風(fēng)云變幻立春秋

鹿鳴

“風(fēng)云”3號(hào)是中國(guó)新一代極軌氣象衛(wèi)星，世界氣象組織將該系列衛(wèi)星納入新一代世界極軌氣象衛(wèi)星網(wǎng)。同時(shí)，我國(guó)新一代氣象衛(wèi)星“風(fēng)云”4號(hào)也正式公開(kāi)亮相。至此，中國(guó)、美國(guó)、歐洲和日本都組建了自己的氣象衛(wèi)星星座。這些衛(wèi)星各自軌道不同、載荷多樣，同時(shí)其發(fā)展的脈絡(luò)也各有特色。氣象衛(wèi)星的全球化大發(fā)展的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

? ? NOAA的衛(wèi)星提供的北美洲、太平洋和大西洋地區(qū)的情況

中美氣象衛(wèi)星大比拼

據(jù)“風(fēng)云”4號(hào)副總設(shè)計(jì)師沈毅力介紹，最新的這顆“風(fēng)云”衛(wèi)星是我國(guó)首顆在地球同步（靜止軌道）上工作的三軸穩(wěn)定定量遙感衛(wèi)星。該衛(wèi)星發(fā)射重量5.4噸，采用六面柱體和單太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)，使用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制機(jī)制，工作在3.6萬(wàn)千米的軌道上，設(shè)計(jì)壽命7年?！帮L(fēng)云”4號(hào)星上裝載了我國(guó)首次研制的干涉式大氣垂直探測(cè)儀，該探測(cè)儀與多通道掃描成像輻射計(jì)裝載于同一顆衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了成像觀測(cè)和大氣垂直探測(cè)相結(jié)合的綜合觀測(cè)。同時(shí)，還將裝載我國(guó)首次研制的閃電成像儀，實(shí)現(xiàn)區(qū)域閃電探測(cè)功能。

遙想當(dāng)年，在上世紀(jì)60年代，中國(guó)開(kāi)始著手開(kāi)展極軌氣象衛(wèi)星的準(zhǔn)備工作。1971年7月1日，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心成立。而在此之前，我國(guó)第一代極軌氣象衛(wèi)星“風(fēng)云”1號(hào)（FY-1）的研制工作已經(jīng)開(kāi)始。1988年7月9日，01批的FY-1A氣象衛(wèi)星發(fā)射。1990年9月3日， FY-1B氣象衛(wèi)星發(fā)射?！帮L(fēng)云”1號(hào)系列氣象衛(wèi)星的發(fā)展解決了高質(zhì)量的可見(jiàn)和紅外掃描輻射計(jì)、全球資料的星上存儲(chǔ)和回放、太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星的發(fā)射和精確入軌、長(zhǎng)壽命的三軸穩(wěn)定姿態(tài)衛(wèi)星平臺(tái)等技術(shù)難題。

上世紀(jì)80年代，中國(guó)開(kāi)始了靜止軌道氣象衛(wèi)星及與之配套的地面應(yīng)用系統(tǒng)的研制與建設(shè)工程。中國(guó)的第一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星定名為“風(fēng)云”2號(hào)（FY-2）。1997年6月10日，中國(guó)第一顆地球靜止軌道氣象衛(wèi)星FY-2A在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由一枚“長(zhǎng)征”3號(hào)成功發(fā)射，當(dāng)年6月17日精確定點(diǎn)于赤道上空，定點(diǎn)位置為東經(jīng)105°，開(kāi)啟了我國(guó)的地球靜止軌道氣象衛(wèi)星的嶄新時(shí)代。

2008年5月7日，中國(guó)第二代極地軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云”3號(hào)發(fā)射成功。2016年，中國(guó)第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云”4號(hào)公開(kāi)亮相。

如今，我國(guó)的氣象衛(wèi)星不僅僅能夠覆蓋東西跨度超過(guò)60°的廣闊區(qū)域，更是能夠以東西兩大衛(wèi)星觀測(cè)區(qū)對(duì)更大范圍的地表實(shí)施觀測(cè)和預(yù)報(bào)?！帮L(fēng)云”系列氣象衛(wèi)星的東部星觀測(cè)區(qū)覆蓋了我國(guó)的中部和東部地區(qū)，同時(shí)能夠?qū)μ窖髲V闊海域進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。而西部星觀測(cè)區(qū)則能夠?qū)ξ覈?guó)西部地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)將觀測(cè)預(yù)報(bào)區(qū)前伸擴(kuò)大至印度洋、紅海乃至中東地區(qū)，與東部星觀測(cè)區(qū)共同為我國(guó)的“一帶一路”戰(zhàn)略提供持續(xù)可靠的氣象服務(wù)。另外，西部星觀測(cè)區(qū)的氣象衛(wèi)星與歐洲氣象衛(wèi)星的觀測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了對(duì)接，能夠?yàn)槿驓庀笈c環(huán)境監(jiān)測(cè)貢獻(xiàn)力量。

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(guó)家，美國(guó)對(duì)氣象衛(wèi)星的探索和發(fā)展已經(jīng)逐漸形成了自己的體系。如今，美國(guó)的太陽(yáng)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(jīng)有了明確的新一代發(fā)展計(jì)劃。這些在軌的氣象衛(wèi)星整體上被劃分為三大體系。

? ?GOES-M氣象衛(wèi)星代表了當(dāng)今世界氣象衛(wèi)星較為先進(jìn)的水平。

前兩個(gè)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(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，簡(jiǎn)稱NOAA）來(lái)進(jìn)行管理。如今，NOAA的對(duì)大氣和海洋氣象的預(yù)報(bào)以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)已經(jīng)擴(kuò)張到了全球范圍。

第3個(gè)體系為軍用極軌氣象衛(wèi)星，正式名稱為國(guó)防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)，由美國(guó)國(guó)防部管理，歸口單位為美國(guó)空軍的空間和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心。美國(guó)運(yùn)營(yíng)著世界上唯一一個(gè)以軍事用途為主要目的的氣象衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。在1999年的科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，以美國(guó)為首的北約調(diào)用了10顆氣象衛(wèi)星來(lái)為風(fēng)云變幻的巴爾干半島上的軍隊(duì)提供24小時(shí)不間斷的天氣預(yù)報(bào)。而在使用高精度偵察衛(wèi)星對(duì)特定地區(qū)實(shí)施偵察攝像之前，通常需要調(diào)用氣象衛(wèi)星對(duì)該地區(qū)的云層情況和天氣情況進(jìn)行提前摸底，以便偵察衛(wèi)星能夠選擇在最佳的時(shí)機(jī)實(shí)施拍攝。

歐洲和日本各有特色

其他國(guó)家的氣象衛(wèi)星發(fā)展脈絡(luò)與美國(guó)類似，同樣開(kāi)始走極地軌道氣象衛(wèi)星與靜止軌道氣象衛(wèi)星相結(jié)合的道路，但是各自又有特色。比如，日本在1977年委托美國(guó)為其發(fā)射了一顆靜止軌道氣象衛(wèi)星（該星名為GMS）。該星運(yùn)行于高度35 900千米的軌道上，定點(diǎn)于東經(jīng)140°，其對(duì)地觀測(cè)角為17°24′。這顆衛(wèi)星的觀測(cè)范圍較廣，以該星的星下點(diǎn)為中心點(diǎn)，衛(wèi)星的觀測(cè)范圍覆蓋了一個(gè)投影圖形的直徑接近12 000千米的球面。西起巴基斯坦，東至夏威夷，北到太平洋北端，南到南冰洋區(qū)域，都在它的觀測(cè)范圍內(nèi)。我國(guó)全部的近海海域以及80%以上的陸上地區(qū)都處于這顆星的24小時(shí)不間斷視野之內(nèi)。這樣的氣象衛(wèi)星，日本陸續(xù)發(fā)射了5顆，其服務(wù)時(shí)間一直延續(xù)到了2003年。后來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，日本逐漸用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制衛(wèi)星替代了原來(lái)的自旋穩(wěn)定氣象衛(wèi)星。三軸穩(wěn)定氣象衛(wèi)星對(duì)1 000千米×1 000千米的中小尺度區(qū)域進(jìn)行成像，僅需40秒時(shí)間。2014年升空的日本“向日葵”8號(hào)氣象衛(wèi)星開(kāi)始采用先進(jìn)成像儀技術(shù)（AHI技術(shù)），能夠?qū)μ囟▍^(qū)域進(jìn)行較高分辨率掃描成像。

歐洲氣象組織自己的氣象衛(wèi)星同樣發(fā)軔于1977年。雖然起步比美國(guó)晚，但是其星上設(shè)備有獨(dú)到之處。借助星上的紅外/可見(jiàn)光自旋掃描輻射計(jì)，歐洲的氣象衛(wèi)星在上世紀(jì)70年代末獲取了世界上第一幅全球水汽圖像。值得注意的是，歐洲的氣象衛(wèi)星在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)都只采用了靜止軌道工作方式。直到2006年，歐洲才終于發(fā)射了其第一顆極地軌道氣象衛(wèi)星。

兩種軌道都不能少

氣象衛(wèi)星的發(fā)展速度在所有應(yīng)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(jiàn)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(yáng)同步軌道上對(duì)地球遂行氣象觀測(cè)、成像探測(cè)等多種任務(wù)。

1959年2月17日，美國(guó)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(hào)”。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(diǎn)560千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)2 953千米、傾角為32.87°的軌道上。按照原設(shè)計(jì)，在電池用盡之前，星上的2組光學(xué)設(shè)備能夠?qū)Φ厍蜻M(jìn)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(hào)”入軌不久，就出現(xiàn)了自轉(zhuǎn)軸不穩(wěn)定的情況，還未傳回一幅有用的畫(huà)面就被宣布報(bào)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(zhuǎn)動(dòng)。

1960年4月1日，也就是“先鋒2號(hào)”失敗后不到1年時(shí)間，美國(guó)宇航局用“雷神”火箭發(fā)射了一枚重新設(shè)計(jì)的氣象衛(wèi)星。該星運(yùn)行在近地點(diǎn)631千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)665千米的近圓軌道上。這顆名為T(mén)IROS-1（TIROS的全稱為T(mén)elevision Infrared Observation Satellite，即：電視紅外觀測(cè)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(yùn)行的78天時(shí)間里，TIROS-1向地球上的控制中心傳回了22 952張照片，為氣象衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，成為了世界上第一顆成功運(yùn)行的氣象衛(wèi)星。

從1960年4月1日到1965年7月2日這5年時(shí)間里，美國(guó)陸續(xù)發(fā)射了10顆TIROS氣象衛(wèi)星，對(duì)多種傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。至此，有關(guān)衛(wèi)星拍攝圖像和傳輸信息的技術(shù)已經(jīng)掌握，接下來(lái)就要考慮軌道優(yōu)化的問(wèn)題了。

在發(fā)射了10顆試驗(yàn)性質(zhì)的衛(wèi)星之后，科研人員開(kāi)始認(rèn)真考慮氣象衛(wèi)星的軌道優(yōu)化問(wèn)題。他們首先想到的，就是太陽(yáng)同步軌道。所謂太陽(yáng)同步軌道指的是衛(wèi)星的軌道平面和太陽(yáng)始終保持相對(duì)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(guò)。衛(wèi)星軌道每天向東進(jìn)動(dòng)0.9856°。這個(gè)角度恰好是地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)每天東移的角度。這樣，衛(wèi)星每天拍攝地面上同一個(gè)地點(diǎn)時(shí)，恰好都是同一個(gè)當(dāng)?shù)貢r(shí)刻。這樣的軌道保證了衛(wèi)星拍攝的圖像擁有同樣的可見(jiàn)光或者紅外光的光源條件。

1966年2月3日，太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星“艾薩”1號(hào)升空。該星軌道高度約1 400千米，云圖分辨率為4 000米。該星軌道設(shè)計(jì)合理，拍攝出的云圖較為清晰，大幅提升了氣象預(yù)報(bào)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(gè)概念，被很多人認(rèn)作是最早的實(shí)用型氣象衛(wèi)星。

進(jìn)入上世紀(jì)70年代，美國(guó)的太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星開(kāi)始采用三軸穩(wěn)定技術(shù)，并且裝載了掃描輻射儀、高分辨率紅外探測(cè)器、平流層探測(cè)器等設(shè)備，成為了氣象預(yù)報(bào)部門(mén)的重要信息來(lái)源。

除拍攝時(shí)的光照條件穩(wěn)定外，太陽(yáng)同步軌道上的衛(wèi)星還有其他優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能帆板角度易于維持與太陽(yáng)相對(duì)較為優(yōu)化的角度，因此星上能源和星上的熱控制問(wèn)題相對(duì)較易解決，這使得該軌道特別適合于在軌工作時(shí)間較長(zhǎng)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(duì)特定地區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)的要求。

于是，地球同步軌道氣象衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生。所謂地球同步軌道，就是軌道周期等于地球的自轉(zhuǎn)周期，且軌道上的衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致的軌道。當(dāng)氣象衛(wèi)星在傾角為0°，高度為35 786千米的這條特殊軌道上運(yùn)行時(shí)，就像是一盞懸掛在赤道上空的燈籠，靜靜地守護(hù)著人們的安寧。

1975年，美國(guó)發(fā)射地球同步軌道氣象衛(wèi)星成功。其紅外與可見(jiàn)光自旋掃描成像設(shè)備能夠?qū)χ付ǖ攸c(diǎn)實(shí)施24小時(shí)不間斷成像監(jiān)測(cè)。到1978年，美國(guó)嘗試部署了3顆地球同步軌道氣象衛(wèi)星。該系列衛(wèi)星均冠以GOSE的編號(hào)。上世紀(jì)90年代直到本世紀(jì)初，美國(guó)GOSE衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了全球組網(wǎng)觀測(cè)。

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(shí)際上它們是能夠移動(dòng)工作位置的。2006年，GOSE-11衛(wèi)星由西經(jīng)104°轉(zhuǎn)移到西經(jīng)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(jīng)90°上空，觀測(cè)太平洋西岸海面情況，到了2003年就移到了西經(jīng)75°的南美洲上空，在2010年，更是挪到了西經(jīng)60°的位置，以便更好地監(jiān)測(cè)亞馬遜流域上空的情況。

進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代

令人興奮的消息是，中國(guó)的氣象衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)敞開(kāi)懷抱，擁抱這個(gè)以互聯(lián)網(wǎng)+為契機(jī)的大數(shù)據(jù)時(shí)代。自2016年12月1日起，“風(fēng)云”衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)與中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)已經(jīng)完成整合。這兩個(gè)網(wǎng)站整合后，用戶可在中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)名制升級(jí)，并可下載衛(wèi)星數(shù)據(jù)。如今，在我國(guó)的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)中，有23顆衛(wèi)星提供服務(wù)，共有4 162.3TB的數(shù)據(jù)可供下載?！帮L(fēng)云”系列衛(wèi)星的數(shù)據(jù)提供能力也在逐步提升?！帮L(fēng)云”1D的數(shù)據(jù)量為6.5TB，到了“風(fēng)云”2D，該數(shù)據(jù)量達(dá)到了58.3TB，約為前者的9倍。而“風(fēng)云”3B的數(shù)據(jù)量更是達(dá)到了驚人的1 655.7TB，是“風(fēng)云”2D氣象衛(wèi)星的28.4倍。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)