制成十數載，今始上太空

司馬杭仁

2014年4月3日，美國空軍從加州范登堡空軍基地用“宇宙神-5”（Atlas V）火箭成功發射1顆軍用氣象衛星—“國防氣象衛星計劃-F19”（DMSP-F19）。該衛星由洛克希德·馬丁公司建造，價值5.18億美元。衛星重1233.8千克，運行在約847千米高的極地軌道上，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。它是美國2009年以來發射的首顆DMSP衛星，可向地面連續發送圖像，監測全球天氣狀況，幫助美國軍方在全球范圍識別確定雷暴、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。

軍用氣象衛星效能顯著

氣象衛星在現代戰爭中的作用日益明顯，例如，用“鎖眼-12”光學成像偵察衛星拍攝重要軍事目標或戰機出動前，需要知道目標空域的云層情況；航行中的艦艇需了解未來的海浪、水速以及是否大霧或臺風等情況的氣象情報；空襲導彈的命中精度也與大氣溫度、壓力和風速等密切相關，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，而民用氣象衛星也常被用于各國軍事行動的氣象支持。

在美國1999年空襲南聯盟的作戰行動中，由于巴爾干地區春季天氣多變，且丘陵地形起伏，給空襲行動帶來很大變數，也對定時獲取特定目標圖像的偵察衛星造成了顯著的影響。北約為此動用了10顆軍用和民用氣象衛星，從不同角度獲取氣象信息，為空襲行動提供氣象服務保障。

目前，在世界上已有多個國家擁有民用氣象衛星，但只有美國擁有軍用氣象衛星。相比于民用氣象衛星，兩者工作原理相同，但軍用氣象衛星分辨率更高、保密性好。

DMSP衛星發展歷程及性能

DMSP由美國國防部發展，與民用“諾阿”衛星同屬極軌氣象衛星，只不過星上遙感器配置有所不同。美國自1962年起開始實施長期的DMSP計劃，該計劃因曾涉及支持中央情報局的第一批間諜衛星而作為高度機密存在。自1965年1月19日發射第1顆衛星至今，DMSP計劃已運行40多年，在此期間，先后發射7代12型共52顆衛星，其中成功47顆，目前仍有6顆衛星在軌運行，運行時間已超過預期。該衛星系統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。它采用雙星運行體制，分為06∶00軌道衛星和10∶30軌道衛星2種。空襲南聯盟所動用的10顆氣象衛星中，有2對4顆DMSP衛星，每對衛星在同一軌道上工作，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2種方式，前者在飛經美國本土時，發送給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；后者把生成的云圖實時發送給遍布全球的美軍戰術地面站和大型軍艦，供指揮員直接使用。這2個中心匯編成的全球氣象及太空環境信息產品會被發送往國防部和政府各民事機構。

衛星的主要任務是監視地球的氣象環境，但也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。衛星的核心遙感器是行掃描系統遙感器，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向前運動，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，評估其強度。DMSP可提供分辨率300米的天氣圖像。星上另一種重要的遙感器是微波成像儀與探測器，保證所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，這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。

7代DMSP衛星經不斷改進，質量已由最初的125千克增加到1000千克以上，遙感器由1臺增加到7臺。最初的DMSP衛星為自旋穩定，裝載“快門”式像機；到了20世紀70年代，衛星已能拍攝可見光和紅外圖像；20世紀80年代初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DMSP衛星為三軸姿態穩定，運行在高度約830千米的近極地太陽同步軌道，周期約101分鐘，掃描條帶寬度3000千米，每對衛星每6小時可提供一次全球云圖。目前在軌服役的衛星是DMSP-F15、F16、F17、F18、F19，均為第7代衛星。

現役DMSP衛星呈圓柱體，直徑1.2米，長4.3米，太陽翼翼展6.4米，發射質量大于1155千克，有效載荷質量大于270千克，太陽電池翼面積9.29平方米，功率2200瓦，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，即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。

衛星載有如下遙感器：

* 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；

* 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；

* 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；

* 業務型行掃描系統遙感器—用于獲取全球云分布圖及云頂溫度，每天可2次生成全球云分布圖及云頂溫度；

* 空間環境探測器組件。

與前幾代DMSP相比，第7代衛星配有更大的遙感器和更大的電源系統；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。

這次發射的F19是在20世紀80年代批量購買的DMSP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，這包括衛星制造和近20年的存儲與翻新成本。實踐證明，批量購買策略是一把雙刃劍，因為除有較長的存儲周期外，F19衛星和還沒發射的F20衛星還需要大量改進，包括替換老化、過期和故障的部件。F20衛星目前在洛·馬公司的維護下存貯，并進行功能試驗和升級。在軍方需要時，將運往范登堡空軍基地發射。

美國軍用氣象衛星未來發展

DMSP將從2020年逐步被“后繼型氣象系統”（WSF）替代，WSF衛星也是專用軍用氣象衛星，其研制始于2010年。當時，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DMSP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。

NPOESS原定采用3顆衛星組網工作，運行在高833千米的極軌道上，裝載的氣象遙感器有：

獲取地球大氣、海洋和地表可見光及紅外輻射資料的可見光紅外成像儀/輻射器；颶風和降水的錐形微波成像儀/探測器；

測量大氣壓、溫度的跨軌紅外大氣探測器；

獲得全球溫度、濕度分布的先進技術微波大氣探測器；

計算大氣層臭氧垂直和水平分布的臭氧繪圖與分布測量儀裝置；

用于測量美俄導航衛星發射無線電信號的折射，以反演電離層濃度和大氣溫度的全球定位系統掩星探測器；

監測中性、帶電粒子、電磁場和極光的空間環境監測器。

星上還有地球輻射收支探測器、總太陽輻照度探測器、雷達高度計、搜索救援系統和資料收集系統等。但是到了2010年，由于經費超支、研制遲緩等原因，NPOESS進行了重組，重新分割為民用的“聯合極軌衛星”（JPSS）和軍用的“國防氣象衛星系統”（DWSS）。2011年10月28日，最初作為NPOESS技術驗證星的“國家極軌環境業務衛星系統預備項目”（NPP）仍然如期發射，對重要有效載荷進行飛行驗證，以降低研制風險。

2014年1月，美國空軍航天司令部司令謝爾頓上將表示，WSF衛星可能是分散式體系的一次展示，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。WSF衛星“將由一組系統組成，它能夠提供及時、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-地球物理和其他已驗證的需求。新的衛星將具有有限的能力，而且足夠小，采用一種商業衛星平臺，從而可通過推力較小的“人牛怪”系列運載火箭發射。美國空軍現正著眼于改進”人牛怪-4”運載火箭，其優勢能力可將質量為900千克的“后續氣象系統”送入850千米高的軌道。endprint