“国家极轨业务环境卫星系统预备项目”卫星成功入轨

□□2011年10月28日，德尔他-2运载火箭从范登堡空军基地成功发射了“国家极轨业务环境卫星系统预备项目”（NPP）卫星。NPP卫星是美国地球观测系统（EOS）计划中的一项，也用于完成美国“国家极轨业务环境卫星系统”（NPOESS）的技术验证任务，为长期的气候研究和实时的气象预报提供数据支撑。

1 项目背景及意义

由美国航空航天局（NASA）、NPOESS综合项目办公室（IPO）以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）于1998年共同启动了NPP任务，NPP卫星本是NPOESS的技术验证星，主要目的是降低NPOESS的风险，并对其重要有效载荷进行飞行验证。

2010年2月，NPOESS项目因严重成本超支和延期而进行了重组，分割为民用和军用项目，分别为“联合极轨卫星系统”（JPSS）和“国防气象卫星系统”（DWSS）。尽管如此，NPP卫星仍将按原计划发射升空，并作为业务运行卫星。NPOESS项目的重组使NPP系统从上午轨道转移至下午轨道，以减小天气预报和气候监测数据之间的缺口，成为维系当前卫星星座和下一代系统的重要角色。NPP卫星作为EOS的一项计划， 不但可用于保持EOS系列任务[“土”（Terra）卫星、“水”（Aqua）卫星和“气” (Aura) 卫星]和第一颗JPSS卫星之间的数据连续性，其有效载荷的研制、测试和飞行经验将对JPSS项目具有重要意义。

2 卫星概况

NPP卫星采用铝蜂窝结构，设计寿命5年，净质量约1400kg。它运行在轨道高度824km、倾角98.7°的太阳同步极轨道，轨道周期101min，降交点地方时为10：30，轨道重复周期为16天。

NPP卫星采用了鲍尔宇航技术公司的BCP-2000型卫星平台。该平台可搭载多种对地观测有效载荷，具备精确的定位控制、灵活的数据传输链路以及可控的再进入功能。而平台的数据通信采用MILSTD-1553和IEEE 1394数据网络系统。

NPP卫星为三轴姿态稳定，姿态控制系统（ADCS）使用4个反作用轮进行精确姿态控制。ADCS可提供10°的实时姿态敏感精度，卫星实时定位精度为25m，姿态控制精度为36°。

NPP卫星电源分系统（EPS）使用砷化镓太阳电池，寿命末期平均功率约2kW，额定电压为（28±6）V。卫星每飞行1圈太阳电池阵旋转1次，以保持一直指向太阳方向。指挥和数据处理分系统（C&DHS）负责收集有效载荷的数据（最高速率为12Mbit/s）并进行星上存储。C&DHS还可将星上数据存储在通信系统，用于传输至地面。此外，C&DHS还能产生15Mbit/s的实时数据流，包括有效载荷科学和遥测数据，通过X频段直接传输至地面站。

NPP卫星在轨飞行示意图

NPP卫星主要参数

3 卫星有效载荷

先进技术微波探测器（ATMS）

ATMS是由诺格公司负责研制，为下一代穿轨微波探测器，用于提供日常的全球大气温度、湿度和压力测量。它将综合目前微波温度探测器（现今微波探测器AMSU-A）和微波湿度探测器（AMSU-B）的观测能力，以减轻质量和减少功率消耗，提高微波接收器的电子技术。ATMS还将装载在欧洲气象卫星组织的下一代极轨卫星上。ATMS继承了AMSU-A/B的特点，但其尺寸、质量和功率都有所降低。

ATMS具有22个微波谱段，幅宽2300km，在23GHz、31GHz、50GHz、89GHz、150GHz和183GHz光谱范围内具有温度和湿度探测能力，可以获得高空间分辨率全球温度、湿度廓线。随着前端微波光学技术的发展，ATMS的22个通道可分为两组：低频组（23～57GHz）、高频组（88～183GHz）。低频通道（1～15GHz）主要用于探测温度，高频通道（16～22GHz）主要用于探测湿度。

ATMS有效载荷外观图

ATMS有效载荷的数据通过MIL-STD-1553B平台传输至卫星。ATMS质量约75.4kg，轨道平均功率约93W，数据率为20kbit/s（平均）和28kbit/s（最大）。

可见光/红外成像辐射仪（VIIRS）

VIIRS是一个扫描辐射计，它同时综合了极轨环境卫星（POES）先进甚高分辨率辐射计的辐射精度和“国防气象卫星计划”（DMSP）线性扫描业务系统的高空间分辨率（0.65km）的特点。VIIRS将具有22个通道，包括可见光和近红外、短波和中波红外，以及长波红外，此外还具有海洋水色观测专用能力。VIIRS可分为高分辨率和中分辨率两种工作模式，高分辨率模式水平采样间距为400～800m，幅宽为3000km，而中分辨率模式水平采样间距是高分辨率模式的两倍。VIIRS将提供海洋表面温度、大气气溶胶、雪覆盖、云覆盖、表面反射率、海冰和海洋水色观测数据。

穿轨迹跟踪红外探测器（CrIS）

CrIS是一个傅立叶变换光谱仪，采用迈克逊干涉探测器以甚高光谱分辨率（1300个谱段）探测3～16μm的红外辐射，确定从地面到上层大气的温度、湿度和压力的垂直分布。CrIS采用一个具有9个视场的阵列，每个视场直径达14km，覆盖3个红外波段。CrIS幅宽约2200km，其数据可与无源微波遥感器数据结合，生成对流层大气温度廓线，温度分辨率为1K，层高1km，同时还可生成湿度廓线，精度达到15%，层高2km。

VIIRS有效载荷结构图

臭氧监测与廓线配套装置（OMPS）

OMPS主要用于收集臭氧监测数据，计算大气层臭氧垂直和水平分布。OMPS由天底点扫描臭氧绘图仪和临边扫描辐射计组成，臭氧绘图仪的功能类似于NASA的总臭氧绘图光谱仪（TOMS），临边扫描辐射计可提供臭氧廓线，垂直分辨率达到3km，而目前POES卫星装载的太阳后向散射紫外探测器（SBUV）分辨率只有7～10km。

云层和地球辐射能测量系统（CERES）

CERES是一个三信道辐射计，用于测量来自大气层上方的太阳反射和地球辐射。另外它还可用于测定云层特性，包括数量、高度、厚度、粒子大小以及云相。热带降雨测量卫星（TRMM）、Terra和Aqua上都装有该有效载荷。

有效载荷用途

NPP有效载荷将用于验证改进后的成像和辐射数据在短期天气“现报”和预报中的效能，以及在其他海洋和陆地应用中的作用，包括监测臭氧变化、陆地和海洋生物生产率、大气浮质浓度以及气候系统的辐射平衡情况；另外还能够探测大气温度和湿度、绘制云图以及测量海洋表面温度。

NPP卫星有效载荷能产生NPOESS的59个环境数据记录（EDR）中的29个。

NPP卫星正在接受电磁干扰测试

CrIS主要参数

CERES技术参数

测试中的NPP卫星

四类环境数据及图像

CrIS和ATMS可共同进行探测，它们联合起来可称为“穿轨红外微波探测组件”（CrIMSS），对大气温度进行全球三维探测、并产生湿度和压力分布图。

4 项目分工

IPO负责研制NPP卫星上的3个主要效载荷： VIIRS、CrIS和OMPS。NASA戈达德空间飞行中心（GSFC）负责研制先进技术微波探测器（ATMS）。NASA兰利大气科学数据中心（LaRC）负责研制CERES。NASA除了负责NPP卫星外，还提供运载火箭（德尔他-7920）。IPO负责卫星的运行和数据处理；NASA也提供地面数据处理，以支持地球科学任务的需求。

5 卫星地面系统

NPP地面段包括如下两个部分：

· 指挥控制和通信段（C3S），IPO负责。C3S将负责NPP卫星的运行。它还将提供数据网络，以发送任务数据至地面接收站。作为NPP运行的一部分，C3S将负责总任务管理以及JPSS项目运行的协调。

· 交互数据处理段（IDPS），IPO负责。IDPS将获取原始数据和从C3S接收的遥测数据。它将处理原始数据记录（RDRs）、传感器数据记录（SDRs）以及环境数据记录（EDRs）。RDRs为全分辨率校准原始数据记录；SDRs为全分辨率地理定位与校准遥感器数据。EDRs为全过程数据，包括环境参数或图像。RDRs、SDRs和EDRs将用于四个美国操作处理中心（OPCs），用于对最终用户进行处理和分发。■