美國(guó)首顆新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星登場(chǎng)

（北京空間科技信息研究所）

美國(guó)首顆新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星登場(chǎng)

宋晶晶（北京空間科技信息研究所）

1 引言

2016年11月19日，美國(guó)新一代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”（GOES）的首顆星—地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R搭載宇宙神-5火箭發(fā)射升空。該衛(wèi)星在到達(dá)預(yù)定軌道后被命名為地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-16，在加入“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”星座后提供西半球天氣以及空間氣象監(jiān)測(cè)。

新一代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系列共包括4顆衛(wèi)星（地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R、S、T、U）。全部部署完畢后，“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系統(tǒng)業(yè)務(wù)的服務(wù)期限可延至2036年。該系列衛(wèi)星具有更高空間分辨率和更快速覆蓋的增強(qiáng)成像能力，可用于更精確的氣象預(yù)報(bào)和閃電活動(dòng)的實(shí)時(shí)制圖，并提高對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴活動(dòng)的監(jiān)測(cè)水平，因此將顯著提高對(duì)環(huán)境現(xiàn)象的探測(cè)和觀測(cè)水平，這些現(xiàn)象將對(duì)公眾安全、財(cái)產(chǎn)保護(hù)以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)健康和繁榮產(chǎn)生直接影響。

2 發(fā)展背景

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R～U是美國(guó)商務(wù)部所屬的國(guó)家海洋與大氣管理局（NOAA）的第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”。該系列衛(wèi)星基于最先進(jìn)的技術(shù)，采用了全新的空間段和地面段，并將使用新的運(yùn)營(yíng)流程和數(shù)據(jù)處理算法。“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”由美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局和美國(guó)航空航天局（NASA）共同開(kāi)發(fā)。整個(gè)“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”計(jì)劃由美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局管理，由其負(fù)責(zé)制定要求、提供資金并在全美分發(fā)環(huán)境數(shù)據(jù)。美國(guó)商務(wù)部負(fù)責(zé)衛(wèi)星的預(yù)算、地面段項(xiàng)目的采購(gòu)以及整體計(jì)劃采購(gòu)策略的批復(fù)。美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局向美國(guó)商務(wù)部保證第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”的順利研制以及成功運(yùn)行。美國(guó)航空航天局的戈達(dá)德太空飛行中心同美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局合作對(duì)衛(wèi)星及其儀器的設(shè)計(jì)和研制進(jìn)行管理，具體工作由其下設(shè)的合作計(jì)劃及項(xiàng)目辦公室進(jìn)行。

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星—R成像能力

第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”項(xiàng)目的定義和需求階段始于2000年，接著在2001年召開(kāi)了首次用戶會(huì)議，相對(duì)于上一代地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-I、M、O、P系列，第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”將顯著增強(qiáng)以下4種關(guān)鍵能力：①空間分辨率；②光譜覆蓋范圍和分辨率；③瞬時(shí)更新速度（即探測(cè)、變化識(shí)別以及颶風(fēng)跟蹤）；④輻射敏感度。

其設(shè)計(jì)壽命為15年，將提供包括陸地、大氣、水文、海洋、氣候、太陽(yáng)-地球物理學(xué)以及空間環(huán)境在內(nèi)的關(guān)鍵遙感數(shù)據(jù)，改進(jìn)了延遲，可在包括春分日食在內(nèi)的期間對(duì)整個(gè)半球提供全部覆蓋，此外該衛(wèi)星系統(tǒng)還將提供增強(qiáng)直接服務(wù)，如：無(wú)線電轉(zhuǎn)播（GBR）、搜尋&救援（S&R）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DCS）、應(yīng)急管理氣象信息網(wǎng)（EMWIN）以及低速信息傳輸（LRIT）通信。

3 衛(wèi)星概況

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R采用洛馬公司的A2100A型三軸穩(wěn)定平臺(tái)，在軌運(yùn)行的設(shè)計(jì)壽命為15年，包括5年在軌備份壽命和10年在軌工作壽命，壽命末期功率大于4000kW。其軌道高度約35786km，該衛(wèi)星將定位于地球靜止軌道75°（W），用于觀測(cè)西部地區(qū)，傾角0°。在第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”星座中觀測(cè)東部地區(qū)的衛(wèi)星將定位于137°（W），較之目前定位于135°（W）的在軌“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”而言，消除了與其他衛(wèi)星系統(tǒng)在X頻段的互擾。該衛(wèi)星在軌儲(chǔ)存期間將定位于105°（W），在發(fā)射/檢測(cè)階段停留在90°（W）。在東西和南北軌道的定位精度為±0.1°。衛(wèi)星將通過(guò)周期性的定位和動(dòng)量調(diào)整進(jìn)行機(jī)動(dòng)控制，以便獲得近持續(xù)觀測(cè)。

該衛(wèi)星的其他突出的性能還包括：對(duì)地指向的光具底座能夠?qū)φ駝?dòng)隔離，衛(wèi)星與儀器的接口設(shè)計(jì)能夠最大化采集科學(xué)數(shù)據(jù)。地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R科學(xué)數(shù)據(jù)采集（包括成像）的每年累積時(shí)間不超過(guò)150min，會(huì)由于動(dòng)量調(diào)整、定位和領(lǐng)航翻轉(zhuǎn)動(dòng)作而中斷。相對(duì)于現(xiàn)有的地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星，提升了兩個(gè)級(jí)別。地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R將連續(xù)采集和傳輸100Mbit來(lái)自各個(gè)位置的數(shù)據(jù)，在L頻段采用雙極化方式可連續(xù)轉(zhuǎn)播31Mbit數(shù)據(jù)，衛(wèi)星尺寸為6.1m×5.6m×3.9m，質(zhì)量約為2800kg。

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星—R外形結(jié)構(gòu)圖

4 搭載儀器

第二代/第二代改進(jìn)型與第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”進(jìn)步點(diǎn)對(duì)照表

先進(jìn)基線成像儀

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R上搭載的有效載荷包括先進(jìn)基線成像儀（ABI）、地球靜止軌道閃電繪圖儀（GLM）、太陽(yáng)紫外成像儀（SUVI）、遠(yuǎn)紫外與X射線輻照度探測(cè)器（EXIS）、空間環(huán)境原位測(cè)量裝置（SEISS）和磁強(qiáng)計(jì)（MAG）等。

1) 先進(jìn)基線成像儀。它是美國(guó)國(guó)際電話電報(bào)工業(yè)集團(tuán)埃克斯利斯公司（ITT Exelis）新研制的掃描輻射成像儀，用于取代上一代衛(wèi)星的“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”上的成像儀和探測(cè)儀。先進(jìn)基線成像儀提高了空間分辨率和掃描速度，具有多種掃描模式，地球全盤(pán)掃描時(shí)間提高到5～15min，美國(guó)本土掃描時(shí)間（3000km×5000km）達(dá)到5min，設(shè)計(jì)目標(biāo)要實(shí)現(xiàn)1min，中尺度區(qū)域掃描時(shí)間（1000km×1000km）達(dá)到30s。

先進(jìn)基線成像儀與現(xiàn)有“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”上的成像儀5min成像能力對(duì)比

第二代與第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”成像儀參數(shù)對(duì)比

地球靜止軌道閃電繪圖儀

2）地球靜止軌道閃電繪圖儀。它由美國(guó)洛馬公司先進(jìn)技術(shù)中心負(fù)責(zé)研制，工作在近紅外譜段，空間分辨率8～12km，可全天候地對(duì)發(fā)生在美國(guó)本土及近海上空的閃電進(jìn)行探測(cè)和成像，補(bǔ)充現(xiàn)有陸基的測(cè)量能力。地球靜止軌道閃電繪圖儀能夠?qū)毫犹鞖夂惋Z風(fēng)的預(yù)警時(shí)間提高到20min甚至更快。

3）遠(yuǎn)紫外與X射線輻照度探測(cè)器。它由美國(guó)科羅拉多大學(xué)大氣和空間物理實(shí)驗(yàn)室（LASP）負(fù)責(zé)研制，由2個(gè)可以對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行全盤(pán)觀測(cè)的儀器組成：遠(yuǎn)紫外探測(cè)器（EUVS）和X射線探測(cè)器（XRS），主要用于對(duì)太陽(yáng)耀斑事件的預(yù)警。其中遠(yuǎn)紫外探測(cè)器可在5～127nm范圍內(nèi)探測(cè)太陽(yáng)全盤(pán)遠(yuǎn)紫外通量，X射線探測(cè)器可探測(cè)太陽(yáng)全盤(pán)X射線通量，檢測(cè)太陽(yáng)耀斑的X射線量級(jí)和持續(xù)時(shí)間。

4）空間環(huán)境原位測(cè)量裝置。它由美國(guó)保障技術(shù)公司（ATC）研制，是一組高能粒子探測(cè)器。空間環(huán)境原位測(cè)量裝置包括高能重離子探測(cè)器（EHIS）、高能磁層粒子探測(cè)器（MPS-HI）、低能磁層粒子探測(cè)器（MPS-LO）、太陽(yáng)銀河質(zhì)子探測(cè)器（SGPS）和數(shù)據(jù)處理單元（DPU）5個(gè)組件，可以為導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星和航天員提供潛在的危險(xiǎn)報(bào)警。

地球靜止軌道閃電繪圖儀設(shè)計(jì)參數(shù)

遠(yuǎn)紫外與X射線輻照度探測(cè)器

遠(yuǎn)紫外與X射線輻照度探測(cè)器指標(biāo)

5）太陽(yáng)紫外成像儀。它也是由洛馬公司的先進(jìn)技術(shù)中心負(fù)責(zé)研制，是一個(gè)太陽(yáng)指向、垂直入射的多層望遠(yuǎn)鏡，主要用于研究太陽(yáng)活動(dòng)及其對(duì)地球和近地環(huán)境的影響。太陽(yáng)紫外成像儀的觀測(cè)范圍為9.4～30.4nm，覆蓋軟X射線到紫外波段。太陽(yáng)紫外成像儀能夠觀測(cè)太陽(yáng)紫外線發(fā)射、定位日冕洞、耀斑和日冕質(zhì)量噴射源區(qū)域，提供早期探測(cè)和定位信息。

6）磁強(qiáng)計(jì)。它由洛馬公司研制，將通過(guò)測(cè)量空間環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)外圍磁層的帶電粒子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，這些帶電粒子將會(huì)給飛行器和航天員帶來(lái)危險(xiǎn)。還將提供有關(guān)地磁活動(dòng)總體水平的信息，并對(duì)突發(fā)地磁風(fēng)暴進(jìn)行探測(cè)。此外磁強(qiáng)計(jì)還將用于將對(duì)用于業(yè)務(wù)運(yùn)行的大型空間環(huán)境模型進(jìn)行驗(yàn)證。地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R將通過(guò)磁強(qiáng)計(jì)以0.016nT的分辨率和2.5Hz的響應(yīng)頻率對(duì)地球磁場(chǎng)的3個(gè)組成部分進(jìn)行測(cè)量。

空間環(huán)境原位測(cè)量裝置的5個(gè)組件

5 地面段

地面系統(tǒng)組成及各設(shè)施功能

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星—R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R的核心地面系統(tǒng)由2個(gè)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的主要地點(diǎn)組成：位于馬里蘭州蘇特蘭市的美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局衛(wèi)星運(yùn)行中心（NSOF）和位于弗吉尼亞州沃洛普斯市的控制和數(shù)據(jù)采集站（WCDAS）。第3個(gè)運(yùn)行中心在西弗吉尼亞州費(fèi)爾蒙特市，提供集中備份（CBU）服務(wù)。

美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局衛(wèi)星運(yùn)行中心負(fù)責(zé)地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R絕大部分任務(wù)的運(yùn)行和產(chǎn)品負(fù)責(zé)。在衛(wèi)星運(yùn)行中心的4個(gè)9.1m天線已經(jīng)進(jìn)行了升級(jí)，升級(jí)后的天線將繼續(xù)與現(xiàn)有地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星兼容，并在第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”壽命期間運(yùn)行。

控制和數(shù)據(jù)采集站是用于天地間通信的主要場(chǎng)所。部分?jǐn)?shù)據(jù)將在該站處理并生成用于衛(wèi)星上行鏈路的“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”轉(zhuǎn)播（GRB）數(shù)據(jù)。控制和數(shù)據(jù)采集站還將為衛(wèi)星提供上行鏈路以支持某些獨(dú)有的載荷服務(wù)，除主要GOES任務(wù)數(shù)據(jù)之外還包括提供通信中繼服務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)器。控制和數(shù)據(jù)采集站的3個(gè)16.4m新天線是設(shè)計(jì)用來(lái)在持續(xù)風(fēng)速為110m/h以及陣風(fēng)風(fēng)速高達(dá)150m/h的2級(jí)颶風(fēng)期間運(yùn)行。這些天線均與現(xiàn)有“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”兼容并將繼續(xù)在第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系列壽命期間運(yùn)行。

集中備份中心將作為備份服務(wù)，支持意外運(yùn)行并具備美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局衛(wèi)星運(yùn)行中心和控制和數(shù)據(jù)采集站的所有關(guān)鍵功能。在集中備份中心正在建造的3個(gè)16.4m天線將保持與現(xiàn)有地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星兼容并將繼續(xù)在第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系列壽命期間運(yùn)行。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾種分發(fā)模式

根據(jù)用戶的不同類(lèi)型和潛在數(shù)據(jù)需求，用戶將通過(guò)多種方式訪問(wèn)地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這些產(chǎn)品分發(fā)服務(wù)包括：

1）高級(jí)氣象交互處理系統(tǒng)（AWlPS）。它是一個(gè)集成了氣象和水文數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于使氣象學(xué)家準(zhǔn)備預(yù)測(cè)和發(fā)出預(yù)警。國(guó)家氣象局是地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R數(shù)據(jù)的主要操作用戶，將直接接收來(lái)自高級(jí)氣象交互處理系統(tǒng)接口的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2）產(chǎn)品分發(fā)和訪問(wèn)（PDA）。已授權(quán)用戶將通過(guò)產(chǎn)品分發(fā)和訪問(wèn)系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)接收和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。

3）“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”轉(zhuǎn)播（GRB）。它將使用戶用自己的接收機(jī)接收具有完全分辨率、已校準(zhǔn)的、近實(shí)時(shí)的直接廣播數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

4）綜合大型陳列數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（CLASS）。地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R數(shù)據(jù)還可以通過(guò)綜合大型陳列數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)獲得，該系統(tǒng)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)對(duì)美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔和分發(fā)的系統(tǒng)，讓科學(xué)家、研究人員和專(zhuān)業(yè)學(xué)者對(duì)已存檔的產(chǎn)品（7天之前）進(jìn)行檢查。

地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品

地面系統(tǒng)將接收來(lái)自地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R的源數(shù)據(jù)并生成1b級(jí)和2+級(jí)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。來(lái)自各儀器的1b級(jí)數(shù)據(jù)和來(lái)自廣義拉格朗日乘子（GLM）的2+級(jí)數(shù)據(jù)將經(jīng)由“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”轉(zhuǎn)播服務(wù)，通過(guò)包括衛(wèi)星中繼的方式分發(fā)給直接讀數(shù)的用戶。1b級(jí)產(chǎn)品和2+級(jí)產(chǎn)品將通過(guò)綜合大型陳列數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在內(nèi)的數(shù)據(jù)存檔中心，提供給產(chǎn)品分發(fā)和訪問(wèn)系統(tǒng)。

6 后續(xù)計(jì)劃

第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系列后續(xù)還將發(fā)射3顆衛(wèi)星：地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-S、T、U，這3顆衛(wèi)星分別計(jì)劃于2018、2019和2025年發(fā)射。目前，后續(xù)的這3顆衛(wèi)星的研制工作進(jìn)展順利，其中地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-S的各組件已經(jīng)完成研制，將進(jìn)行衛(wèi)星系統(tǒng)總裝，地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-T、U的各組件研制工作也都取得了重要進(jìn)展。