美國國防氣象衛(wèi)星（DMSP）60年發(fā)展回望和換代計劃初探

■ 樊奕茜 肖芳 賈朋群

第三次升級，是2003年F16星將SSM/I、SSM/T和SSM/T-2合并為更先進(jìn)的SSMIS微波傳感器，該傳感器共有24個通道、21種頻率，可探測近地表風(fēng)速、水汽、云水、雪。同時，更新太空環(huán)境探測器SSULI和SSUSI，探測來自地球大氣和電離層的紫外線輻射，增強對空間的觀測。

在全球氣象圈享有一定聲譽的美國國防氣象衛(wèi)星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）系列，起步于人類進(jìn)入太空時代不久的1960年代初，已經(jīng)走過60年。目前依然有兩顆DMSP衛(wèi)星在軌，分別于2006年和2009年升空的DMSP F17和F18星，運行時間超過10年并開始邁向第2個完整10年的數(shù)據(jù)提供周期。與此同時，DMSP換代方案也經(jīng)歷了大約10年的一波三折，2022年初才基本確定：用微波氣象衛(wèi)星（Weather System Follow-on-Microwave，WSF-M）和電光/紅外氣象衛(wèi)星（Electro-Optical/Infrared (EO/IR)Weather System，EWS）兩個系列，接替DMSP的功能（圖1）。本文回顧了DMSP的發(fā)展，討論換代DMSP衛(wèi)星最可能具有的“換代”意義。其中美國換代國防氣象衛(wèi)星，因為再次與民用氣象衛(wèi)星分離，在美國目前強化軍備背景下，針對軍用太空裝備可能優(yōu)先配備“核動力”或其他先進(jìn)動力系統(tǒng)，讓衛(wèi)星具有“更低軌道”和在極地軌道之間以及極軌、地球靜止軌道之間變軌和在軌添加推動劑等能力，尤其值得關(guān)注，或許能夠開啟、啟發(fā)和引領(lǐng)下一代極軌氣象衛(wèi)星換代周期。

圖1 DMSP衛(wèi)星的發(fā)展和換代歷程（圖中衛(wèi)星標(biāo)記見正文）

1 DMSP系列衛(wèi)星60年發(fā)展回顧

1950年代末，美蘇冷戰(zhàn)升級，為滿足軍事需求，人類開始探索太空以獲取大面積地面信息。1962年，美國軍方秘密提出美國國防氣象衛(wèi)星計劃，這是美國國防部的專用軍事氣象衛(wèi)星。自1962年發(fā)射第一組衛(wèi)星升空，DMSP系列衛(wèi)星服役時間已長達(dá)60年。在技術(shù)上，DMSP經(jīng)過幾次升級，主要使命一直瞄準(zhǔn)云、地表和海洋表面狀態(tài)以及大氣三維溫濕環(huán)境探測，其數(shù)據(jù)主要用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)天氣預(yù)報，以幫助美軍規(guī)劃海上、陸地和空中的行動。例如：微波成像儀可以探測路面泥濘程度以確定是否適合坦克和裝甲車投入軍事行動中等。在管理上，經(jīng)歷了1970年代初資料解密并被民間研究和業(yè)務(wù)利用、1990年代初軍用和民用氣象衛(wèi)星合并，以及2010年前后的再次分離等。

DMSP系列衛(wèi)星早期頻繁發(fā)射為極軌氣象衛(wèi)星成熟積累了經(jīng)驗。DMSP衛(wèi)星以“批”（Block）為單位研發(fā)，共分為5批，每批次還可以進(jìn)一步劃分用數(shù)字標(biāo)記的不同階段，各階段的再劃分則以英文字母A、B、C等標(biāo)記。自1962年5月23日Block-1（早期標(biāo)注為P35-1）首顆衛(wèi)星發(fā)射開始，經(jīng)歷了Block-1（1962—1963年，5顆）、Block-2（1964—1965年，4顆）、Block-3（1965—1966年，6顆）、Block-4A（1966—1968年，4顆）、Block-4B（1968—1969年，3顆）、Block-5A（1970—1971年，3顆）、Block-5B（1971—1974年，5顆）和Block-5C（1975—1976年，4顆）等早期密集發(fā)射階段，以及被應(yīng)用和研究最廣泛、影響力最大的Block-5D（1976—2009年，19顆）。

Block-1至Block-5C階段衛(wèi)星發(fā)射從不到一半的成功率，到發(fā)射技術(shù)相對成熟，衛(wèi)星載荷也不斷增加。盡管該階段主要是衛(wèi)星試驗階段，但由于起步較早，到1965年前后DMSP衛(wèi)星達(dá)到了領(lǐng)先水準(zhǔn)。1965年4月，Block-3計劃剛開始實施，其技術(shù)吸引了承擔(dān)美國民用氣象衛(wèi)星TIROS研發(fā)的NASA，后者采用了DMSP的技術(shù)方案。1965年1月，美國氣象部門發(fā)射的TIROS-9即是DMSP的復(fù)制品（圖2）。一年后的1966年2月，第一個按照這個標(biāo)準(zhǔn)建造的ESSA-1衛(wèi)星升空，并且在1966—1969年，共有9顆這樣的民用氣象衛(wèi)星進(jìn)入軌道。

圖2 以DMSP的Block-3衛(wèi)星為藍(lán)本的民用TIROS業(yè)務(wù)系統(tǒng)（TOS）氣象衛(wèi)星

該時期DMSP的另一項最重要的技術(shù)換代，是1970年從Block-5A開始，增加了全新的OLS系統(tǒng)（Operational Linescan System，業(yè)務(wù)線掃描）并開展試驗。研發(fā)OLS是受到氣象預(yù)報員使用的天氣圖的啟發(fā)和瞄準(zhǔn)預(yù)報員的需求，從Block-5系列開始摒棄了之前采用的TIROS技術(shù)，由此衛(wèi)星從提供亮度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榻o出反照率產(chǎn)品。這一變化解決了衛(wèi)星探測的亮度，從太陽光到部分月光環(huán)境下其變化可達(dá)幾個量級并因此帶來的數(shù)據(jù)解釋問題，讓用戶更加關(guān)注的反照率直接作為被測量值。

從Block-5D-1開始，DMSP系列衛(wèi)星完成技術(shù)蛻變。DMSP計劃于1976年從Block-5D-1開始，實現(xiàn)了全面的技術(shù)升級。因為這時衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)解密，該系列第一顆衛(wèi)星（1976年9月11日升空，衛(wèi)星系列編號改為F1，并一直延續(xù)至今）開始，載荷中除了OLS外，還陸續(xù)增加了SSI/T（Special Sensor Microwave-Temperature）和SSM/I（Special Sensor Microwave-Imager）等重要的微波傳感器。進(jìn)入21世紀(jì)之后，SSMIS（Special Sensor Microwave-Imager/Sounder）等更高性能傳感器也開始加載，衛(wèi)星重量從之前數(shù)百千克提高到1200 kg左右，傳感器數(shù)量保持基本穩(wěn)定。

自2014年DMSP系列衛(wèi)星中最后一顆，即5D-3中編號為F19的衛(wèi)星升空后，編號F20的衛(wèi)星雖然已經(jīng)研發(fā)出來，卻因F19星在升空2年后出現(xiàn)電源問題，考慮到兩顆衛(wèi)星為姊妹星，F(xiàn)20最終沒能升空。當(dāng)前DMSP系列衛(wèi)星中，分別在2006年和2009年升空的F17和F18，依然在軌工作。

DMSP系列衛(wèi)星從Block-5開始的3次重要技術(shù)換代產(chǎn)生積極作用。第一次升級，是在Block 5計劃中提出的OLS，為此航天器還采用了新的動力偏置姿態(tài)控制系統(tǒng)以滿足OLS的掃描精度。在1970年開始的Block 5A，以及后來的5B和5C開展了前期試驗，從1976年開始，在DMSP 5D的所有衛(wèi)星搭載改進(jìn)的業(yè)務(wù)化的OLS傳感器，用于云探測和火災(zāi)/燈光探測的晨昏光學(xué)傳感器，為軍事天氣預(yù)報員提供全球云層覆蓋圖像。OLS傳感器的可見通道可探測煙霧、沙塵暴和冰蓋等對軍事戰(zhàn)略規(guī)劃至關(guān)重要的信息，使指揮官能夠?qū)Ρ确治鰬?zhàn)爭前后特定區(qū)域的光線，以評估戰(zhàn)場損毀程度。正是這次升級，DMSP在業(yè)界也具有了更加重要的影響，開始啟用新的衛(wèi)星編號，5D-1批次的首顆星被賦予編號F1，并一直沿用至今。

第二次升級，是1987年，F(xiàn)8星首次搭載了SSM/I微波傳感器，該傳感器共7個通道、4種頻率，可探測海表風(fēng)速、降水強度、海冰覆蓋和土壤濕度等環(huán)境要素。

第三次升級，是2003年F16星將SSM/I、SSM/T和SSM/T-2合并為更先進(jìn)的SSMIS微波傳感器，該傳感器共有24個通道、21種頻率，可探測近地表風(fēng)速、水汽、云水、雪。同時，更新太空環(huán)境探測器SSULI（Special Sensor Ultraviolet Limb Imager）和SSUSI（Special Sensor Ultraviolet Spectrographic Imager），探測來自地球大氣和電離層的紫外線輻射，增強對空間的觀測。

60年來，DMSP系列衛(wèi)星從重量小、載荷少但頻繁發(fā)射的小型衛(wèi)星試驗開始，隨著發(fā)射成功率提高，不斷增加衛(wèi)星載荷和重量，以期搭載體量更大、性能更先進(jìn)的傳感器（圖3）。

圖3 DMSP系列衛(wèi)星（F1～F19）重量和載荷變化

隨著衛(wèi)星技術(shù)的成熟，進(jìn)入21世紀(jì)以后，DMSP的發(fā)射頻次降低，但在軌衛(wèi)星的長壽命保證了星載觀測的長期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)提供，成為很多相關(guān)研究和業(yè)務(wù)依賴時間最長、性能最可靠的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來源之一（圖4）。

圖4 地表風(fēng)反演項目海表風(fēng)場產(chǎn)品依據(jù)的衛(wèi)星和地表探測數(shù)據(jù)（a），以及反演海洋降水的不同單個衛(wèi)星數(shù)據(jù)在南北緯50°之間月平均TPW與所有衛(wèi)星均值之間的差（b）

2 DMSP的換代過程和技術(shù)

2.1 換代過程簡述

早在DMSP衛(wèi)星技術(shù)基本定型的20世紀(jì)末，隨著1999年5D-3批次中的第一顆星F15順利升空，該批次計劃在隨后10～20年升空的同批次的F16～F20衛(wèi)星，也基本上定型到F15。也就是說，雖然F16～F19直到21世紀(jì)前20年里才陸續(xù)發(fā)射，但它們的主要技術(shù)性能卻停留在20世紀(jì)末。因此，到了21世紀(jì)初，美國意識到DMSP的技術(shù)限制，啟動DMSP換代項目，但是換代方案卻是一波三折。

21世紀(jì)初，美國軍用和民用氣象衛(wèi)星還處于合并狀態(tài)，當(dāng)時提出了耗資65億美元的國家極地軌道環(huán)境衛(wèi)星（NPOESS）換代方案，并于2008年發(fā)射了第一顆衛(wèi)星。但因后續(xù)合并造成的應(yīng)用優(yōu)先級不一致等管理問題，衛(wèi)星儀器研制延誤和制造成本飆升等諸多問題，2010年NPOESS項目被迫停止。

在NPOESS被取消后，2010年美國軍用和民用氣象衛(wèi)星被再次分離。當(dāng)2011年民用衛(wèi)星啟動了后來被更名為Suomi NPP項目及后續(xù)的聯(lián)合極地衛(wèi)星系統(tǒng)（JPSS）時，美國軍方開始圍繞DMSP換代，出現(xiàn)較長時間的搖擺。先是提出了短命的DWSS（下一代國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)，2010—2012年，投入4.29億美元）計劃，之后曾經(jīng)考慮“翻新”已經(jīng)研發(fā)完畢等待升空的DMSP最后2顆衛(wèi)星F19和F20，但由于F19升空后20個月后電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致F20被徹底放棄，并將其從昂貴的存儲狀態(tài)中分離出來，放置到位于洛杉磯的空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心作為永久展覽。DMSP地面部分也于2015年徹底中止。2016—2019年，軍方還曾于NASA合作，試圖用ORS-8（作戰(zhàn)響應(yīng)空間-8）衛(wèi)星取代DMSP，卻因簽訂合同遭到業(yè)界抵制而作罷。直到2016年，美國審計署（GAO）批評軍方在DMSP后繼衛(wèi)星計劃方面沒有與民用衛(wèi)星研發(fā)機構(gòu)充分協(xié)調(diào)，導(dǎo)致?lián)Q代衛(wèi)星方案遲遲無法確定，美國軍方才重新考慮國防氣象衛(wèi)星的換代方案。

2017年，美國軍方?jīng)Q定將DMSP的換代星WSF（Weather Satellite Follow-on，氣象衛(wèi)星后繼）分為微波衛(wèi)星（WSF-M）和電光/紅外星（WSF-E）兩個系列。2017年11月，承包商Ball Aerospace公司獲得3.496億美元負(fù)責(zé)研發(fā)兩顆WSF-M星。此前，Ball Aerospace公司與軍方以及NOAA、NASA等聯(lián)邦機構(gòu)曾多次合作，還為Landsat衛(wèi)星提供載荷小型化服務(wù)以展示改進(jìn)的陸地衛(wèi)星任務(wù)性能。美軍方正是看中了該公司這方面的能力，希望WSF-M星的第一顆最早能在2023年發(fā)射升空，2024年中期業(yè)務(wù)運行；第二顆衛(wèi)星于2028年發(fā)射。衛(wèi)星重量約1200 kg。

相對于微波星，后來被重新命名為EWS（Electro-Optical Weather System，電光氣象系統(tǒng)）衛(wèi)星的研發(fā)則經(jīng)歷了更多周折。為了避免可能出現(xiàn)的資料空白，2019年，NOAA退役的備份靜止衛(wèi)星GOES-13被軍方征調(diào)，轉(zhuǎn)為EWS系列（命名為EWS-G1），被重新定位到了印度洋區(qū)域（61.5°E），2020年2月開始，提供部分EWS衛(wèi)星功能。用退役的靜止氣象衛(wèi)星作為被延誤研發(fā)的EWS極軌衛(wèi)星發(fā)揮部分功能，既是一種補救，也說明兩種軌道氣象衛(wèi)星至少在天氣圖提供方面，有一定的互補功能。

2022年1月，美軍方發(fā)布EWS招標(biāo)書，并于3月1日確定通用原子公司（General Atomics）和獵戶座公司（Orion Space）共同承包EWS星研發(fā)，預(yù)計于2024年或2025年發(fā)射衛(wèi)星。

2.2 換代衛(wèi)星技術(shù)分析

2.2.1 微波氣象衛(wèi)星（WSF-M星）

WSF-M為極軌氣象衛(wèi)星，采用軌道高度為833 km的近地軌道（LEO），與DMSP系列衛(wèi)星的軌道特征類似。WSF-M依靠Ball公司自主開發(fā)的可配置平臺（the Ball Configurable Platform）進(jìn)行研發(fā)，衛(wèi)星的概念設(shè)計如圖5所示。WSF-M將搭載被動微波成像儀MWI和太空空間天氣探測儀ECP。其中，MWI由Ball公司自主開發(fā)，而ECP探測儀則由軍方統(tǒng)一提供。

圖5 美國下一代國防氣象衛(wèi)星WSF-M概念圖，衛(wèi)星包括一個被動微波成像輻射計和高能帶電粒子傳感器

MWI成像儀是被動微波成像儀，與同樣由Ball公司為全球降水觀測衛(wèi)星（GPM）研發(fā)的GWI成像儀相似，可進(jìn)行多頻率多極化方向微波探測，觀測海面風(fēng)速、熱帶氣旋強度和其他環(huán)境數(shù)據(jù)。如表1所示，MWI共有17個通道，6個頻率，最好的空間分辨率為15 km×10 km，其中低頻段用于探測海溫。與GMI相比，MWI成像儀不僅有V和H方向，還有第三和第四Stokes參數(shù)，V和H極化可用于探測風(fēng)速，加上第三和第四Stokes參數(shù)即可探測矢量風(fēng)。因此，MWI成像儀的探測任務(wù)集中在海表探測，尤其是海表矢量風(fēng)，性能有望在GMI基礎(chǔ)上有所提升。此外，MWI成像儀采用數(shù)字偏振測量，可降低探測復(fù)雜度，提高校準(zhǔn)性能。相較于傳統(tǒng)的模擬設(shè)計，數(shù)字偏振測量可自由選擇多個頻率，提高定標(biāo)精度，降低噪音。

表1 MWI成像儀微波通道特性和性能

WSF-M星的天線系統(tǒng)由1.8m的主反射器MR（Main reflector）、四個獨立的信號接收器和校準(zhǔn)目標(biāo)組成。反射器部署組件RDA（Reflector Deployment Assembly）搭載了主反射器MR，并部署到在軌配置中，這樣使得儀器在孔徑1.8 m的情況下具有相對緊湊的尺寸。MWI成像儀采用了GMI成像儀同款的旋轉(zhuǎn)組件SMA（Spin Mechanism Assembly），可實現(xiàn)的功能包括錐形掃描和信號傳遞。

MWI成像儀采用已校正的VDA反射器（Vapor Deposited Aluminum reflector），即在主反射面采用氣態(tài)沉積鋁表面涂層，以減少在太空觀測時天線自身發(fā)射熱輻射帶來的校準(zhǔn)誤差。但是VDA涂層在反射面上存在細(xì)小裂縫，在精密輻射測量（尤其是高頻下）極易出現(xiàn)誤差。DMSP的F16星就存在這個問題，當(dāng)反射面面對太陽時，反射面不僅接收到地球的反射信號，還會有天線等干擾信號，由此會出現(xiàn)幾度的輻射誤差。不過，這些誤差可以通過物理模型消除，將獲取的數(shù)據(jù)剔除天線帶來的自身熱輻射，最終留下所需要的輻射量。MWI成像儀10～37 GHz通道上的噪聲二極管（noise diodes）用于在軌校準(zhǔn)，主要基于在軌非線性趨勢和備用增益校準(zhǔn)方法，以顯著提高M(jìn)WI輻射測量的穩(wěn)定性。

經(jīng)過準(zhǔn)確輻射定標(biāo)的Stokes參數(shù)對在軌極化接收機的性能至關(guān)重要。第三和第四Stokes參數(shù)的在軌校準(zhǔn)是通過在每個接收機前端輸入的相關(guān)噪聲源（Correlated Noise Source，CNS）實現(xiàn)的。CNS采用穩(wěn)定的傳統(tǒng)噪聲二極管，與一個簡單的組合網(wǎng)絡(luò)一起，將相關(guān)校準(zhǔn)信號注入到接收機前端。

基于上述微波系統(tǒng)，WSF-M將探測全球大氣，陸地和海洋表面來改善全球和區(qū)域的天氣預(yù)報，填補數(shù)據(jù)空白。WSF-M的任務(wù)旨在具體解決六項天基環(huán)境監(jiān)測要求（space-based environmental monitoring，SBEM，表2），三個優(yōu)先變量分別是海表矢量風(fēng)、熱帶氣旋強度、LEO高能帶電粒子特性，同時彌補其他三點不足，包括海冰特性、土壤濕度和雪深。不過MWI成像儀不像SSM/T那樣包括大氣溫度濕度的垂直探測功能，美方認(rèn)為可以通過其他氣象衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)共享得到補充。

表2 WSF-M旨在解決的六項空間環(huán)境監(jiān)測SBEM要求

基于測試結(jié)果，Ball公司認(rèn)為，MWI成像儀的設(shè)計要優(yōu)于美國空軍對海表矢量風(fēng)和熱帶氣旋強度等探測要求。2020年MWI成像儀通過關(guān)鍵技術(shù)審查，MWI成像儀在風(fēng)速5～25 m/s的預(yù)期性能如圖6所示，其中風(fēng)速不確定性明顯下降，風(fēng)速的RMSE基本在1 m/s以內(nèi)；風(fēng)向不確定性也低于軍方標(biāo)書中的要求，風(fēng)向RMSE在風(fēng)速為6 m/s時最大，風(fēng)速大于11 m/s后趨于平穩(wěn)。

圖6 WSF-M地表風(fēng)速（a）和風(fēng)向（b）探測不確定性試驗結(jié)果

2.2.2 電光/紅外氣象衛(wèi)星（EWS星）

DMSP的下一代電光/紅外星EWS于2022年3月正式確定由通用原子公司（General Atomics）和獵戶座空間公司（Orion Space）共同開發(fā)。前者研發(fā)一個重量僅為400 kg的小衛(wèi)星，計劃在2024年或2025年發(fā)射，進(jìn)行為期三年的試運行；后者則將在2022年底發(fā)射一組約50顆12 U立方體衛(wèi)星，進(jìn)行一年的試運行。兩顆示范衛(wèi)星都在LEO軌道上運行，收集天氣圖像和云特征數(shù)據(jù)。

美軍方對EWS星的要求集中在提高云數(shù)據(jù)的精度上，通用原子公司的傳感器用從可見光到不同波長的紅外線的16個光譜頻道觀測云層，與WSF-M星需要提交的數(shù)據(jù)一致。

EWS關(guān)鍵技術(shù)在云特征（Cloud Characterization）方面，包括確定云量和云頂溫度，可用于衛(wèi)星和遙控飛機收集情報、監(jiān)視和偵查優(yōu)化，其中還包括空中加油、空中主權(quán)警報任務(wù)。如表3所示，在云特征數(shù)據(jù)精度方面，云檢測（Cloud Detection）要求白天和夜晚的精度分別為98%和95%，大氣光學(xué)厚度（Cloud Optical Depth）要求白天和夜晚的精度分別為最大值加減20%和30%。

美軍對戰(zhàn)區(qū)天氣圖像（Theater Weather Imagery）進(jìn)一步要求，必須有經(jīng)驗的氣象學(xué)家進(jìn)行人工分析，以確定無論是黑夜還是白天發(fā)生的云層、雷暴、霧、沙塵暴、火山灰等地點，而且要求在晨昏等光線條件較差情況下可識別上述圖像（表3）。

表3 云特征和戰(zhàn)區(qū)天氣圖像的預(yù)期性能要求

由此可推測，美軍希望利用EWS實現(xiàn)在惡劣天氣和夜晚等不利條件下更高精度的戰(zhàn)區(qū)環(huán)境觀測，以提供及時有效的環(huán)境信息支持軍事行動規(guī)劃和執(zhí)行。此外，EWS被要求在晨昏軌道飛行，提供戰(zhàn)區(qū)晨昏圖像，幫助軍隊部署在關(guān)鍵時間做出決策，在易受天氣影響下開展打擊戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)爭預(yù)測。EWS衛(wèi)星將為美國和北約盟國提供天氣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對軍事操作至關(guān)重要，如飛行路線、戰(zhàn)斗搜索和救援、敵方導(dǎo)彈觀測和情報收集。

3 結(jié)果討論

DMSP衛(wèi)星馳騁60年，無論是在技術(shù)端還是在促進(jìn)氣象業(yè)務(wù)端，都在20世紀(jì)中后期收獲了氣象界乃至全球遙感應(yīng)用領(lǐng)域的良好口碑。雖然其最先進(jìn)的技術(shù)依然停留在20世紀(jì)末，但該系列遙感數(shù)據(jù)的長期有效性，還是展示了衛(wèi)星遙感提供穩(wěn)定、均一和高質(zhì)量數(shù)據(jù)來源的特征。在過去20年里，世界上各主要國家民用氣象衛(wèi)星的性能，大幅度超越DMSP老化的技術(shù)情形下，美國國防氣象衛(wèi)星換代是否能夠帶來衛(wèi)星新技術(shù)的發(fā)展，從而引領(lǐng)氣象衛(wèi)星新一輪換代潮，受到各方關(guān)注和期待。

DMSP整整60年運行的歷史是氣象衛(wèi)星發(fā)展的縮影。從1961年開始醞釀，到1962年正式立項的DMSP項目，經(jīng)歷了從“看圖”技術(shù)到大型、多傳感器綜合探測衛(wèi)星。在1965年前后，確定了其技術(shù)領(lǐng)先地位。DMSP提供了太空天氣信息最早的戰(zhàn)事用途，在世界上首次使用氣象衛(wèi)星圖像在越南戰(zhàn)爭期間發(fā)揮了支持戰(zhàn)術(shù)軍事行動作用。此后，從第一次海灣戰(zhàn)爭到伊拉克和阿富汗等美國參與其中的國際沖突的實時態(tài)勢感知等方面，DMSP提供的信息對軍事行動的支持至關(guān)重要。

在軍民共用階段，DMSP衛(wèi)星數(shù)據(jù)被納入WMO衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫，其特有的晨昏軌道展示了極軌氣象衛(wèi)星借助微弱光線的探測能力。DMSP衛(wèi)星上裝載的微波等傳感器，是學(xué)界探知地球極地冰雪和全球陸地表明濕度等關(guān)鍵信息的最重要的來源之一。

DMSP系列衛(wèi)星令人印象最深的，是其長壽命。除了目前依然在軌的F17/F18（分別于2006年和2009年發(fā)射，設(shè)計壽命5年）已經(jīng)分別在軌工作了15年和12年外，1997年發(fā)射的DMSP-14衛(wèi)星雖然設(shè)計壽命為3年，但在2017停止工作前，歷史性地完成了第10萬次繞地球運行，運行時間達(dá)20年。其設(shè)計壽命之后的17年里繼續(xù)提供天氣數(shù)據(jù)，也證明了衛(wèi)星的制造工藝的水準(zhǔn)。

此外，DMSP還是目前美國與歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）合作研發(fā)的極軌衛(wèi)星在三個軌道上運行之一（晨昏軌道），這種三軌道提供的衛(wèi)星云圖至少每4小時覆蓋地球上的每個點。

換代國防氣象衛(wèi)星技術(shù)上的絕對優(yōu)勢尚不清晰。

從2010年開始，美國民用和軍用氣象衛(wèi)星再次分離，DMSP換代衛(wèi)星的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)設(shè)計細(xì)節(jié)，再次處于保密狀態(tài)。但是，從美國軍方公開的相關(guān)標(biāo)書、廠家和媒體信息，尤其是在各種學(xué)術(shù)會議上相關(guān)研討內(nèi)容上，還是能夠初步勾勒出兩個系列換代星的主要特點。未來此系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)是否可以公開并和民用氣象衛(wèi)星用戶共享，是一個很大的未知因素。WSF-M是微波星，可不受云層干擾和白天夜間的影響探測，尤其是探測基礎(chǔ)氣象要素上有較大優(yōu)勢。WSF-M帶來的突破性成果，各方聚焦在其在解析SBEM中海表矢量風(fēng)速的能力和精度上。MWI成像儀的原型測試表現(xiàn)出不俗的降低風(fēng)速和風(fēng)向探測不確定性的指標(biāo)。該技術(shù)如果能夠?qū)崿F(xiàn)，并與NOAA的颶風(fēng)中心等機構(gòu)的預(yù)報技術(shù)融合，能大幅度提升熱帶氣旋發(fā)生和發(fā)展預(yù)測能力，能夠為航空母艦等海上軍事設(shè)施活動提供關(guān)鍵情報。

EWS星可直接獲取地面直觀影像，其技術(shù)創(chuàng)新主要集中在高精度云特征數(shù)據(jù)和戰(zhàn)區(qū)天氣圖像兩項關(guān)鍵指標(biāo)上，探測產(chǎn)品的空間分辨率在2 km以內(nèi)，衛(wèi)星重訪周期在12 h以內(nèi)。EWS對云特征數(shù)據(jù)（包括云覆蓋、云頂溫度和大氣光學(xué)厚度）的探測要求分為白天和夜間，而EWS星也將在晨昏軌道運行。這說明美軍意在提升黎明和黃昏時明暗之間關(guān)鍵氣象要素的探測能力。

衛(wèi)星研發(fā)的主動權(quán)在廠商手中。DMSP項目研發(fā)，雖然最早是由國家機構(gòu)承擔(dān)，但高度商業(yè)化的美國很快就將衛(wèi)星研發(fā)交給廠商，美國洛馬公司一直以數(shù)十年研發(fā)DMSP衛(wèi)星為榮。進(jìn)入21世紀(jì)以來，早期在各國家實驗室孕育的很多衛(wèi)星前端技術(shù)，因以軍工復(fù)合體為代表的企業(yè)研發(fā)的大量投入，尖端技術(shù)已經(jīng)從聯(lián)邦實驗室轉(zhuǎn)移到廠家，尤其是實力雄厚的大廠商。這一點，在美國軍用和民用氣象衛(wèi)星研發(fā)承包商分布上，也表現(xiàn)得十分突出。

DMSP換代星占據(jù)美軍方SEBM重要位置。美國涉及氣象衛(wèi)星等天基觀測活動，都被納入國家天基環(huán)境監(jiān)測（SBEM）能力進(jìn)行規(guī)劃和評價，其中軍用和民用之間既有交接又有所區(qū)別。借助DMSP等項目，美國在過去60年里在全球占據(jù)了領(lǐng)先地位。目前的困境是：當(dāng)前仍在軌道的DMSP氣象衛(wèi)星的估計壽命在2023—2026年，如果換代衛(wèi)星研發(fā)有延遲或目前在軌的衛(wèi)星業(yè)務(wù)運行狀態(tài)發(fā)生變化，都有可能造成DMSP氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)的中斷。從長期來看，美國在規(guī)劃其到2040年的新的SBEM能力。面對國際地緣政治發(fā)展態(tài)勢，美國無疑要借助DMSP后繼項目，保持其天基全球環(huán)境監(jiān)測的國際領(lǐng)先地位和具有更大能力服務(wù)于美國的全球軍事策略和行動。

換代后的DMSP將由美國太空部隊管理和運行。在美國太空部隊最新的空間感知體系中，包括了下一代頭頂持續(xù)紅外（Neхt-Generation Overhead Persistent Infrared，OPIR）系統(tǒng)、國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)和持久戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視和混合架構(gòu)風(fēng)險降低的所謂Blackjack技術(shù)平臺等。而在以國防氣象衛(wèi)星為主要手段的環(huán)境監(jiān)測方面，三個分系統(tǒng)作為支撐：EWS/地球靜止（EWS-G1）平臺為作戰(zhàn)人員提供全球地面云預(yù)測和戰(zhàn)區(qū)天氣圖像數(shù)據(jù)，以便及時執(zhí)行任務(wù)、計劃和執(zhí)行；WSF-M為軍事行動提供關(guān)鍵和可操作的環(huán)境情報；另外，所有國防衛(wèi)星加裝的空間天氣傳感器瞄準(zhǔn)空間態(tài)勢感知和環(huán)境監(jiān)測（SSAEM）目標(biāo)，收集電離層和空間天氣數(shù)據(jù)，以預(yù)測對通信、導(dǎo)航和監(jiān)測系統(tǒng)的影響。

核動力衛(wèi)星等美軍用衛(wèi)星優(yōu)先試驗技術(shù)或給DMSP換代星性能帶來更多突破。在深空探測中發(fā)展的衛(wèi)星核動力技術(shù)，有快速進(jìn)入地球衛(wèi)星觀測領(lǐng)域的可能①，尤其是在國防安全領(lǐng)域。美國國防部就下一代美國國防衛(wèi)星研發(fā)，提出要具有足夠的動力以躲避攻擊等新的要求。進(jìn)入21世紀(jì)，已經(jīng)有俄、美、印等多國成功實施了在軌衛(wèi)星攻擊試驗。面對這樣的新戰(zhàn)略能力，美國軍方認(rèn)為，如果關(guān)鍵國防衛(wèi)星被攻擊，美軍很難打贏一場戰(zhàn)爭。如果關(guān)鍵衛(wèi)星具有核動力，這樣的極軌衛(wèi)星可以在幾小時爬升到3.6萬km的地球靜止軌道或經(jīng)常變化軌道成為軌道不可預(yù)測的衛(wèi)星，從而有效躲避被打擊。衛(wèi)星增加核動力可能除了具有更好地躲避被打擊的優(yōu)勢外，還以目標(biāo)為導(dǎo)向，通過變軌實現(xiàn)更有效、精準(zhǔn)地獲取關(guān)鍵和完整的氣象信息：例如，通過變軌讓衛(wèi)星跟隨航母等，實現(xiàn)頻繁在目標(biāo)頭頂觀測等。此外，極軌衛(wèi)星通過動力條件改進(jìn)，實現(xiàn)更低軌道（軌道高度從800 km降低到400 km左右）以及實現(xiàn)衛(wèi)星在軌添加推進(jìn)劑等，都有望全部或部分最先在換代國防氣象衛(wèi)星上試驗并帶來新的能力提升。

深入閱讀

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