美國極軌氣象衛星的發展歷程和面臨的挑戰

張定媛 高 浩（ 中國氣象局氣象干部培訓學院， 國家衛星氣象中心）

美國極軌氣象衛星的發展歷程和面臨的挑戰

張定媛1高 浩2（1 中國氣象局氣象干部培訓學院，2 國家衛星氣象中心）

Development Course & Challenges of US Polar-orbiting Meteorological Satellites

據美國《每日航天》2015年4月27日報道，美國鮑爾航空航天技術公司已將新一代極軌氣象衛星上搭載的5個設備中的4個集成完畢，預計于2016年初開展環境試驗，以確保能在2016年底按時交付，在2017年第二季度之前發射升空。極軌氣象衛星觀測是獲取全球范圍內地球物理參數的重要手段。1960年，美國把世界上第一顆氣象衛星送入太空，開辟了以太空為觀測平臺獲取地球大氣信息的新紀元。50多年來，美國極軌氣象衛星經歷了5個發展階段，在此，對其不同階段的進展、特點和變化進行了回顧和總結，探討了極軌氣象衛星在發展和應用上所面臨的挑戰。

“國防氣象衛星計劃”衛星在軌飛行示意圖

1 引言

氣象衛星一般運行于極軌或地球靜止軌道。與地球靜止軌道衛星和地球保持一個相對固定的位置原理不同的是，極軌氣象衛星在高度為800～1000km的上空不斷地環繞著接近南北兩極的軌道運動，獲取大范圍、多品種、高精度和較高空間分辨率的資料，為數值天氣預報、氣候診斷和預測、環境災害監測等提供有效的全球觀測數據。50多年來，美國極軌氣象衛星經歷了5個發展階段，更新換代了4次，科技的進步促進了美國在極軌氣象衛星研制和地面業務應用方面的不斷進步和發展。

多年來，美國一直運行著2個獨立的極軌氣象衛星系統：由美國海洋和大氣管理局（NOAA）管理的“極軌環境衛星”（POES）系列和由美國空軍管理的“國防氣象衛星計劃”（DMSP）。之后，美國的極軌氣象衛星發展計劃經歷了將民用“極軌環境衛星”系列和軍用“國防氣象衛星計劃”整合為軍民共用的“國家極軌業務環境衛星系統”（NPOESS）,將“國家極軌業務環境衛星系統”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）,將“國防氣象衛星系統”計劃取消并僅維持民用“聯合極軌衛星系統”項目直至《軍用氣象衛星現代化可選方案》出臺的復雜歷程。

目前，軍用“國防氣象衛星計劃”衛星有6顆在軌，民用“諾阿”（NOAA）衛星有3顆在軌。美國當前的業務極軌衛星配置是：“國防氣象衛星計劃”覆蓋清晨軌道；歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT）的“氣象業務衛星”（Metop）覆蓋上午中段軌道；美國海洋和大氣管理局的“索米國家極軌業務環境衛星系統預備項目”（S-NPP）衛星覆蓋下午軌道。除業務衛星外，美國海洋和大氣管理局、美國空軍和歐洲氣象衛星組織依然維持一些老舊衛星繼續進行數據收集，作為業務衛星的備份，以避免其失效或故障帶來的影響。

世界第一顆氣象衛星—泰羅斯－1模型

2 美國極軌氣象衛星的發展歷程

氣象衛星的歷史可追溯到1958年。當時，美國國防部開始開發專門用于氣象相關的航天器，該航天器被命名為“電視紅外觀測衛星”（TIROS，簡稱“泰羅斯”）。1959年美國航空航天局（NASA）接管該項目。自1960年以來，美國的極軌氣象衛星共分為5個不同的發展階段。

1960-1965年的“泰羅斯”系列

1960年4月1日，第一顆試驗性氣象衛星泰羅斯－1在美國佛羅里達發射成功，衛星為預報員提供了第一張云圖，展示了云的發展和移動過程，從此開啟了一個更準確預報天氣的時代。“泰羅斯”的開發由美國航空航天局負責，美國國家海洋和大氣管理局的前身環境科學管理局（ESSA）負責“泰羅斯”的管理。

其余的“泰羅斯”研究衛星在接下來幾年陸續發射，用于測試新的光學鏡片和傳輸技術。例如，泰羅斯－8用于測試一個圖像自動傳輸系統，可以直接將圖片傳送到地面接收站。1965年發射的泰羅斯－9，首次獲取了地球整個白天日照部分的完整覆蓋圖。

1965年7月2日，第一顆臨時業務氣象衛星泰羅斯－10發射。同年，雨云－1（Nimbus－1）衛星搭載紅外傳感器，從太空捕獲了第一張夜間圖像。泰羅斯－10和雨云－1證明了攜帶不同儀器和不同環繞地球軌道的氣象監測衛星業務系統的可行性。這些早期系統引發了更復雜的氣象觀測衛星的發展。1960年4月1日－1965年7月2日，共有10顆“泰羅斯”衛星相繼發射，這些衛星確保了早年間數據的連續性。這一階段為試驗試用階段，開展了一系列的關鍵技術試驗，包括電視相機、高級電視相機系統、紅外掃描儀、輻射收支儀和輻射計等，為下一階段的衛星研制發展奠定了重要的基礎。

1966-1969年的“環境科學管理局”系列

隨著環境科學管理局－1、2衛星的發射，世界上第一個業務氣象衛星系統于1966年得以實現。“環境科學管理局”項目的啟動是作為“泰羅斯”項目的延伸和補充，為美國國家氣象中心提供云層攝影。大約4年間，“環境科學管理局”衛星向地球傳輸了數千張圖像，使得對天氣類型包括颶風的預測能夠進行。1966年2月3日－1969年2月26日，共有9顆“環境科學管理局”系列極軌衛星發射。其中，奇數號的衛星攜帶高級光導攝像系統，將資料發送到指令站；偶數號衛星攜帶自動圖像發送器，可向全球發送衛星資料。這一時期為成像儀器業務定性應用階段，成像儀器資料廣泛應用于天氣分析預報業務，逐步形成了以云解析為基礎的定性衛星氣象學。與此同時，成像類掃描輻射計和大氣探測儀器也開始研究和發展。

1970-1976年的“改進的‘泰羅斯’業務統”/“諾阿”系列

1970年1月23日，“改進的‘泰羅斯’業務系統”（ITOS）系列第一顆衛星成功發射，被命名為改進的“泰羅斯”業務系統－1。之后，該系列衛星改名為“諾阿”。1970年12月11日－1976年7月29日，諾阿－1～5系列衛星發射。諾阿－1是美國海洋和大氣管理局于1970年10月成立后發射的并以其名稱命名的首顆衛星。

這一階段為業務初級階段，與“環境科學管理局”業務衛星相比，這一代衛星有了很大的改進。“改進的‘泰羅斯’業務系統”/“諾阿”采用三軸定向穩定姿態，使儀器能夠連續地對地面觀測并獲取充分的太陽能。衛星裝載的成像儀器甚高分辨率掃描輻射儀（VHRR）和兩通道掃描輻射儀（SR），提高了觀測分辨率，實現了可見光和紅外兩通道晝夜云圖；大氣溫度廓線儀器（VTPR）由試驗轉入業務應用。與此同時，開展了紅外和微波關鍵技術試驗，增加了濕度探測和微波探測儀器，為之后多波段全天候遙感積累了重要的經驗。

改進的“泰羅斯”業務系統－1在軌飛行示意圖

1978-2009年的泰羅斯－N /“諾阿”系列

1973年，美國國家海洋和大氣管理局奉命將美國空軍“國防氣象衛星計劃”的Block 5D航天器設計應用于下一代的極軌衛星系列。1978年10月13日，該系列的第一顆衛星泰羅斯－N成功發射，N表示新一代的業務衛星。泰羅斯－N搭載了4光譜通道的先進甚高分辨率掃描輻射計（AVHRR），能夠提供晝夜的可見光和紅外數據。之后的衛星仍以“諾阿”命名，諾阿－6、7相繼發射。1983年3月28日，第一顆改進的泰羅斯－N系列衛星發射，命名為諾阿－8。改進后的衛星體積變大，能源充足，能夠攜帶更多設備。與上一代相比，這一代衛星的觀測次數、觀測通道和觀測資料內容均有所增加。

1994年12月30日，諾阿－14成功發射，由此步入了氣象衛星業務穩定階段。該階段衛星攜帶的先進甚高分辨率掃描輻射計和大氣業務垂直探測儀（TOVS）等對地遙感觀測儀器，可以提供日常業務所需的全球氣象和環境資料，同時具有從地面觀測平臺收集資料和進行太陽質子、電子等監測的能力。先進甚高分辨率掃描輻射計具備定量探測海面和地表溫度的業務能力；大氣業務垂直探測儀中的高光譜分辨率紅外輻射探測儀（HIRS）能夠獲取地面及各氣壓層大氣溫度和濕度分布；平流層探測儀（SSU）能獲取平流層溫度信息；微波溫度儀（MSU）能探測大氣溫度的垂直分布。微波儀器雖然實現了業務應用，但受波段影響，其對大氣的探測貢獻仍然有限。此外，還增加了臭氧儀器（SBUV）和地氣系統輻射收支（ERBE）測量儀器。

1998年5月13日，諾阿－15成功發射，由此美國的極軌氣象衛星進入了穩定發展時期。諾阿－15裝有先進微波探測儀－A1、A2、B（AMSU－A1、A2、B），是配備專用微波儀器套裝系列衛星的第一顆。該微波探測儀A機用于探測大氣溫度垂直分布，B機用于探測大氣濕度垂直分布，它們提供了全天候大氣廓線反演能力。此外，先進甚高分辨率掃描輻射計白天新增了1.6μm觀測通道，提高了云雪區分能力。1998－2009年，諾阿－15～19相繼成功發射。到目前為止，泰羅斯－N/“諾阿”系列共有15顆衛星發射成功。

諾阿－19在軌飛行示意圖

“索米國家極軌環境業務衛星系統預備項目”衛星在軌飛行示意圖

2011年至今的“索米國家極軌業務環境衛星系統預備項目”/“聯合極軌衛星系統”系列

2010年，美國“國家極軌業務環境衛星系統”重新重組并分割為民用和軍用項目后，民用項目由美國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”。“聯合極軌衛星系統”是美國的下一代極軌業務環境衛星系統，代表了環境監測領域中重要的科技進步，將有助于推進氣象、氣候、環境和海洋科學的發展。

2011年10月28日，“國家極軌業務環境衛星系統預備項目”（NPP）衛星發射成功。2012年1月24日，為了紀念已故的衛星氣象學之父Verner E. Suomi，該衛星被命名為“索米”（Suomi），即“索米國家極軌業務環境衛星系統預備項目”，它是“聯合極軌衛星系統”計劃下的第一顆衛星，被認為是連接美國海洋和大氣管理局在役極軌衛星系列和美國航空航天局地球觀測任務以及“聯合極軌衛星系統”衛星系列之間的橋梁。衛星上裝載了5個世界領先的有效載荷，包括先進技術微波探測器（ATMS）、可見光/紅外成像輻射計（VIIRS）、跨軌掃描紅外大氣探測器（CrIS）、臭氧成像和廓線儀（OMPS），以及云和地球輻射能量系統飛行模式5（CERES FM5）。上述遙感探測器使其具備了獲取多通道圖像、全天候氣象要素三維分布、氣溶膠和云的微物理特性、大氣成分和地球大氣輻射收支平衡等地球物理參數的能力，可以監測臭氧變化、陸地和海洋生物生產率、探測大氣溫度和濕度、繪制云圖以及測量海洋表面溫度。

基于“索米國家極軌業務環境衛星系統預備項目”的成功，美國海洋和大氣管理局以及美國航空航天局正按照預算和計劃建造第2顆“聯合極軌衛星系統”系列衛星，名為聯合極軌衛星系統－1，預計于2017年初發射。除星上通信設備外，它與“索米國家極軌業務環境衛星系統預備項目”衛星基本相同。“聯合極軌衛星系統”系列計劃將發射3顆衛星，聯合極軌衛星系統－2預計于2021年發射。目前，美國海洋和大氣管理局負責該項目的管理和運行，美國航空航天局負責衛星的開發和制造。

聯合極軌衛星系統－1在軌飛行示意圖

3 面臨的挑戰

2010年，美國總統科學和技術政策辦公室宣布解散，由美國空軍、美國海洋和大氣管理局、美國航空航天局三家參與“國家極軌業務環境衛星系統”項目，美國海洋和大氣管理局在美國航空航天局的協助下開始發展自己新的衛星項目。美國政府問責辦公室的報告指出，由于舊的項目中止與新項目開始之間的時間延遲，在下一代衛星發射和業務化運行之前，衛星數據可能會存在一個缺口，極軌氣象衛星數據的連續性面臨著危機。目前，美國的極軌衛星監測網由美國國防部、歐洲、美國海洋和大氣管理局的衛星分別覆蓋清晨、上午和下午的極地軌道，但是這個系統正變得越來越不可靠。極軌氣象衛星數據在上午或下午極地軌道上的缺口將導致天氣預報精確性和實效性的降低，包括颶風、風暴潮和洪水等極端事件的提前預警也會因此受到影響。不同情況下，下午的極地軌道衛星數據缺口時間跨度有可能從17個月到3年甚至更多。

美國海洋和大氣管理局正在為盡快推出下一代極軌環境衛星做出努力。然而，“聯合極軌衛星系統”項目正面臨風險，它還未按預定的日期完成發射以減小數據缺口。該項目預計將數據缺口的時間跨度縮短到3個月，但是這一估計是基于不一致和未經證實的假設，并且沒有考慮到空間碎片會對“索米國家極軌業務環境衛星系統預備項目”的預期壽命造成影響的風險。此外，氣象衛星設計使用壽命不足，運行過程中可能與其他衛星、碎片或隕星的碰撞，現代化機器對部分歷史資料讀取困難以及資料的保存問題，也是氣象衛星發展中所面臨的難題。

縱觀美國極軌氣象衛星的發展歷程，由于極軌衛星重復觀測周期較長，耗資巨大，所以多國在極軌衛星業務上的合作是未來的重要發展方向，避免重復建設，做到資源共享。未來需要開展極軌氣象衛星業務的國際合作，形成多顆衛星的觀測網，提高觀測數據的時間分辨率，以滿足數值天氣預報、氣候變化監測、環境和自然災害監測方面對氣象衛星數據的需求。