美国商业卫星气象服务发展初探

● 文 |北京空间科技信息研究所 宋晶晶

美国商业卫星气象服务发展初探

● 文 |北京空间科技信息研究所 宋晶晶

近几年，商业天基服务领域正在发生快速变化，产生了一些建造、发射和运营卫星的新技术和商业途径，并将卫星能力作为一种服务进行商业销售。作为全球商业卫星气象服务市场的领军者，美国在该领域表现尤为活跃，商业气象数据政策不断出台，新兴的商业气象数据服务公司迅速发展，美国将通过对气象数据供应新型业务模式的不断探索，来弥补政府机构现有能力的不足，从而确保国家天气预测和预警服务能力不断提升。

一、美国传统气象卫星系统及运行管理概况

美国的气象卫星系统由极轨气象卫星和静止轨道气象卫星组成，卫星观测系统稳定，是全球气象卫星观测系统的主要组成部分，采用军民独立研制、协同应用的发展方式，来满足军民领域的应用需求。

目前美国极轨气象卫星系统由民用“诺阿”（NOAA）系列、“国家极轨业务环境卫星预备项目”（Suomi NPP）卫星和国防部运营的军用“国防气象卫星计划”（DMSP）系列组成，分布在3个太阳同步轨道面，可以获取多个时段的全球气象数据。静止轨道气象卫星系统为民用“地球静止轨道环境业务卫星”（GOES）系列，定点在美国东、西海岸上空，卫星数据同时也为军方所用。

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）负责美国民用极轨和静止轨道气象卫星，其下属的国家环境卫星、数据和信息服务中心（NESDIS）建立并维护着规模庞大的气象数据，并利用这些数据开展气象学、气候学和海洋环境应用研究。

NOAA成立了卫星产品与运行办公室（OSPO）负责收集、处理和分发环境卫星数据与衍生产品，应用范围包括地球气候、大气、海洋、陆地和临近空间领域，使用对象为国内和国外用户。OSPO还负责管理中央地面设施的运行，包括获取、处理和分发环境卫星数据与衍生产品，确保持续与稳定的卫星数据和产品。

二、气象卫星发展政策的改变

早在1984年和1992年的法案中，美国就明确提出禁止气象卫星商业化。1992年的法案中提到，无论是美国总统，还是任何政府官员，都不得将气象卫星系统租赁、出售或转让给私营部门，或使其商业化。全球气象卫星基本上都应用于公益事业。

近年来，全球商业航天领域正在发生快速变化，2013年美国众议院通过的《2013年气象预报改进法案》，初步为应用商业气象数据扫清了法律障碍。该法案对美国当前禁止将由纳税人资助的气象卫星私有化的法律进行了修正，明确提出允许NOAA采购商业数据，或在商业卫星上搭载政府气象有效载荷，或在政府卫星上搭载商业气象有效载荷。

2015年9月1日，NOAA发布了《商业航天草案》，希望从能够提供满足政府数据标准的商业运营卫星和仪器方采购气象数据，以规范商业气象卫星数据的使用。根据该草案，首先由NOAA国家气象服务中心确定可出售数据的类型，然后由NOAA卫星和信息服务中心判断现有的或规划的商业系统是否能满足需求。NOAA还将发布应用商业气象数据的流程指南和质量标准，该指南将按照《商业航天草案》，通过空间商业化办公室这个接口，明确NOAA和有意向的商业气象公司之间的合作规则。

2016年以来，美国更加紧密出台商业气象数据政策，使商业卫星气象服务有了实质性的发展。2016年1月，NOAA正式发布名为《商业航天政策》的机构指导方针，该政策重点关注天基观测数据，为数据采购以及其他共计4类商业航天活动制定了6条指导原则；围绕7个方面落实利用商业航天的具体措施；建立了NOAA利用商业航天的管理架构，规定了商务部海洋与大气副部长、NOAA商业航天办公室、NESDIS等12个职务与部门在政策实施中的具体分工与职责范围。《商业航天政策》的发布为NOAA建立了一个顶层的商业天基方案框架，使其能充分利用当前不断发展的商业气象卫星及商业气象载荷能力。

三、美国新兴的商业卫星气象服务企业发展情况

由于美国政府部门在更新其日渐老化的气象卫星星座时面临诸多困难，从而为商业供应商提供了销售天基遥感仪器气象数据的机会。美国空军开发了一个长期的气象卫星战略，因此正在考虑使用商业气象数据服务来覆盖预报能力上的缺口。

2015年12月底，空军在联邦商业机会网站上发布信息征询书，希望制定一份能够阐述气象行业“利用现有在轨以及未来规划的气象卫星，通过商业服务提供气象数据的长期利益”的白皮书。这份征询书显然是对于利用现有商业数据满足需求进行服务的首次尝试。一些国会议员，如众议员吉姆·布莱登斯已经建议由联邦机构采购商业气象数据，而不是由政府机构，如国防部或NOAA开发自身的系统。

在这样的背景下，数个卫星初创公司都表示他们有兴趣向NOAA销售数据，以获取期望的商业利润，如斯派尔公司（Spire）、行星智能公司（PlanetiQ）和地理光学公司（GeoOptics）等新兴公司都已经宣布了商用气象卫星系统的发展计划，将部署十几个星座、上百颗小卫星来采集GPS无线电掩星数据。但由于NOAA坚持认为美国有义务免费共享全球卫星数据，尽管有志于商业气象的公司应该乐于对国家气象服务中心用于创建日常天气预报的数据进行补充，但如果到时候政府免费共享数据，商业气象卫星公司则可能因此存在顾虑而不愿意同其进行业务往来，这将会对商业卫星气象服务领域的进一步发展造成影响。

1. Spire公司

2015年9月28日，以“卫星数据公司”自称的美国Spire公司发射了由4颗狐猴-2（Lemur-2，见图1）卫星组成的商业气象小卫星星座。2016年3月23日和10月17日，又分别发射了9颗和4颗Lemur-2卫星，其中1颗释放失败。Spire公司将利用该星座为政府和商业用户采集气象数据，从销售数据起步，后续逐步发展基于气象数据的增值服务，以响应不同用户的定制化需求。

Lemur-2卫星基于3U立方体卫星设计，使卫星比其他公司规划的卫星更加小型化、轻量化。该星座采用GPS无线电掩星技术获取气象数据，将获取的大气层温度、压力和湿度垂直分布数据输入气象预测模型来实现气象预测。Spire公司计划在未来两年半时间里将星座规模扩展至100颗以上。届时，Spire公司会继续用更先进的卫星更新星座，每隔6个月替换掉现役卫星的1/4，以保持技术更新和全星座的运行能力。此外，Spire公司已经与美国及其他国家的政府和商业用户签订了一系列合同，并正在研发由20个地面站组成的地面网络，用于接收卫星数据。

2. PlanetiQ公司

总部位于美国马里兰州的PlanetiQ公司在2015年2月宣布了发射其首个商业气象小卫星星座的计划，该星座由18颗部署在低地球轨道的小卫星组成，将成为全球首个专用于气象、气候和空间天气观测的星座。2015年12月，PlanetiQ公司与印度空间研究组织（ISRO）签署合同，首批2颗卫星将作为次级载荷搭载于印度的“极轨卫星运载火箭”（PSLV）发射升空，至2017年发射完12颗星，其余6颗将在2019年前发射。

PlanetiQ公司选择蓝色峡谷技术公司（Blue Canyon Technologies LCC）作为合作伙伴，负责建造该星座。如图2所示，每颗卫星将搭载一个第四代无线电掩星探测仪Pyxis-RO，接收来自4个全球导航卫星系统——GPS、GLONASS、Galileo和北斗的信号。届时有12颗在轨卫星的PlanetiQ星座每天将进行约34000次掩星探测，可为用户提供八百万个近实时观测数据，平均传输时间为3min，这些高密度采样的观测数据均匀分布于全球的陆地和水域。每次掩星探测将以小于200m的间隔从地球表面到电离层进行测量，可提供具有极高垂直分辨率的大气垂直分布图，这对于极端天气事件和空间天气预测十分重要，将极大提高天气预测能力。

3. GeoOptics公司

美国卫星气象数据服务公司GeoOptics在2015年宣布发展一个小卫星星座，该星座名为“连续地球遥感观测一致性倡议”（CICERO），由24颗单星质量低于100kg的微小卫星构成，星上搭载全球导航系统无线电掩星探测仪，接收来自GPS和Galileo两个全球导航卫星系统的信号。该星座由GeoOptics公司和美国大气与环境研究公司（AER）合作开发，数据产品包括高精度大气压力、温度和湿度的垂直分布，电离层电子的3D分布图，以及大量海洋和冰特性数据产品。

四、美国新型的商业卫星气象服务案例

近期频繁出台的各项政策为气象数据服务的发展带来了机遇，其中有两个当前受到重点关注的气象数据服务案例——太阳风暴数据服务和GPS无线电掩星数据服务。

1. 太阳风暴数据服务

2015年10月30日，由于对卫星导航和通信系统、电网以及在遇到强太阳风暴时会产生地磁流的其他系统的担忧日益加剧，白宫发布了《国家空间天气行动计划》，作为新发布的《国家空间天气战略》的发展路线图。该计划要求空间天气领域的各政府机构，包括NOAA、NASA、美国空军和国家科学基金会等，设计采集空间天气数据的方法，并对其他政府机构进行培训，以及在制定未来的长期观测计划中考虑使用商业数据。《国家空间天气行动计划》已于2015年经奥巴马总统批准后开始施行，预计于2018年10月完成。

2016年4月27日，白宫发布了《空间天气研究和预测法案》，旨在将不同政府机构在预测和研究空间天气、电网以及其他重要基础设施抗地磁风暴安全性的活动中所负的职责立法。该法案指示NOAA针对现有提供数据的卫星开发失效时的备用计划，特别是发射于1995年的“太阳与日光层观测”（SOHO）卫星（见图3）。政府机构还将开发下一代空间天气仪器的研制计划，可能会作为主载荷或搭载小卫星飞行，所需要的数据可以从商业公司以及全世界范围内获取。该法案还对更好地了解太阳风暴的强度和频率设定了基准，要求美国国土安全部对重要基础设施抗太阳风暴的能力进行研究。

上述政策对于商业公司来说存在发展机遇之一是与NOAA合作研制一颗卫星，用以替换运行了近20年的SOHO卫星。该卫星定位于第一拉格朗日点，即L1点是一个介于地球和太阳之间，在引力作用下保持稳定的点，极其适用于进行空间天气观测。

NOAA对商业空间天气数据的采购情况已经进行了数年的调查研究。2008年，NOAA花费20万美元对5个公司进行了商业空间天气应用可行性研究：包括铱星通信公司（Iridium Communications）、 空 间 服 务 公 司（Space Services Inc.）、轨道通信公司（Orbcomm）、微卫星系统公司（Microsat Systems）和GeoOptics公司。

NOAA最近一次在空间天气领域给工业界的倡议是在2014年，发布了利用L1轨道卫星采集太阳风暴数据的要求。按照《国家空间天气行动计划》，到2017年年底，NOAA与美国空军和NASA协商后，必须向白宫提交关于发展下一代L1轨道卫星替代这颗美欧合作的SOHO卫星的报告。新卫星将要搭载的主载荷是日冕观测仪，用于观测太阳外圈。该卫星上还将搭载其他空间天气载荷，例如能直接采样太阳风暴粒子的仪器。作为SOHO卫星替换计划的一部分，管理部门特别指示NOAA要考虑商业解决方案和国际合作。

2. GPS无线电掩星数据服务

2016年4月10日，NOAA发布了首个“商业气象数据试点”（CWDP）计划，美国国防部将从商业公司采购气象试验数据，美国国防部长在一年期限终止时向国会提交商业数据的评估报告。NOAA将依据CWDP计划的评估结果制定目前由NESDIS进行的下一代卫星观测计划。

NOAA对商业卫星系统是否能够提供可用于天气预报的数据，特别是对GPS无线电掩星系统将增加还是取代现有数据来源一直表示怀疑。尽管很多公司声称有若干在轨硬件，但尚未有任何一家能够证明其所提供的数据达到了能够加入国家气象服务的水平。通过CWDP计划可确保用来替代的数据能够具有与之前数据相同或更优质的价值。

NOAA根据去年收集到的官方信息认为，GPS无线电掩星数据是最适用于该数据试验计划的类型。在向所有潜在商业提供商征询该类数据后，2016年9月，NOAA将CWDP计划的最初两个合同分别授予了GeoOptics公司和Spire公司。按照合同，这两家公司将于2017年4月向NOAA提供GPS无线电掩星数据，NOAA将在2017年接下来的时间内对这些数据进行评估，并最终于2018年初完成对该类数据有效性的评估报告。

NOAA目前使用 “气象、电离层和气候星座观测系统”（COSMIC）（见图4）的GPS无线电掩星数据，对其它气象卫星数据进行补充。目前正在研制一个名为气象、电离层和气候星座观测系统-2（COSMIC-2）的后续系统，COSMIC-2将携带由美国空军开发的空间天气载荷。该项目由于美国国会的资金问题而前景未定。按照计划，12颗COSMIC-2卫星应于2018年前完成部署。

未来，随着商业航天市场的进一步发展和成熟，相关气象数据政策的不断出台，以往由政府机构提供单一服务的格局将进一步被打破，由私营领域提供商业气象数据的趋势将保持强劲增长，并占据显著的市场份额。

[1]NOAA Cites Data-sharing obligations in Draft Commercial Weather Policy[EO/BL].http://spacenews.com/noaacommercial-space-policy/. 2016.9.

[2]NOAA Commercial Space Policy[EB/OL].http://www.space. commerce.gov/pol icy/noaa-commercial-space-pol icy/. 2016.1.

[3]CICERO[EO/BL].http://space.skyrocket.de/doc_sdat/cicero. htm. 2016.11.

[4]Space weather bill introduced in U.S. Senate[EO/BL]. http://spacenews.com/space-weather-bill-introduced-inu-s-senate/. 2016.4.

[5]NOAA issues timeline for commercial weather data pilot[EO/BL]. http://spacenews.com/noaa-issues-timelinefor-commercial-weather-data-pilot/. 2016.4

[6]Two companies win first NOAA commercial weather contracts[EO/BL]. http://spacenews.com/two-companieswin-first-noaa-commercial-weather-contracts/. 2016.9.