美国下一代极轨气象卫星系统及最新发展

2014-08-14龚燃北京空间科技信息研究所

国际太空 2014年1期

龚燃（北京空间科技信息研究所）

美国非常重视极轨气象卫星数据的连续性，20世纪90年代初就开始规划其下一代极轨气象卫星系统的发展。在过去的20年间，美国的极轨气象卫星发展计划经历了将军用“国防气象卫星计划”（DMSP）和民用“极轨环境卫星”[（POES），又称“诺阿”（NOAA）卫星]整合为军民共用的“国家极轨业务环境卫星系统”（NPOESS）、“国家极轨业务环境卫星系统”计划终止并重组为军用“国防气象卫星系统”（DWSS）和民用“联合极轨卫星系统”（JPSS）、取消“国防气象卫星系统”计划并仅维持民用“联合极轨卫星系统”，直至最新军用极轨气象卫星方案出台的复杂历程，其未来发展还难以最终确定。

1 美国极轨气象卫星系统的发展历程

美国出台军民共用的气象卫星发展计划

多年来，美国一直由国防部（DoD）与国家海洋和大气管理局（NOAA）分别独立运行军用的“国防气象卫星计划”和民用的“诺阿”。目前，军用“国防气象卫星计划”卫星有6颗在轨，还有2颗卫星未发射；民用“诺阿”卫星有5颗在轨，最后一颗诺阿－19卫星已于2009年2月发射。

考虑到军用和民用极轨气象卫星的任务基本相同，都是收集、处理和分发气象、海洋和空间环境数据，因此美国决定合并“诺阿”和“国防气象卫星计划”。1994年5月，克林顿发布总统令，将这2个卫星系统合并为军民共用的“国家极轨业务环境卫星系统”。

“国家极轨业务环境卫星系统”军民共用项目出现危机

“国家极轨业务环境卫星系统”项目的进展并不顺利。2005年11月，美国政府问责办公室（GAO）对该项目进行评估，认为其经费超支、进度延误，并且项目管理在主承包商、分承包商、项目办公室和执行领导层等诸多方面出现问题，导致该项目处于危机之中。

2006年6月，由于成本超支和进度延期，国防部对“国家极轨业务环境卫星系统”项目进行了重组，包括减少卫星和有效载荷数量，以及降低部分有效载荷的性能。另外，该项目由美国空军、国家海洋和大气管理局、美国航空航天局（NASA）三家共同负责，管理模式混乱，灵活性差。于是2009年6月，政府问责办公室和项目独立审查小组建议解散三家共管模式，全部由国家海洋和大气管理局负责。

然而，项目进度延期和成本超支等问题依然严重。基于进度已落后计划5年，成本超过计划经费的100%，达到139亿美元，2010年2月，独立评审小组和美国国会建议终止“国家极轨业务环境卫星系统”项目。因此，白宫在2011财年的预算申请中提出停止该项目，终止国家海洋和大气管理局与美国空军关于该项目的合作以及美国空军与诺格公司的合同。

军民两用系统重新分家

2010财年，“国家极轨业务环境卫星系统”重新分割为民用和军用项目，民用项目由国家海洋和大气管理局委托美国航空航天局负责管理，命名为“联合极轨卫星系统”；军用项目由国防部负责管理，命名为“国防气象卫星系统”。此外，欧洲“气象业务”（Metop）卫星系列为美国提供上午轨道的极轨气象卫星数据。

成功发射下一代极轨气象卫星预备项目卫星

2010年，项目重组和分割后，“国家极轨业务环境卫星系统预备项目”（NPP）卫星仍按原计划发射，并成为美国“地球观测系统”（EOS）的一颗业务卫星，用于保持“地球观测系统”任务和首颗“联合极轨卫星系统”之间的数据连续性。此外，该卫星有效载荷的研制、测试和飞行经验对“国家极轨业务环境卫星系统”项目具有重要意义。

2011年10月28日，“国家极轨业务环境卫星系统预备项目”卫星搭乘德尔他－2运载火箭从范登堡空军基地成功发射。2012月1月24日，为了纪念已故的卫星气象学之父弗纳·索米，该卫星被重新命名为“索米NPP”（Suomi NPP）卫星。该卫星原计划作为“国家极轨业务环境卫星系统”的技术验证星，对重要有效载荷进行飞行验证，以降低系统的研制风险。

2 下一代极轨气象卫星系统介绍

“联合极轨卫星系统”

美国航空航天局戈达德航天飞行中心负责“联合极轨卫星系统”的采购和集成。据相关报道，该计划的全寿命周期成本为129亿美元，其中包括“索米NPP”、联合极轨卫星系统－1和2以及自由飞行者－1（Free Flier－1）和2等5颗卫星的研制和运行成本。

“索米NPP”卫星是“联合极轨卫星系统”计划下的第一颗卫星，轨道高度824k m，倾角98.7°，轨道周期101min，降交点地方时10：30。卫星总质量2000k g，设计寿命5年，采用BCP－2000平台，三轴姿态稳定，姿态敏感精度优于10″，姿态控制精度优于36″，实时定位精度优于25m。

“国防气象卫星系统”

卫星主要有效载荷包括先进技术微波探测器（ATMS）、可见光红外成像辐射仪（VIIRS）、跨轨红外探测器（Cr IS）、臭氧制图与垂直分布组件（OM PS）以及云和地球辐射能量系统（CERES）。这些有效载荷不但可以用于监测臭氧变化、陆地和海洋生物生产率、大气成分以及气候系统的辐射收支平衡；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。

联合极轨卫星系统－1卫星是该计划下的第2颗卫星，计划于2017年秋季发射。除星上通信设备外，与“索米NPP”卫星基本相同。

“国防气象卫星系统”

2010年6月，美国五角大楼向国会提交了“国防气象卫星系统”的初步要点，并指出首颗卫星最早于2018年发射。“国防气象卫星系统”将位于上午轨道，主要有效载荷包括可见光红外成像辐射仪、空间环境监视器（SEM-N，原计划由“国家极轨业务环境卫星系统”携带）以及一个尚未确定的微波遥感器。

“国防气象卫星系统”保留了“国家极轨业务环境卫星系统”计划的核心设计、功能和可靠性，同时优化了有效载荷的体积和功率。“国防气象卫星系统”的卫星平台由诺格公司研制，该卫星质量是“国家极轨业务环境卫星系统”平台的2/3，功率是其平台的1/2。

3 最新发展动态

新军用极轨气象卫星方案出台，发展方向仍不明确

2012财年，美国空军为“国防气象卫星系统”项目申请了4.45亿美元的经费，但2012年1月23日，美国空军宣布了最终的国防授权法案和拨款法案，仅提供了4300万美元用于终结该项目，这一事件说明此项目正式终止。

2012年11月，美国国会预算办公室（CBO）发布了《军用气象卫星现代化可选方案》（以下简称《方案》）报告。《方案》认为，美国国防部下一代军用气象卫星系统将耗资44亿～61亿美元，包括2颗卫星的研制、发射以及在轨运行等（到2037年）。

联合极轨卫星系统－1卫星外形图

对于下一代军用气象卫星系统，《方案》提出了3种可选方案，并详细评估了每种方案的性能及相应成本。其中，耗资最大的方案将对“国防气象卫星系统”有效载荷进行全面改进和升级；耗资中等的方案将采用为民用极轨气象卫星研制的可见光红外成像辐射仪，其总成本约为49亿美元；而耗资最少的方案则仅改进空间环境监视器，但卫星性能也最弱。

此外，《方案》还讨论了美国国防部可能采取的其他方法。例如，在多颗小卫星上部署一台探测器，而不是在一颗卫星上集成多个探测器；完全放弃下一代军用气象卫星计划，而依靠其他卫星系统如民用“联合极轨卫星系统”和“欧洲极轨卫星系统”（EPS）所获取的气象数据。

联合极轨卫星系统－1确定最终研制合同

2012年8月13日，美国航空航天局宣布已分别与4家公司签订了联合极轨卫星系统－1平台及其有效载荷的研制合同。

联合极轨卫星系统－1平台及其有效载荷合同在2011年9月－2012年6月之间签订。据美国海洋与大气管理局透露，联合极轨卫星系统－1及其有效载荷研制合同的总价值约为6.555亿美元。鲍尔宇航技术公司负责研制联合极轨卫星系统－1平台和臭氧制图与垂直分布组件，合同价值分别为2.804亿美元和6110万美元。雷声航天航空系统公司负责研制可见光/红外成像与辐射组件，合同价值1.882亿美元，将用于阿拉斯加等地区的极端天气监测，以及火山灰和森林火灾的探测和跟踪。ITT埃克塞勒斯地理空间系统公司负责研制穿轨红外探测器，合同价值9110万美元。诺格电子系统公司负责研制先进技术微波探测器，合同价值3470万美元。

美国国会预算办公室提出的军用气象卫星方案

此外，“联合极轨卫星系统”的通用地面系统的合同于2011年7月授予雷声情报与信息系统公司，合同价值为14亿美元；挪威航天中心（NSC）将为“联合极轨卫星系统”项目提供综合数据支持服务，如卫星数据接收与分发服务等。双方签订的固定价格合同价值2200万美元，包括1年期的基础服务合同和4个1年期的可选合同。

美国极轨气象卫星数据连续性仍面临危机

目前，美国国防部、美国海洋和大气管理局及欧洲气象卫星组织（Eumetsat）基于各自的极轨气象卫星系统，互通探测仪器，共享数据，以实现全天时的持续覆盖能力。其中，“国防气象卫星计划”卫星覆盖时间最早的上午轨道；欧洲气象卫星组织的“气象业务卫星”覆盖稍后的上午轨道；“国家极轨业务环境卫星系统预备项目”卫星覆盖下午轨道。

下午轨道数据方面，“国家极轨业务环境卫星系统预备项目”卫星计划于2017年由联合极轨卫星系统－1卫星替代。但即使按照最好的情况估计，该卫星能够持续工作5年，且联合极轨卫星系统－1卫星能够如期发射，下午轨道的气象卫星数据仍将面临长达17个月的缺口。

上午轨道数据方面，美国海洋和大气管理局原计划在自己的卫星出现覆盖缺口时，依靠美国空军的军用极轨气象卫星和欧洲的极轨气象卫星保持观测数据的连续。然而，后两者同样面临着严重的不确定性。美国国会已命令空军取消“国防气象卫星系统”计划，目前上午轨道数据的收集仍不得不依靠20世纪90年代研制的“国防气象卫星计划”卫星，尽管“国防气象卫星计划”系列卫星中还有两颗没有发射，正常情况下，这两颗卫星将能工作至2026年，但老化的“国防气象卫星计划”卫星的可靠性值得怀疑。

与此同时，美国政府预算的大幅削减也对欧洲气象卫星组织的下一代“欧洲极轨卫星系统”计划造成了影响，美国海洋和大气管理局已表示无法按计划为“欧洲极轨卫星系统”提供3个遥感器。受此影响，“欧洲极轨卫星系统”计划的首颗卫星可能无法按时发射，从而难以在预计寿命末期以前替换“气象业务卫星”系列的最后一颗卫星。