制成十?dāng)?shù)載，今始上太空

司馬杭仁

2014年4月3日，美國(guó)空軍從加州范登堡空軍基地用“宇宙神-5”（Atlas V）火箭成功發(fā)射1顆軍用氣象衛(wèi)星—“國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃-F19”（DMSP-F19）。該衛(wèi)星由洛克希德·馬丁公司建造，價(jià)值5.18億美元。衛(wèi)星重1233.8千克，運(yùn)行在約847千米高的極地軌道上，能夠獲取可見(jiàn)光和紅外云層覆蓋，測(cè)量降雨量，以及采集特定的氣象信息。它是美國(guó)2009年以來(lái)發(fā)射的首顆DMSP衛(wèi)星，可向地面連續(xù)發(fā)送圖像，監(jiān)測(cè)全球天氣狀況，幫助美國(guó)軍方在全球范圍識(shí)別確定雷暴、颶風(fēng)和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度。此外，它還承擔(dān)了民事用途，將會(huì)通過(guò)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局為公眾提供廣泛的氣象信息。

軍用氣象衛(wèi)星效能顯著

氣象衛(wèi)星在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用日益明顯，例如，用“鎖眼-12”光學(xué)成像偵察衛(wèi)星拍攝重要軍事目標(biāo)或戰(zhàn)機(jī)出動(dòng)前，需要知道目標(biāo)空域的云層情況；航行中的艦艇需了解未來(lái)的海浪、水速以及是否大霧或臺(tái)風(fēng)等情況的氣象情報(bào)；空襲導(dǎo)彈的命中精度也與大氣溫度、壓力和風(fēng)速等密切相關(guān)，氣象衛(wèi)星已成為從空間獲取戰(zhàn)略目標(biāo)和作戰(zhàn)地區(qū)氣象情報(bào)的重要手段，而民用氣象衛(wèi)星也常被用于各國(guó)軍事行動(dòng)的氣象支持。

在美國(guó)1999年空襲南聯(lián)盟的作戰(zhàn)行動(dòng)中，由于巴爾干地區(qū)春季天氣多變，且丘陵地形起伏，給空襲行動(dòng)帶來(lái)很大變數(shù)，也對(duì)定時(shí)獲取特定目標(biāo)圖像的偵察衛(wèi)星造成了顯著的影響。北約為此動(dòng)用了10顆軍用和民用氣象衛(wèi)星，從不同角度獲取氣象信息，為空襲行動(dòng)提供氣象服務(wù)保障。

目前，在世界上已有多個(gè)國(guó)家擁有民用氣象衛(wèi)星，但只有美國(guó)擁有軍用氣象衛(wèi)星。相比于民用氣象衛(wèi)星，兩者工作原理相同，但軍用氣象衛(wèi)星分辨率更高、保密性好。

DMSP衛(wèi)星發(fā)展歷程及性能

DMSP由美國(guó)國(guó)防部發(fā)展，與民用“諾阿”衛(wèi)星同屬極軌氣象衛(wèi)星，只不過(guò)星上遙感器配置有所不同。美國(guó)自1962年起開始實(shí)施長(zhǎng)期的DMSP計(jì)劃，該計(jì)劃因曾涉及支持中央情報(bào)局的第一批間諜衛(wèi)星而作為高度機(jī)密存在。自1965年1月19日發(fā)射第1顆衛(wèi)星至今，DMSP計(jì)劃已運(yùn)行40多年，在此期間，先后發(fā)射7代12型共52顆衛(wèi)星，其中成功47顆，目前仍有6顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)預(yù)期。該衛(wèi)星系統(tǒng)用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)氣象預(yù)報(bào)，為美國(guó)軍方規(guī)劃陸、海、空作戰(zhàn)提供幫助。它采用雙星運(yùn)行體制，分為06∶00軌道衛(wèi)星和10∶30軌道衛(wèi)星2種?？找u南聯(lián)盟所動(dòng)用的10顆氣象衛(wèi)星中，有2對(duì)4顆DMSP衛(wèi)星，每對(duì)衛(wèi)星在同一軌道上工作，每天可對(duì)世界任何地方掃描4次。其數(shù)據(jù)傳輸有存儲(chǔ)和直接發(fā)送2種方式，前者在飛經(jīng)美國(guó)本土?xí)r，發(fā)送給3個(gè)空軍基地的地面站，再經(jīng)通信衛(wèi)星中繼到奧福特空軍全球氣象中心（又稱空軍氣象局）和蒙特雷海軍艦隊(duì)數(shù)值海洋學(xué)研究中心；后者把生成的云圖實(shí)時(shí)發(fā)送給遍布全球的美軍戰(zhàn)術(shù)地面站和大型軍艦，供指揮員直接使用。這2個(gè)中心匯編成的全球氣象及太空環(huán)境信息產(chǎn)品會(huì)被發(fā)送往國(guó)防部和政府各民事機(jī)構(gòu)。

衛(wèi)星的主要任務(wù)是監(jiān)視地球的氣象環(huán)境，但也攜帶有測(cè)量太空環(huán)境條件的傳感器，例如測(cè)量局部的帶電粒子和電磁場(chǎng)。衛(wèi)星的核心遙感器是行掃描系統(tǒng)遙感器，使用移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡技術(shù)，以交叉跟蹤方向方式掃描地球，同時(shí)衛(wèi)星沿著追蹤方向向前運(yùn)動(dòng)，旨在繪制連續(xù)的覆蓋全球的氣象云圖。它所拍攝的圖像用于強(qiáng)風(fēng)暴預(yù)測(cè)，定位風(fēng)暴，評(píng)估其強(qiáng)度。DMSP可提供分辨率300米的天氣圖像。星上另一種重要的遙感器是微波成像儀與探測(cè)器，保證所采集的風(fēng)速及降雨率等微波數(shù)據(jù)不會(huì)因云層覆蓋而模糊不清，這對(duì)于精確定位風(fēng)暴中心，預(yù)測(cè)風(fēng)暴發(fā)展及運(yùn)動(dòng)情況至關(guān)重要。

7代DMSP衛(wèi)星經(jīng)不斷改進(jìn)，質(zhì)量已由最初的125千克增加到1000千克以上，遙感器由1臺(tái)增加到7臺(tái)。最初的DMSP衛(wèi)星為自旋穩(wěn)定，裝載“快門”式像機(jī)；到了20世紀(jì)70年代，衛(wèi)星已能拍攝可見(jiàn)光和紅外圖像；20世紀(jì)80年代初衛(wèi)星姿態(tài)控制有了明顯改進(jìn)，星上計(jì)算機(jī)處理能力大為增強(qiáng)；現(xiàn)在運(yùn)行的DMSP衛(wèi)星為三軸姿態(tài)穩(wěn)定，運(yùn)行在高度約830千米的近極地太陽(yáng)同步軌道，周期約101分鐘，掃描條帶寬度3000千米，每對(duì)衛(wèi)星每6小時(shí)可提供一次全球云圖。目前在軌服役的衛(wèi)星是DMSP-F15、F16、F17、F18、F19，均為第7代衛(wèi)星。

現(xiàn)役DMSP衛(wèi)星呈圓柱體，直徑1.2米，長(zhǎng)4.3米，太陽(yáng)翼翼展6.4米，發(fā)射質(zhì)量大于1155千克，有效載荷質(zhì)量大于270千克，太陽(yáng)電池翼面積9.29平方米，功率2200瓦，設(shè)計(jì)壽命5年，具有60天的自主運(yùn)行能力。衛(wèi)星由4個(gè)部分構(gòu)成，即安裝有效載荷的儀器艙、安裝電子設(shè)備和反作用輪的功能艙、安裝推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)艙以及可展開的太陽(yáng)電池翼。

衛(wèi)星載有如下遙感器：

* 紫外臨邊成像儀—用于測(cè)量地球極遠(yuǎn)和遠(yuǎn)紫外輻射的垂直分布；

* 紫外光譜成像儀—用于測(cè)量地球大氣和電離層的紫外輻射以及大氣輝光和陸地反照的可見(jiàn)光輻射，可獲得夜氣輝和夜晚極光的廣度測(cè)量數(shù)據(jù)；

* 微波成像儀與探測(cè)器—用于測(cè)量地球表面和大氣的輻射微波能量，反演出大氣溫濕度垂直分布，包括降水、液態(tài)水、冰覆蓋和海面風(fēng)速等；

* 業(yè)務(wù)型行掃描系統(tǒng)遙感器—用于獲取全球云分布圖及云頂溫度，每天可2次生成全球云分布圖及云頂溫度；

* 空間環(huán)境探測(cè)器組件。

與前幾代DMSP相比，第7代衛(wèi)星配有更大的遙感器和更大的電源系統(tǒng)；增加了星載計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和電池能力，使得衛(wèi)星更具自主性，延長(zhǎng)了平均任務(wù)周期。

這次發(fā)射的F19是在20世紀(jì)80年代批量購(gòu)買的DMSP衛(wèi)星之一，目的是降低成本。該衛(wèi)星早在1995年左右就開始建造，當(dāng)時(shí)的成本大約是1.3億美元，但最終價(jià)格超過(guò)5億美元，這包括衛(wèi)星制造和近20年的存儲(chǔ)與翻新成本。實(shí)踐證明，批量購(gòu)買策略是一把雙刃劍，因?yàn)槌休^長(zhǎng)的存儲(chǔ)周期外，F(xiàn)19衛(wèi)星和還沒(méi)發(fā)射的F20衛(wèi)星還需要大量改進(jìn)，包括替換老化、過(guò)期和故障的部件。F20衛(wèi)星目前在洛·馬公司的維護(hù)下存貯，并進(jìn)行功能試驗(yàn)和升級(jí)。在軍方需要時(shí)，將運(yùn)往范登堡空軍基地發(fā)射。

美國(guó)軍用氣象衛(wèi)星未來(lái)發(fā)展

DMSP將從2020年逐步被“后繼型氣象系統(tǒng)”（WSF）替代，WSF衛(wèi)星也是專用軍用氣象衛(wèi)星，其研制始于2010年。當(dāng)時(shí)，為了節(jié)省經(jīng)費(fèi)，并提高獲取大氣、海洋、陸地和空間環(huán)境等氣象信息的能力，滿足未來(lái)軍民氣象觀測(cè)的能力，美國(guó)政府曾計(jì)劃將DMSP軍用氣象衛(wèi)星和“諾阿”民用氣象衛(wèi)星合并，研制“國(guó)家極軌環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)”（NPOESS）軍民兩用氣象衛(wèi)星。

NPOESS原定采用3顆衛(wèi)星組網(wǎng)工作，運(yùn)行在高833千米的極軌道上，裝載的氣象遙感器有：

獲取地球大氣、海洋和地表可見(jiàn)光及紅外輻射資料的可見(jiàn)光紅外成像儀/輻射器；颶風(fēng)和降水的錐形微波成像儀/探測(cè)器；

測(cè)量大氣壓、溫度的跨軌紅外大氣探測(cè)器；

獲得全球溫度、濕度分布的先進(jìn)技術(shù)微波大氣探測(cè)器；

計(jì)算大氣層臭氧垂直和水平分布的臭氧繪圖與分布測(cè)量?jī)x裝置；

用于測(cè)量美俄導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射無(wú)線電信號(hào)的折射，以反演電離層濃度和大氣溫度的全球定位系統(tǒng)掩星探測(cè)器；

監(jiān)測(cè)中性、帶電粒子、電磁場(chǎng)和極光的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器。

星上還有地球輻射收支探測(cè)器、總太陽(yáng)輻照度探測(cè)器、雷達(dá)高度計(jì)、搜索救援系統(tǒng)和資料收集系統(tǒng)等。但是到了2010年，由于經(jīng)費(fèi)超支、研制遲緩等原因，NPOESS進(jìn)行了重組，重新分割為民用的“聯(lián)合極軌衛(wèi)星”（JPSS）和軍用的“國(guó)防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”（DWSS）。2011年10月28日，最初作為NPOESS技術(shù)驗(yàn)證星的“國(guó)家極軌環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”（NPP）仍然如期發(fā)射，對(duì)重要有效載荷進(jìn)行飛行驗(yàn)證，以降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

2014年1月，美國(guó)空軍航天司令部司令謝爾頓上將表示，WSF衛(wèi)星可能是分散式體系的一次展示，這有別于在過(guò)去數(shù)十年間已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的大型、復(fù)雜的系統(tǒng)。WSF衛(wèi)星“將由一組系統(tǒng)組成，它能夠提供及時(shí)、可靠和高質(zhì)量的天基遙感能力，滿足對(duì)于全球范圍的環(huán)境觀測(cè)，包括大氣層、地形、海洋、太陽(yáng)-地球物理和其他已驗(yàn)證的需求。新的衛(wèi)星將具有有限的能力，而且足夠小，采用一種商業(yè)衛(wèi)星平臺(tái)，從而可通過(guò)推力較小的“人牛怪”系列運(yùn)載火箭發(fā)射。美國(guó)空軍現(xiàn)正著眼于改進(jìn)”人牛怪-4”運(yùn)載火箭，其優(yōu)勢(shì)能力可將質(zhì)量為900千克的“后續(xù)氣象系統(tǒng)”送入850千米高的軌道。endprint