美国极轨气象卫星的发展历程和面临的挑战

张定媛 高 浩（ 中国气象局气象干部培训学院， 国家卫星气象中心）

美国极轨气象卫星的发展历程和面临的挑战

张定媛1高 浩2（1 中国气象局气象干部培训学院，2 国家卫星气象中心）

Development Course & Challenges of US Polar-orbiting Meteorological Satellites

据美国《每日航天》2015年4月27日报道，美国鲍尔航空航天技术公司已将新一代极轨气象卫星上搭载的5个设备中的4个集成完毕，预计于2016年初开展环境试验，以确保能在2016年底按时交付，在2017年第二季度之前发射升空。极轨气象卫星观测是获取全球范围内地球物理参数的重要手段。1960年，美国把世界上第一颗气象卫星送入太空，开辟了以太空为观测平台获取地球大气信息的新纪元。50多年来，美国极轨气象卫星经历了5个发展阶段，在此，对其不同阶段的进展、特点和变化进行了回顾和总结，探讨了极轨气象卫星在发展和应用上所面临的挑战。

“国防气象卫星计划”卫星在轨飞行示意图

1 引言

气象卫星一般运行于极轨或地球静止轨道。与地球静止轨道卫星和地球保持一个相对固定的位置原理不同的是，极轨气象卫星在高度为800～1000km的上空不断地环绕着接近南北两极的轨道运动，获取大范围、多品种、高精度和较高空间分辨率的资料，为数值天气预报、气候诊断和预测、环境灾害监测等提供有效的全球观测数据。50多年来，美国极轨气象卫星经历了5个发展阶段，更新换代了4次，科技的进步促进了美国在极轨气象卫星研制和地面业务应用方面的不断进步和发展。

多年来，美国一直运行着2个独立的极轨气象卫星系统：由美国海洋和大气管理局（NOAA）管理的“极轨环境卫星”（POES）系列和由美国空军管理的“国防气象卫星计划”（DMSP）。之后，美国的极轨气象卫星发展计划经历了将民用“极轨环境卫星”系列和军用“国防气象卫星计划”整合为军民共用的“国家极轨业务环境卫星系统”（NPOESS）,将“国家极轨业务环境卫星系统”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）,将“国防气象卫星系统”计划取消并仅维持民用“联合极轨卫星系统”项目直至《军用气象卫星现代化可选方案》出台的复杂历程。

目前，军用“国防气象卫星计划”卫星有6颗在轨，民用“诺阿”（NOAA）卫星有3颗在轨。美国当前的业务极轨卫星配置是：“国防气象卫星计划”覆盖清晨轨道；欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）的“气象业务卫星”（Metop）覆盖上午中段轨道；美国海洋和大气管理局的“索米国家极轨业务环境卫星系统预备项目”（S-NPP）卫星覆盖下午轨道。除业务卫星外，美国海洋和大气管理局、美国空军和欧洲气象卫星组织依然维持一些老旧卫星继续进行数据收集，作为业务卫星的备份，以避免其失效或故障带来的影响。

世界第一颗气象卫星—泰罗斯－1模型

2 美国极轨气象卫星的发展历程

气象卫星的历史可追溯到1958年。当时，美国国防部开始开发专门用于气象相关的航天器，该航天器被命名为“电视红外观测卫星”（TIROS，简称“泰罗斯”）。1959年美国航空航天局（NASA）接管该项目。自1960年以来，美国的极轨气象卫星共分为5个不同的发展阶段。

1960-1965年的“泰罗斯”系列

1960年4月1日，第一颗试验性气象卫星泰罗斯－1在美国佛罗里达发射成功，卫星为预报员提供了第一张云图，展示了云的发展和移动过程，从此开启了一个更准确预报天气的时代。“泰罗斯”的开发由美国航空航天局负责，美国国家海洋和大气管理局的前身环境科学管理局（ESSA）负责“泰罗斯”的管理。

其余的“泰罗斯”研究卫星在接下来几年陆续发射，用于测试新的光学镜片和传输技术。例如，泰罗斯－8用于测试一个图像自动传输系统，可以直接将图片传送到地面接收站。1965年发射的泰罗斯－9，首次获取了地球整个白天日照部分的完整覆盖图。

1965年7月2日，第一颗临时业务气象卫星泰罗斯－10发射。同年，雨云－1（Nimbus－1）卫星搭载红外传感器，从太空捕获了第一张夜间图像。泰罗斯－10和雨云－1证明了携带不同仪器和不同环绕地球轨道的气象监测卫星业务系统的可行性。这些早期系统引发了更复杂的气象观测卫星的发展。1960年4月1日－1965年7月2日，共有10颗“泰罗斯”卫星相继发射，这些卫星确保了早年间数据的连续性。这一阶段为试验试用阶段，开展了一系列的关键技术试验，包括电视相机、高级电视相机系统、红外扫描仪、辐射收支仪和辐射计等，为下一阶段的卫星研制发展奠定了重要的基础。

1966-1969年的“环境科学管理局”系列

随着环境科学管理局－1、2卫星的发射，世界上第一个业务气象卫星系统于1966年得以实现。“环境科学管理局”项目的启动是作为“泰罗斯”项目的延伸和补充，为美国国家气象中心提供云层摄影。大约4年间，“环境科学管理局”卫星向地球传输了数千张图像，使得对天气类型包括飓风的预测能够进行。1966年2月3日－1969年2月26日，共有9颗“环境科学管理局”系列极轨卫星发射。其中，奇数号的卫星携带高级光导摄像系统，将资料发送到指令站；偶数号卫星携带自动图像发送器，可向全球发送卫星资料。这一时期为成像仪器业务定性应用阶段，成像仪器资料广泛应用于天气分析预报业务，逐步形成了以云解析为基础的定性卫星气象学。与此同时，成像类扫描辐射计和大气探测仪器也开始研究和发展。

1970-1976年的“改进的‘泰罗斯’业务统”/“诺阿”系列

1970年1月23日，“改进的‘泰罗斯’业务系统”（ITOS）系列第一颗卫星成功发射，被命名为改进的“泰罗斯”业务系统－1。之后，该系列卫星改名为“诺阿”。1970年12月11日－1976年7月29日，诺阿－1～5系列卫星发射。诺阿－1是美国海洋和大气管理局于1970年10月成立后发射的并以其名称命名的首颗卫星。

这一阶段为业务初级阶段，与“环境科学管理局”业务卫星相比，这一代卫星有了很大的改进。“改进的‘泰罗斯’业务系统”/“诺阿”采用三轴定向稳定姿态，使仪器能够连续地对地面观测并获取充分的太阳能。卫星装载的成像仪器甚高分辨率扫描辐射仪（VHRR）和两通道扫描辐射仪（SR），提高了观测分辨率，实现了可见光和红外两通道昼夜云图；大气温度廓线仪器（VTPR）由试验转入业务应用。与此同时，开展了红外和微波关键技术试验，增加了湿度探测和微波探测仪器，为之后多波段全天候遥感积累了重要的经验。

改进的“泰罗斯”业务系统－1在轨飞行示意图

1978-2009年的泰罗斯－N /“诺阿”系列

1973年，美国国家海洋和大气管理局奉命将美国空军“国防气象卫星计划”的Block 5D航天器设计应用于下一代的极轨卫星系列。1978年10月13日，该系列的第一颗卫星泰罗斯－N成功发射，N表示新一代的业务卫星。泰罗斯－N搭载了4光谱通道的先进甚高分辨率扫描辐射计（AVHRR），能够提供昼夜的可见光和红外数据。之后的卫星仍以“诺阿”命名，诺阿－6、7相继发射。1983年3月28日，第一颗改进的泰罗斯－N系列卫星发射，命名为诺阿－8。改进后的卫星体积变大，能源充足，能够携带更多设备。与上一代相比，这一代卫星的观测次数、观测通道和观测资料内容均有所增加。

1994年12月30日，诺阿－14成功发射，由此步入了气象卫星业务稳定阶段。该阶段卫星携带的先进甚高分辨率扫描辐射计和大气业务垂直探测仪（TOVS）等对地遥感观测仪器，可以提供日常业务所需的全球气象和环境资料，同时具有从地面观测平台收集资料和进行太阳质子、电子等监测的能力。先进甚高分辨率扫描辐射计具备定量探测海面和地表温度的业务能力；大气业务垂直探测仪中的高光谱分辨率红外辐射探测仪（HIRS）能够获取地面及各气压层大气温度和湿度分布；平流层探测仪（SSU）能获取平流层温度信息；微波温度仪（MSU）能探测大气温度的垂直分布。微波仪器虽然实现了业务应用，但受波段影响，其对大气的探测贡献仍然有限。此外，还增加了臭氧仪器（SBUV）和地气系统辐射收支（ERBE）测量仪器。

1998年5月13日，诺阿－15成功发射，由此美国的极轨气象卫星进入了稳定发展时期。诺阿－15装有先进微波探测仪－A1、A2、B（AMSU－A1、A2、B），是配备专用微波仪器套装系列卫星的第一颗。该微波探测仪A机用于探测大气温度垂直分布，B机用于探测大气湿度垂直分布，它们提供了全天候大气廓线反演能力。此外，先进甚高分辨率扫描辐射计白天新增了1.6μm观测通道，提高了云雪区分能力。1998－2009年，诺阿－15～19相继成功发射。到目前为止，泰罗斯－N/“诺阿”系列共有15颗卫星发射成功。

诺阿－19在轨飞行示意图

“索米国家极轨环境业务卫星系统预备项目”卫星在轨飞行示意图

2011年至今的“索米国家极轨业务环境卫星系统预备项目”/“联合极轨卫星系统”系列

2010年，美国“国家极轨业务环境卫星系统”重新重组并分割为民用和军用项目后，民用项目由美国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”。“联合极轨卫星系统”是美国的下一代极轨业务环境卫星系统，代表了环境监测领域中重要的科技进步，将有助于推进气象、气候、环境和海洋科学的发展。

2011年10月28日，“国家极轨业务环境卫星系统预备项目”（NPP）卫星发射成功。2012年1月24日，为了纪念已故的卫星气象学之父Verner E. Suomi，该卫星被命名为“索米”（Suomi），即“索米国家极轨业务环境卫星系统预备项目”，它是“联合极轨卫星系统”计划下的第一颗卫星，被认为是连接美国海洋和大气管理局在役极轨卫星系列和美国航空航天局地球观测任务以及“联合极轨卫星系统”卫星系列之间的桥梁。卫星上装载了5个世界领先的有效载荷，包括先进技术微波探测器（ATMS）、可见光/红外成像辐射计（VIIRS）、跨轨扫描红外大气探测器（CrIS）、臭氧成像和廓线仪（OMPS），以及云和地球辐射能量系统飞行模式5（CERES FM5）。上述遥感探测器使其具备了获取多通道图像、全天候气象要素三维分布、气溶胶和云的微物理特性、大气成分和地球大气辐射收支平衡等地球物理参数的能力，可以监测臭氧变化、陆地和海洋生物生产率、探测大气温度和湿度、绘制云图以及测量海洋表面温度。

基于“索米国家极轨业务环境卫星系统预备项目”的成功，美国海洋和大气管理局以及美国航空航天局正按照预算和计划建造第2颗“联合极轨卫星系统”系列卫星，名为联合极轨卫星系统－1，预计于2017年初发射。除星上通信设备外，它与“索米国家极轨业务环境卫星系统预备项目”卫星基本相同。“联合极轨卫星系统”系列计划将发射3颗卫星，联合极轨卫星系统－2预计于2021年发射。目前，美国海洋和大气管理局负责该项目的管理和运行，美国航空航天局负责卫星的开发和制造。

联合极轨卫星系统－1在轨飞行示意图

3 面临的挑战

2010年，美国总统科学和技术政策办公室宣布解散，由美国空军、美国海洋和大气管理局、美国航空航天局三家参与“国家极轨业务环境卫星系统”项目，美国海洋和大气管理局在美国航空航天局的协助下开始发展自己新的卫星项目。美国政府问责办公室的报告指出，由于旧的项目中止与新项目开始之间的时间延迟，在下一代卫星发射和业务化运行之前，卫星数据可能会存在一个缺口，极轨气象卫星数据的连续性面临着危机。目前，美国的极轨卫星监测网由美国国防部、欧洲、美国海洋和大气管理局的卫星分别覆盖清晨、上午和下午的极地轨道，但是这个系统正变得越来越不可靠。极轨气象卫星数据在上午或下午极地轨道上的缺口将导致天气预报精确性和实效性的降低，包括飓风、风暴潮和洪水等极端事件的提前预警也会因此受到影响。不同情况下，下午的极地轨道卫星数据缺口时间跨度有可能从17个月到3年甚至更多。

美国海洋和大气管理局正在为尽快推出下一代极轨环境卫星做出努力。然而，“联合极轨卫星系统”项目正面临风险，它还未按预定的日期完成发射以减小数据缺口。该项目预计将数据缺口的时间跨度缩短到3个月，但是这一估计是基于不一致和未经证实的假设，并且没有考虑到空间碎片会对“索米国家极轨业务环境卫星系统预备项目”的预期寿命造成影响的风险。此外，气象卫星设计使用寿命不足，运行过程中可能与其他卫星、碎片或陨星的碰撞，现代化机器对部分历史资料读取困难以及资料的保存问题，也是气象卫星发展中所面临的难题。

纵观美国极轨气象卫星的发展历程，由于极轨卫星重复观测周期较长，耗资巨大，所以多国在极轨卫星业务上的合作是未来的重要发展方向，避免重复建设，做到资源共享。未来需要开展极轨气象卫星业务的国际合作，形成多颗卫星的观测网，提高观测数据的时间分辨率，以满足数值天气预报、气候变化监测、环境和自然灾害监测方面对气象卫星数据的需求。