美國的氣象衛(wèi)星的發(fā)展

邢 強

美國的氣象衛(wèi)星的發(fā)展

邢 強

氣象衛(wèi)星的發(fā)展速度在所有應用類衛(wèi)星中可謂名列前茅。如今的氣象衛(wèi)星擁有紫外、可見光、紅外和微波等多種工作頻段，可以在高軌的地球同步軌道和低軌的太陽同步軌道上對地球遂行氣象觀測、成像探測等多種任務。作為最早發(fā)射氣象衛(wèi)星并且多次嘗試采用新型氣象衛(wèi)星工作方式的國家，美國對氣象衛(wèi)星的探索和發(fā)展已經逐漸形成了自己的體系。

早期嘗試

1959年2月17日，美國在卡納維拉爾角發(fā)射了世界上第一顆氣象衛(wèi)星“先鋒2號”。這顆重10.8千克，直徑只有50.8厘米的衛(wèi)星被送入近地點560千米、遠地點2953千米、傾角為32.87°的軌道上。按照原設計，在電池用盡之前，星上的2組光學設備能夠對地球進行持續(xù)拍攝，以便獲取大氣中云層的情況。但事與愿違的是，“先鋒2號”入軌不久，就出現(xiàn)了自轉軸不穩(wěn)定的情況，還未傳回一幅有用的畫面就被宣布報廢，成為了一顆太空垃圾。該星至今仍在軌道上以121.54分鐘的周期繞地球轉動。

1960年4月1日，也就是“先鋒2號”失敗后不到1年時間，美國宇航局用“雷神”火箭發(fā)射了一枚重新設計的氣象衛(wèi)星。該星運行在近地點631千米、遠地點665千米的近圓軌道上。這顆名為TIROS-1 （TIROS的全稱為Television Infrared Observation Satellite，即：電視紅外觀測衛(wèi)星）的衛(wèi)星首次成功拍攝到了氣旋、多種云層等大氣物理現(xiàn)象。在可靠運行的78天時間里，TIROS-1向地球上的控制中心傳回了22952張照片，為氣象衛(wèi)星技術的發(fā)展奠定了堅實的基礎，成為了世界上第一顆成功運行的氣象衛(wèi)星。

兩種軌道

從1960年4月1日到1965年7月2日這5年時間里，美國陸續(xù)發(fā)射了10顆TIROS氣象衛(wèi)星，對多種傳感器技術和數(shù)據(jù)傳輸技術進行了驗證。至此，有關衛(wèi)星拍攝圖像和傳輸信息的技術已經掌握，接下來就要考慮軌道優(yōu)化的問題了。

氣象衛(wèi)星相當于懸在頭頂?shù)囊恢桓Q視之眼。而一只眼睛要想看清事物，首先是要本身足夠健康，功能要完好；其次，觀看物體的角度和當時的光照條件也是重要的影響因素。在發(fā)射了10顆試驗性質的衛(wèi)星之后，科研人員開始認真考慮氣象衛(wèi)星的軌道優(yōu)化問題。

他們首先想到的，就是太陽同步軌道。所謂太陽同步軌道指的是衛(wèi)星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向，軌道的傾角（軌道平面與赤道平面的夾角）接近90度，衛(wèi)星在南北兩極上空附近通過。衛(wèi)星軌道每天向東進動0.9856°，這個角度恰好是地球繞太陽公轉每天東移的角度。這樣，衛(wèi)星每天拍攝地面上同一個地點時，恰好都是同一個當?shù)貢r刻。這樣的軌道保證了衛(wèi)星拍攝的圖像擁有同樣的可見光或者紅外光的光源條件。

1966年2月3日，太陽同步軌道氣象衛(wèi)星“艾薩”1號升空。該星軌道高度約1400千米，云圖分辨率為4000米。該星軌道設計合理，拍攝出的云圖較為清晰，大幅提升了氣象預報的精確度。因此，“艾薩”系列的9顆衛(wèi)星終于讓民眾接受了氣象衛(wèi)星這個概念，被很多人認作是最早的實用型氣象衛(wèi)星。

進入上世紀70年代，美國的太陽同步軌道氣象衛(wèi)星開始采用三軸穩(wěn)定技術，并且裝載了掃描輻射儀、高分辨率紅外探測器、平流層探測器等設備，成為了氣象預報部門的重要信息來源。

除拍攝時的光照條件穩(wěn)定外，太陽同步軌道上的衛(wèi)星還有其他優(yōu)勢。太陽能帆板角度易于維持與太陽相對較為優(yōu)化的角度，因此星上能源和星上的熱控制問題相對較易解決，這使得該軌道特別適合于在軌工作時間較長的氣象衛(wèi)星。但是，這種軌道也有缺陷：一天只能飛臨同一地區(qū)上空2次，而且軌道高度較低，視野范圍較小。這就難以滿足對特定地區(qū)進行實時連續(xù)監(jiān)測的要求。

1960年，TIROS-1氣象衛(wèi)星拍攝到的地球大氣的氣旋現(xiàn)象

于是，地球同步軌道氣象衛(wèi)星應運而生。所謂地球同步軌道，就是軌道周期等于地球的自轉周期，且軌道上的衛(wèi)星運行方向與地球自轉方向一致的軌道。當氣象衛(wèi)星在傾角為0°，高度為35786千米的這條特殊軌道上運行時，就像是一盞懸掛在赤道上空的燈籠，靜靜地守護著人們的安寧。

1975年，美國發(fā)射地球同步軌道氣象衛(wèi)星成功。其紅外與可見光自旋掃描成像設備能夠對指定地點實施24小時不間斷成像監(jiān)測。到1978年，美國嘗試部署了3顆地球同步軌道氣象衛(wèi)星。該系列衛(wèi)星均被冠以GOSE的編號。上世紀90年代直到本世紀初，美國GOSE衛(wèi)星實現(xiàn)了全球組網(wǎng)觀測。

值得注意的是，這些GOSE衛(wèi)星雖然被稱作“靜止氣象衛(wèi)星”，但實際上它們是能夠移動工作位置的。2006年，GOSE-11衛(wèi)星由西經104°轉移到西經135°，以便替代壽命將盡的GOSE-10衛(wèi)星。而GOSE-12衛(wèi)星在2001年至2003年在西經90°上空，觀測太平洋西岸海面情況，到了2003年就移到了西經75°的南美洲上空，在2010年，更是挪到了西經60°的位置，以便更好地監(jiān)測亞馬遜流域上空的情況。

三大體系

如今，美國的太陽同步軌道氣象衛(wèi)星（又稱“極地氣象衛(wèi)星”）和地球同步軌道氣象衛(wèi)星（又稱“靜止氣象衛(wèi)星”）都已發(fā)展了4代，并已經有了明確的新一代發(fā)展計劃。這些在軌的氣象衛(wèi)星整體上被劃分為三大體系。

前兩個體系為民用極軌氣象衛(wèi)星（POSE）和民用靜止氣象衛(wèi)星（GOSE），由美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，簡稱NOAA）來進行管理。如今，NOAA的對大氣和海洋氣象的預報以及對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測已經擴張到了全球范圍。

第3個體系為軍用極軌氣象衛(wèi)星，正式名稱為國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)，由美國國防部管理，歸口單位為美國空軍的空間和導彈系統(tǒng)中心。美國運營著世界上唯一一個以軍事用途為主要目的的氣象衛(wèi)星網(wǎng)絡。在1999年的科索沃戰(zhàn)爭中，以美國為首的北約調用了10顆氣象衛(wèi)星來為風云變幻的巴爾干半島上的軍隊提供24小時不間斷的天氣預報。而在使用高精度偵察衛(wèi)星對特定地區(qū)實施偵察攝像之前，通常需要調用氣象衛(wèi)星對該地區(qū)的云層情況和天氣情況進行提前摸底，以便偵察衛(wèi)星能夠選擇在最佳的時機實施拍攝。