洋和環境監視的綜合應用；軍民兩用極軌氣象衛星仍是發展方向。靜止軌道氣象衛星的發展趨勢是：進一步提高紅外云圖的星下點分辨率；通過增加微波輻射計和紅外光譜儀來探測大氣垂直分布；提高氣象數據分發速率。

國防氣象衛星計劃－F19入軌示意圖

打造中的國防氣象衛星計劃－F19

3 獨探軍事風云

美國“國防氣象衛星計劃”是美國國防部發展的軍用極軌氣象衛星，它所獲得的云高及其類型、陸地和水面溫度、水汽、洋面和空間環境等信息主要為軍隊使用，為軍事作戰提供信息保障，但也向民間提供。該衛星用于戰略和戰術氣象預報，為美國軍方規劃陸、海、空作戰提供幫助。它裝備了復雜的尖端遙感器，能夠對云層覆蓋進行可見光和紅外成像，測量降水、表面溫度和土壤濕度。衛星能夠收集各種氣象條件下的專業化全球氣象信息、海洋信息、太陽－地球物理信息。

“國防氣象衛星計劃”與美國民用“諾阿”衛星同屬于一類，運行在極地軌道，只不過星上遙感器配置有所不同。前者采用雙星運行體制，分為06：00軌道衛星和10：30軌道衛星兩種。該計劃自1965年1月19日發射第1顆衛星至現在已有40多年，在這期間共發射了7代12個型號約52顆“國防氣象衛星計劃”衛星，成功在軌運行47顆。

在1999年美國空襲南聯盟時動用的10顆氣象衛星中，有4顆是“國防氣象衛星計劃”。它們分為兩對，在同一軌道上工作的每對衛星每天可對世界任何地方掃描4次。其數據傳輸有存儲和直接發送兩種方式，前者在飛經美國本土時傳給3個空軍基地的地面站，再經通信衛星中繼到奧福特空軍全球氣象中心（又稱空軍氣象局）和蒙特雷海軍艦隊數值海洋學研究中心使用；后者把拍攝到的云圖實時發送給遍布全球各地的美軍戰術地面站和航母等大型軍艦上，供軍事指揮員直接使用。接著，再由這兩個中心匯編成數量巨大的全球氣象及太空環境產品發送到國防部和政府各民事機構。

“國防氣象衛星計劃”已出色地向美國提供了數十年的氣象環境數據支持。它不僅滿足了軍方對全球太空、陸地氣象信息的獨特需求而設計，而且用于民用，使軍民氣象預報員可以探測發展中的氣象類型，追蹤覆蓋偏遠地區的現有氣象系統，向軍民團體發出可能對人員和資源造成危害的警告。

美國“國防氣象衛星計劃”拍攝的影像

4 不斷改進提高

“國防氣象衛星計劃”的主要任務是監視地球的氣象環境，但是這些衛星還攜帶有測量太空環境條件的傳感器，例如測量局部的帶電粒子和電磁場。

經過不斷改進，“國防氣象衛星計劃”衛星的質量已由125kg增加到1497kg，遙感器由1臺增加到7臺，目前在軌服役的衛星是國防氣象衛星計劃－F15、F16、F17、F18、F19，它們均為第7代“國防氣象衛星計劃”，可向作戰人員提供關鍵的支持。

最初的“國防氣象衛星計劃”為自旋穩定衛星，裝載“快門”式成像機；到了20世紀70年代，衛星已能獲得可見光和紅外圖像；20世紀80年代初，該衛星姿態控制有了明顯改進，星上計算機處理能力大為增強。現在運行的“國防氣象衛星計劃”為三軸姿態穩定衛星，運行在高度約830km的近極地太陽同步軌道，周期約101min，掃描條帶寬度3000km。兩顆業務衛星同時運行時，每6h可提供一次全球云圖。

現役的“國防氣象衛星計劃”衛星呈圓柱體，直徑1.2m，長4.3m，太陽翼展6.4m，發射質量1155kg，其中有效載荷質量270kg，太陽電池翼面積9.29m2，功率2200W。衛星設計壽命5年，具有60天的自主運行能力。衛星由4個部分構成：安裝有效載荷的儀器艙、安裝電子設備和反作用輪的功能艙、安裝推進系統的推進艙，以及可展開的太陽電池翼。

第7代“國防氣象衛星計劃”裝有先進的遙感器，能拍攝氣象方面的可見光和紅外圖像，提供云、風、土壤濕度、冰雪覆蓋、火災和塵暴等信息，全天候地收集氣象信息、海洋信息以及太陽和地球物理信息等，為美軍的陸?？哲娛滦袆犹峁鹇院蛻鹦g氣象預報。其中在主要的戰區有6個數據接收終端，能把所獲信息直接傳給地面指揮官。衛星搭載的遙感器包括：①紫外臨邊成像儀，用于測量地球極遠和遠紫外輻射的垂直分布；②紫外光譜成像儀，用于測量地球大氣和電離層的紫外輻射，以及大氣輝光和陸地反照的可見光輻射，可獲得夜氣輝和夜晚極光的廣度測量數據；③微波成像儀與探測器，用于測量地球表面和大氣的輻射微波能量，反演出大氣溫濕度垂直分布，包括降水、液態水、冰覆蓋和海面風速等；④業務性行掃描系統遙感器，用于獲取全球云分布圖及云頂溫度，測量云層分布、云頂溫度及地面火情，每天可兩次觀測全球云分布圖及云頂溫度；⑤空間環境探測器組件。

對“國防氣象衛星計劃”進行檢測

第7代衛星的核心遙感器是業務性行掃描系統遙感器，它使用移動望遠鏡技術，以交叉跟蹤方向方式掃描地球，同時衛星沿著追蹤方向前向運動，旨在繪制連續的覆蓋全球的氣象云圖。它所拍攝的圖像用于強風暴預測，定位風暴并評估其強度。第7代“國防氣象衛星計劃”可提供分辨率300m的天氣圖像。星上另一種重要遙感器是微波成像儀與探測器，由于其采集的風速及降雨率等微波數據不會因云層覆蓋而模糊不清，因此對于精確定位風暴中心、預測風暴發展及運動情況至關重要，該儀器生成的微波圖像對颶風與臺風預報有顯著改善。

5 性能十分優異

與前幾代“國防氣象衛星計劃”相比，第7代“國防氣象衛星計劃”配有更大的遙感器和更大的功率系統；增加了星載計算機的內存和電池能力，使得衛星更具自主性，延長了平均任務周期。其用途是：①云圖監測，以獲得云的分類信息；②強風監測，以改善風暴、旋風等預報；③海況監測，為海軍行動保障提供信息；④微光監測，允許可見光遙感器在夜間月光下工作。

第7代“國防氣象衛星計劃”在軌飛行示意圖

“國家極軌環境業務衛星系統預備項目”示意圖

從2006年11月4日發射的國防氣象衛星計劃－F17衛星開始，星上集成了第2個慣性測量單元，它利用環狀激光、對比機械裝置和陀螺儀提供更強的精確指向機動性，從而提高了衛星姿態控制系統的性能，能夠提供更精確、靈活的定位。

2014年4月發射的國防氣象衛星計劃－F19是在20世紀80年代批量購買的“國防氣象衛星計劃”衛星之一，目的是降低成本。該衛星早在1995年左右就開始建造，當時的成本大約是1.3億美元，但最終價格超過5億美元，包括衛星制造和近20年的存儲及翻新成本。實踐證明，批量購買策略是一把雙刃劍，除了有較長的存儲周期外，國防氣象衛星計劃－F19衛星和還沒發射的F20衛星在升空前也需要進行大量的改進，包括替換老化、過期和故障的部件。國防氣象衛星計劃－F20衛星目前還在洛馬公司的維護下進行存貯、功能試驗和升級，在美國空軍需要時，該衛星將運往范登堡空軍基地發射。

6 未來前景展望

從2020年開始，美國“國防氣象衛星計劃”將逐漸由“后續氣象系統”（WSF）替代?！昂罄m氣象系統”衛星也是專門的軍用氣象衛星，其研制始于2010年。

美國“國家極軌環境業務衛星系統”示意圖

最初，為了節省經費，并提高獲取大氣、海洋、陸地和空間環境等氣象信息的能力，滿足未來軍民氣象觀測的能力，美國政府曾計劃將“國防氣象衛星計劃”軍用氣象衛星和“諾阿”民用氣象衛星合并，研制“國家極軌環境業務衛星系統”（NPOESS）軍民兩用氣象衛星，來取代“國防氣象衛星計劃”。

2011年10月28日，美國發射了“國家極軌環境業務衛星系統預備項目” (NPP)，它是“國家極軌環境業務衛星系統”的技術驗證星，對重要有效載荷進行飛行驗證，以降低“國家極軌環境業務衛星系統”的研制風險。該衛星載有可以獲得高空間分辨率全球溫度、濕度垂直分布的先進技術微波大氣探測器，用于提供海表溫度、大氣氣溶膠、雪覆蓋、云覆蓋、表面反射率、海冰和海洋水色觀測數據的可見光/紅外成像與輻射器，能生成對流層大氣溫度垂直分布數據的跨軌紅外大氣探測器，測量大氣中臭氧總量以及不同高度臭氧濃度的變化的臭氧繪圖與分布測量儀，測量來自大氣層上方的太陽反射和地球輻射以及測定云層特性，包括數量、高度、厚度、粒子大小的云相云層和地球輻射收支探測。

“國家極軌環境業務衛星系統”原定采用3顆衛星組網工作。但是到了2010年，由于經費超支、研制遲緩等原因，“國家極軌環境業務衛星系統”項目下馬了，改由“后續氣象系統”項目接替“國防氣象衛星計劃”。

2014年1月，美國空軍航天司令部司令謝爾頓上將表示，“后續氣象系統”衛星可能是分散式體系的一次展示，對于空間系統來說，采用更小、低復雜度的衛星通過搭載載荷和其他部署方式是一種迫切的愿景，這有別于在過去數十年間已經成為標準的大型、復雜的系統。

“后續氣象系統”衛星質量為900kg，將由改進的人牛怪-4運載火箭送入850km高的軌道，能夠提供及時、可靠和高質量的天基遙感能力，滿足對于全球范圍的環境觀測，包括大氣層、地形、海洋、太陽－地球物理等需求。

東方星/文