美國首顆新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星登場

（北京空間科技信息研究所）

美國首顆新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星登場

宋晶晶（北京空間科技信息研究所）

1 引言

2016年11月19日，美國新一代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”（GOES）的首顆星—地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R搭載宇宙神-5火箭發(fā)射升空。該衛(wèi)星在到達預(yù)定軌道后被命名為地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-16，在加入“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”星座后提供西半球天氣以及空間氣象監(jiān)測。

新一代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系列共包括4顆衛(wèi)星（地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R、S、T、U）。全部部署完畢后，“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系統(tǒng)業(yè)務(wù)的服務(wù)期限可延至2036年。該系列衛(wèi)星具有更高空間分辨率和更快速覆蓋的增強成像能力，可用于更精確的氣象預(yù)報和閃電活動的實時制圖，并提高對太陽風暴活動的監(jiān)測水平，因此將顯著提高對環(huán)境現(xiàn)象的探測和觀測水平，這些現(xiàn)象將對公眾安全、財產(chǎn)保護以及國家經(jīng)濟健康和繁榮產(chǎn)生直接影響。

2 發(fā)展背景

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R～U是美國商務(wù)部所屬的國家海洋與大氣管理局（NOAA）的第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”。該系列衛(wèi)星基于最先進的技術(shù)，采用了全新的空間段和地面段，并將使用新的運營流程和數(shù)據(jù)處理算法。“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”由美國國家海洋與大氣管理局和美國航空航天局（NASA）共同開發(fā)。整個“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”計劃由美國國家海洋與大氣管理局管理，由其負責制定要求、提供資金并在全美分發(fā)環(huán)境數(shù)據(jù)。美國商務(wù)部負責衛(wèi)星的預(yù)算、地面段項目的采購以及整體計劃采購策略的批復(fù)。美國國家海洋與大氣管理局向美國商務(wù)部保證第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”的順利研制以及成功運行。美國航空航天局的戈達德太空飛行中心同美國國家海洋與大氣管理局合作對衛(wèi)星及其儀器的設(shè)計和研制進行管理，具體工作由其下設(shè)的合作計劃及項目辦公室進行。

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星—R成像能力

第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”項目的定義和需求階段始于2000年，接著在2001年召開了首次用戶會議，相對于上一代地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-I、M、O、P系列，第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”將顯著增強以下4種關(guān)鍵能力：①空間分辨率；②光譜覆蓋范圍和分辨率；③瞬時更新速度（即探測、變化識別以及颶風跟蹤）；④輻射敏感度。

其設(shè)計壽命為15年，將提供包括陸地、大氣、水文、海洋、氣候、太陽-地球物理學以及空間環(huán)境在內(nèi)的關(guān)鍵遙感數(shù)據(jù)，改進了延遲，可在包括春分日食在內(nèi)的期間對整個半球提供全部覆蓋，此外該衛(wèi)星系統(tǒng)還將提供增強直接服務(wù)，如：無線電轉(zhuǎn)播（GBR）、搜尋&救援（S&R）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DCS）、應(yīng)急管理氣象信息網(wǎng)（EMWIN）以及低速信息傳輸（LRIT）通信。

3 衛(wèi)星概況

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R采用洛馬公司的A2100A型三軸穩(wěn)定平臺，在軌運行的設(shè)計壽命為15年，包括5年在軌備份壽命和10年在軌工作壽命，壽命末期功率大于4000kW。其軌道高度約35786km，該衛(wèi)星將定位于地球靜止軌道75°（W），用于觀測西部地區(qū)，傾角0°。在第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”星座中觀測東部地區(qū)的衛(wèi)星將定位于137°（W），較之目前定位于135°（W）的在軌“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”而言，消除了與其他衛(wèi)星系統(tǒng)在X頻段的互擾。該衛(wèi)星在軌儲存期間將定位于105°（W），在發(fā)射/檢測階段停留在90°（W）。在東西和南北軌道的定位精度為±0.1°。衛(wèi)星將通過周期性的定位和動量調(diào)整進行機動控制，以便獲得近持續(xù)觀測。

該衛(wèi)星的其他突出的性能還包括：對地指向的光具底座能夠?qū)φ駝痈綦x，衛(wèi)星與儀器的接口設(shè)計能夠最大化采集科學數(shù)據(jù)。地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R科學數(shù)據(jù)采集（包括成像）的每年累積時間不超過150min，會由于動量調(diào)整、定位和領(lǐng)航翻轉(zhuǎn)動作而中斷。相對于現(xiàn)有的地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星，提升了兩個級別。地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R將連續(xù)采集和傳輸100Mbit來自各個位置的數(shù)據(jù)，在L頻段采用雙極化方式可連續(xù)轉(zhuǎn)播31Mbit數(shù)據(jù)，衛(wèi)星尺寸為6.1m×5.6m×3.9m，質(zhì)量約為2800kg。

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星—R外形結(jié)構(gòu)圖

4 搭載儀器

第二代/第二代改進型與第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”進步點對照表

先進基線成像儀

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R上搭載的有效載荷包括先進基線成像儀（ABI）、地球靜止軌道閃電繪圖儀（GLM）、太陽紫外成像儀（SUVI）、遠紫外與X射線輻照度探測器（EXIS）、空間環(huán)境原位測量裝置（SEISS）和磁強計（MAG）等。

1) 先進基線成像儀。它是美國國際電話電報工業(yè)集團埃克斯利斯公司（ITT Exelis）新研制的掃描輻射成像儀，用于取代上一代衛(wèi)星的“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”上的成像儀和探測儀。先進基線成像儀提高了空間分辨率和掃描速度，具有多種掃描模式，地球全盤掃描時間提高到5～15min，美國本土掃描時間（3000km×5000km）達到5min，設(shè)計目標要實現(xiàn)1min，中尺度區(qū)域掃描時間（1000km×1000km）達到30s。

先進基線成像儀與現(xiàn)有“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”上的成像儀5min成像能力對比

第二代與第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”成像儀參數(shù)對比

地球靜止軌道閃電繪圖儀

2）地球靜止軌道閃電繪圖儀。它由美國洛馬公司先進技術(shù)中心負責研制，工作在近紅外譜段，空間分辨率8～12km，可全天候地對發(fā)生在美國本土及近海上空的閃電進行探測和成像，補充現(xiàn)有陸基的測量能力。地球靜止軌道閃電繪圖儀能夠?qū)毫犹鞖夂惋Z風的預(yù)警時間提高到20min甚至更快。

3）遠紫外與X射線輻照度探測器。它由美國科羅拉多大學大氣和空間物理實驗室（LASP）負責研制，由2個可以對太陽進行全盤觀測的儀器組成：遠紫外探測器（EUVS）和X射線探測器（XRS），主要用于對太陽耀斑事件的預(yù)警。其中遠紫外探測器可在5～127nm范圍內(nèi)探測太陽全盤遠紫外通量，X射線探測器可探測太陽全盤X射線通量，檢測太陽耀斑的X射線量級和持續(xù)時間。

4）空間環(huán)境原位測量裝置。它由美國保障技術(shù)公司（ATC）研制，是一組高能粒子探測器?？臻g環(huán)境原位測量裝置包括高能重離子探測器（EHIS）、高能磁層粒子探測器（MPS-HI）、低能磁層粒子探測器（MPS-LO）、太陽銀河質(zhì)子探測器（SGPS）和數(shù)據(jù)處理單元（DPU）5個組件，可以為導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星和航天員提供潛在的危險報警。

地球靜止軌道閃電繪圖儀設(shè)計參數(shù)

遠紫外與X射線輻照度探測器

遠紫外與X射線輻照度探測器指標

5）太陽紫外成像儀。它也是由洛馬公司的先進技術(shù)中心負責研制，是一個太陽指向、垂直入射的多層望遠鏡，主要用于研究太陽活動及其對地球和近地環(huán)境的影響。太陽紫外成像儀的觀測范圍為9.4～30.4nm，覆蓋軟X射線到紫外波段。太陽紫外成像儀能夠觀測太陽紫外線發(fā)射、定位日冕洞、耀斑和日冕質(zhì)量噴射源區(qū)域，提供早期探測和定位信息。

6）磁強計。它由洛馬公司研制，將通過測量空間環(huán)境磁場對外圍磁層的帶電粒子運動進行控制，這些帶電粒子將會給飛行器和航天員帶來危險。還將提供有關(guān)地磁活動總體水平的信息，并對突發(fā)地磁風暴進行探測。此外磁強計還將用于將對用于業(yè)務(wù)運行的大型空間環(huán)境模型進行驗證。地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R將通過磁強計以0.016nT的分辨率和2.5Hz的響應(yīng)頻率對地球磁場的3個組成部分進行測量。

空間環(huán)境原位測量裝置的5個組件

5 地面段

地面系統(tǒng)組成及各設(shè)施功能

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星—R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R的核心地面系統(tǒng)由2個接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的主要地點組成：位于馬里蘭州蘇特蘭市的美國國家海洋與大氣管理局衛(wèi)星運行中心（NSOF）和位于弗吉尼亞州沃洛普斯市的控制和數(shù)據(jù)采集站（WCDAS）。第3個運行中心在西弗吉尼亞州費爾蒙特市，提供集中備份（CBU）服務(wù)。

美國國家海洋與大氣管理局衛(wèi)星運行中心負責地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R絕大部分任務(wù)的運行和產(chǎn)品負責。在衛(wèi)星運行中心的4個9.1m天線已經(jīng)進行了升級，升級后的天線將繼續(xù)與現(xiàn)有地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星兼容，并在第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”壽命期間運行。

控制和數(shù)據(jù)采集站是用于天地間通信的主要場所。部分數(shù)據(jù)將在該站處理并生成用于衛(wèi)星上行鏈路的“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”轉(zhuǎn)播（GRB）數(shù)據(jù)?？刂坪蛿?shù)據(jù)采集站還將為衛(wèi)星提供上行鏈路以支持某些獨有的載荷服務(wù)，除主要GOES任務(wù)數(shù)據(jù)之外還包括提供通信中繼服務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)器?？刂坪蛿?shù)據(jù)采集站的3個16.4m新天線是設(shè)計用來在持續(xù)風速為110m/h以及陣風風速高達150m/h的2級颶風期間運行。這些天線均與現(xiàn)有“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”兼容并將繼續(xù)在第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系列壽命期間運行。

集中備份中心將作為備份服務(wù)，支持意外運行并具備美國國家海洋與大氣管理局衛(wèi)星運行中心和控制和數(shù)據(jù)采集站的所有關(guān)鍵功能。在集中備份中心正在建造的3個16.4m天線將保持與現(xiàn)有地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星兼容并將繼續(xù)在第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系列壽命期間運行。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾種分發(fā)模式

根據(jù)用戶的不同類型和潛在數(shù)據(jù)需求，用戶將通過多種方式訪問地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這些產(chǎn)品分發(fā)服務(wù)包括：

1）高級氣象交互處理系統(tǒng)（AWlPS）。它是一個集成了氣象和水文數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)，用于使氣象學家準備預(yù)測和發(fā)出預(yù)警。國家氣象局是地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R數(shù)據(jù)的主要操作用戶，將直接接收來自高級氣象交互處理系統(tǒng)接口的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2）產(chǎn)品分發(fā)和訪問（PDA）。已授權(quán)用戶將通過產(chǎn)品分發(fā)和訪問系統(tǒng)獲得實時數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)接收和存儲實時環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。

3）“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”轉(zhuǎn)播（GRB）。它將使用戶用自己的接收機接收具有完全分辨率、已校準的、近實時的直接廣播數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

4）綜合大型陳列數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（CLASS）。地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R數(shù)據(jù)還可以通過綜合大型陳列數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)獲得，該系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡(luò)對美國國家海洋與大氣管理局的環(huán)境數(shù)據(jù)進行存檔和分發(fā)的系統(tǒng)，讓科學家、研究人員和專業(yè)學者對已存檔的產(chǎn)品（7天之前）進行檢查。

地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品

地面系統(tǒng)將接收來自地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-R的源數(shù)據(jù)并生成1b級和2+級的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。來自各儀器的1b級數(shù)據(jù)和來自廣義拉格朗日乘子（GLM）的2+級數(shù)據(jù)將經(jīng)由“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”轉(zhuǎn)播服務(wù)，通過包括衛(wèi)星中繼的方式分發(fā)給直接讀數(shù)的用戶。1b級產(chǎn)品和2+級產(chǎn)品將通過綜合大型陳列數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在內(nèi)的數(shù)據(jù)存檔中心，提供給產(chǎn)品分發(fā)和訪問系統(tǒng)。

6 后續(xù)計劃

第三代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”系列后續(xù)還將發(fā)射3顆衛(wèi)星：地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-S、T、U，這3顆衛(wèi)星分別計劃于2018、2019和2025年發(fā)射。目前，后續(xù)的這3顆衛(wèi)星的研制工作進展順利，其中地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-S的各組件已經(jīng)完成研制，將進行衛(wèi)星系統(tǒng)總裝，地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-T、U的各組件研制工作也都取得了重要進展。