美國下一代極軌氣象衛星系統及最新發展

龔燃（北京空間科技信息研究所）

美國非常重視極軌氣象衛星數據的連續性，20世紀90年代初就開始規劃其下一代極軌氣象衛星系統的發展。在過去的20年間，美國的極軌氣象衛星發展計劃經歷了將軍用“國防氣象衛星計劃”（DMSP）和民用“極軌環境衛星”[（POES），又稱“諾阿”（NOAA）衛星]整合為軍民共用的“國家極軌業務環境衛星系統”（NPOESS）、“國家極軌業務環境衛星系統”計劃終止并重組為軍用“國防氣象衛星系統”（DWSS）和民用“聯合極軌衛星系統”（JPSS）、取消“國防氣象衛星系統”計劃并僅維持民用“聯合極軌衛星系統”，直至最新軍用極軌氣象衛星方案出臺的復雜歷程，其未來發展還難以最終確定。

1 美國極軌氣象衛星系統的發展歷程

美國出臺軍民共用的氣象衛星發展計劃

多年來，美國一直由國防部（DoD）與國家海洋和大氣管理局（NOAA）分別獨立運行軍用的“國防氣象衛星計劃”和民用的“諾阿”。目前，軍用“國防氣象衛星計劃”衛星有6顆在軌，還有2顆衛星未發射；民用“諾阿”衛星有5顆在軌，最后一顆諾阿－19衛星已于2009年2月發射。

考慮到軍用和民用極軌氣象衛星的任務基本相同，都是收集、處理和分發氣象、海洋和空間環境數據，因此美國決定合并“諾阿”和“國防氣象衛星計劃”。1994年5月，克林頓發布總統令，將這2個衛星系統合并為軍民共用的“國家極軌業務環境衛星系統”。

“國家極軌業務環境衛星系統”軍民共用項目出現危機

“國家極軌業務環境衛星系統”項目的進展并不順利。2005年11月，美國政府問責辦公室（GAO）對該項目進行評估，認為其經費超支、進度延誤，并且項目管理在主承包商、分承包商、項目辦公室和執行領導層等諸多方面出現問題，導致該項目處于危機之中。

2006年6月，由于成本超支和進度延期，國防部對“國家極軌業務環境衛星系統”項目進行了重組，包括減少衛星和有效載荷數量，以及降低部分有效載荷的性能。另外，該項目由美國空軍、國家海洋和大氣管理局、美國航空航天局（NASA）三家共同負責，管理模式混亂，靈活性差。于是2009年6月，政府問責辦公室和項目獨立審查小組建議解散三家共管模式，全部由國家海洋和大氣管理局負責。

然而，項目進度延期和成本超支等問題依然嚴重。基于進度已落后計劃5年，成本超過計劃經費的100%，達到139億美元，2010年2月，獨立評審小組和美國國會建議終止“國家極軌業務環境衛星系統”項目。因此，白宮在2011財年的預算申請中提出停止該項目，終止國家海洋和大氣管理局與美國空軍關于該項目的合作以及美國空軍與諾格公司的合同。

軍民兩用系統重新分家

2010財年，“國家極軌業務環境衛星系統”重新分割為民用和軍用項目，民用項目由國家海洋和大氣管理局委托美國航空航天局負責管理，命名為“聯合極軌衛星系統”；軍用項目由國防部負責管理，命名為“國防氣象衛星系統”。此外，歐洲“氣象業務”（Metop）衛星系列為美國提供上午軌道的極軌氣象衛星數據。

成功發射下一代極軌氣象衛星預備項目衛星

2010年，項目重組和分割后，“國家極軌業務環境衛星系統預備項目”（NPP）衛星仍按原計劃發射，并成為美國“地球觀測系統”（EOS）的一顆業務衛星，用于保持“地球觀測系統”任務和首顆“聯合極軌衛星系統”之間的數據連續性。此外，該衛星有效載荷的研制、測試和飛行經驗對“國家極軌業務環境衛星系統”項目具有重要意義。

2011年10月28日，“國家極軌業務環境衛星系統預備項目”衛星搭乘德爾他－2運載火箭從范登堡空軍基地成功發射。2012月1月24日，為了紀念已故的衛星氣象學之父弗納·索米，該衛星被重新命名為“索米NPP”（Suomi NPP）衛星。該衛星原計劃作為“國家極軌業務環境衛星系統”的技術驗證星，對重要有效載荷進行飛行驗證，以降低系統的研制風險。

2 下一代極軌氣象衛星系統介紹

“聯合極軌衛星系統”

美國航空航天局戈達德航天飛行中心負責“聯合極軌衛星系統”的采購和集成。據相關報道，該計劃的全壽命周期成本為129億美元，其中包括“索米NPP”、聯合極軌衛星系統－1和2以及自由飛行者－1（Free Flier－1）和2等5顆衛星的研制和運行成本。

“索米NPP”衛星是“聯合極軌衛星系統”計劃下的第一顆衛星，軌道高度824k m，傾角98.7°，軌道周期101min，降交點地方時10：30。衛星總質量2000k g，設計壽命5年，采用BCP－2000平臺，三軸姿態穩定，姿態敏感精度優于10″，姿態控制精度優于36″，實時定位精度優于25m。

“國防氣象衛星系統”

衛星主要有效載荷包括先進技術微波探測器（ATMS）、可見光紅外成像輻射儀（VIIRS）、跨軌紅外探測器（Cr IS）、臭氧制圖與垂直分布組件（OM PS）以及云和地球輻射能量系統（CERES）。這些有效載荷不但可以用于監測臭氧變化、陸地和海洋生物生產率、大氣成分以及氣候系統的輻射收支平衡；還能夠探測大氣溫度和濕度、繪制云圖以及測量海洋表面溫度。

聯合極軌衛星系統－1衛星是該計劃下的第2顆衛星，計劃于2017年秋季發射。除星上通信設備外，與“索米NPP”衛星基本相同。

“國防氣象衛星系統”

2010年6月，美國五角大樓向國會提交了“國防氣象衛星系統”的初步要點，并指出首顆衛星最早于2018年發射。“國防氣象衛星系統”將位于上午軌道，主要有效載荷包括可見光紅外成像輻射儀、空間環境監視器（SEM-N，原計劃由“國家極軌業務環境衛星系統”攜帶）以及一個尚未確定的微波遙感器。

“國防氣象衛星系統”保留了“國家極軌業務環境衛星系統”計劃的核心設計、功能和可靠性，同時優化了有效載荷的體積和功率。“國防氣象衛星系統”的衛星平臺由諾格公司研制，該衛星質量是“國家極軌業務環境衛星系統”平臺的2/3，功率是其平臺的1/2。

3 最新發展動態

新軍用極軌氣象衛星方案出臺，發展方向仍不明確

2012財年，美國空軍為“國防氣象衛星系統”項目申請了4.45億美元的經費，但2012年1月23日，美國空軍宣布了最終的國防授權法案和撥款法案，僅提供了4300萬美元用于終結該項目，這一事件說明此項目正式終止。

2012年11月，美國國會預算辦公室（CBO）發布了《軍用氣象衛星現代化可選方案》（以下簡稱《方案》）報告。《方案》認為，美國國防部下一代軍用氣象衛星系統將耗資44億～61億美元，包括2顆衛星的研制、發射以及在軌運行等（到2037年）。

聯合極軌衛星系統－1衛星外形圖

對于下一代軍用氣象衛星系統，《方案》提出了3種可選方案，并詳細評估了每種方案的性能及相應成本。其中，耗資最大的方案將對“國防氣象衛星系統”有效載荷進行全面改進和升級；耗資中等的方案將采用為民用極軌氣象衛星研制的可見光紅外成像輻射儀，其總成本約為49億美元；而耗資最少的方案則僅改進空間環境監視器，但衛星性能也最弱。

此外，《方案》還討論了美國國防部可能采取的其他方法。例如，在多顆小衛星上部署一臺探測器，而不是在一顆衛星上集成多個探測器；完全放棄下一代軍用氣象衛星計劃，而依靠其他衛星系統如民用“聯合極軌衛星系統”和“歐洲極軌衛星系統”（EPS）所獲取的氣象數據。

聯合極軌衛星系統－1確定最終研制合同

2012年8月13日，美國航空航天局宣布已分別與4家公司簽訂了聯合極軌衛星系統－1平臺及其有效載荷的研制合同。

聯合極軌衛星系統－1平臺及其有效載荷合同在2011年9月－2012年6月之間簽訂。據美國海洋與大氣管理局透露，聯合極軌衛星系統－1及其有效載荷研制合同的總價值約為6.555億美元。鮑爾宇航技術公司負責研制聯合極軌衛星系統－1平臺和臭氧制圖與垂直分布組件，合同價值分別為2.804億美元和6110萬美元。雷聲航天航空系統公司負責研制可見光/紅外成像與輻射組件，合同價值1.882億美元，將用于阿拉斯加等地區的極端天氣監測，以及火山灰和森林火災的探測和跟蹤。ITT埃克塞勒斯地理空間系統公司負責研制穿軌紅外探測器，合同價值9110萬美元。諾格電子系統公司負責研制先進技術微波探測器，合同價值3470萬美元。

美國國會預算辦公室提出的軍用氣象衛星方案

此外，“聯合極軌衛星系統”的通用地面系統的合同于2011年7月授予雷聲情報與信息系統公司，合同價值為14億美元；挪威航天中心（NSC）將為“聯合極軌衛星系統”項目提供綜合數據支持服務，如衛星數據接收與分發服務等。雙方簽訂的固定價格合同價值2200萬美元，包括1年期的基礎服務合同和4個1年期的可選合同。

美國極軌氣象衛星數據連續性仍面臨危機

目前，美國國防部、美國海洋和大氣管理局及歐洲氣象衛星組織（Eumetsat）基于各自的極軌氣象衛星系統，互通探測儀器，共享數據，以實現全天時的持續覆蓋能力。其中，“國防氣象衛星計劃”衛星覆蓋時間最早的上午軌道；歐洲氣象衛星組織的“氣象業務衛星”覆蓋稍后的上午軌道；“國家極軌業務環境衛星系統預備項目”衛星覆蓋下午軌道。

下午軌道數據方面，“國家極軌業務環境衛星系統預備項目”衛星計劃于2017年由聯合極軌衛星系統－1衛星替代。但即使按照最好的情況估計，該衛星能夠持續工作5年，且聯合極軌衛星系統－1衛星能夠如期發射，下午軌道的氣象衛星數據仍將面臨長達17個月的缺口。

上午軌道數據方面，美國海洋和大氣管理局原計劃在自己的衛星出現覆蓋缺口時，依靠美國空軍的軍用極軌氣象衛星和歐洲的極軌氣象衛星保持觀測數據的連續。然而，后兩者同樣面臨著嚴重的不確定性。美國國會已命令空軍取消“國防氣象衛星系統”計劃，目前上午軌道數據的收集仍不得不依靠20世紀90年代研制的“國防氣象衛星計劃”衛星，盡管“國防氣象衛星計劃”系列衛星中還有兩顆沒有發射，正常情況下，這兩顆衛星將能工作至2026年，但老化的“國防氣象衛星計劃”衛星的可靠性值得懷疑。

與此同時，美國政府預算的大幅削減也對歐洲氣象衛星組織的下一代“歐洲極軌衛星系統”計劃造成了影響，美國海洋和大氣管理局已表示無法按計劃為“歐洲極軌衛星系統”提供3個遙感器。受此影響，“歐洲極軌衛星系統”計劃的首顆衛星可能無法按時發射，從而難以在預計壽命末期以前替換“氣象業務衛星”系列的最后一顆衛星。

4 結束語

美國下一代極軌氣象衛星的發展經歷了從軍民分開到合并，最終再次分開的過程，且軍用極軌衛星系統的發展仍懸而未決。雖然，民用“聯合極軌衛星系統”計劃已經基本明確，但美國下一代極軌氣象衛星計劃仍面臨著諸多挑戰。