制成十数载，今始上太空

司马杭仁

2014年4月3日，美国空军从加州范登堡空军基地用“宇宙神-5”（Atlas V）火箭成功发射1颗军用气象卫星—“国防气象卫星计划-F19”（DMSP-F19）。该卫星由洛克希德·马丁公司建造，价值5.18亿美元。卫星重1233.8千克，运行在约847千米高的极地轨道上，能够获取可见光和红外云层覆盖，测量降雨量，以及采集特定的气象信息。它是美国2009年以来发射的首颗DMSP卫星，可向地面连续发送图像，监测全球天气状况，帮助美国军方在全球范围识别确定雷暴、飓风和台风强度。此外，它还承担了民事用途，将会通过美国国家海洋和大气管理局为公众提供广泛的气象信息。

军用气象卫星效能显著

气象卫星在现代战争中的作用日益明显，例如，用“锁眼-12”光学成像侦察卫星拍摄重要军事目标或战机出动前，需要知道目标空域的云层情况；航行中的舰艇需了解未来的海浪、水速以及是否大雾或台风等情况的气象情报；空袭导弹的命中精度也与大气温度、压力和风速等密切相关，气象卫星已成为从空间获取战略目标和作战地区气象情报的重要手段，而民用气象卫星也常被用于各国军事行动的气象支持。

在美国1999年空袭南联盟的作战行动中，由于巴尔干地区春季天气多变，且丘陵地形起伏，给空袭行动带来很大变数，也对定时获取特定目标图像的侦察卫星造成了显著的影响。北约为此动用了10颗军用和民用气象卫星，从不同角度获取气象信息，为空袭行动提供气象服务保障。

目前，在世界上已有多个国家拥有民用气象卫星，但只有美国拥有军用气象卫星。相比于民用气象卫星，两者工作原理相同，但军用气象卫星分辨率更高、保密性好。

DMSP卫星发展历程及性能

DMSP由美国国防部发展，与民用“诺阿”卫星同属极轨气象卫星，只不过星上遥感器配置有所不同。美国自1962年起开始实施长期的DMSP计划，该计划因曾涉及支持中央情报局的第一批间谍卫星而作为高度机密存在。自1965年1月19日发射第1颗卫星至今，DMSP计划已运行40多年，在此期间，先后发射7代12型共52颗卫星，其中成功47颗，目前仍有6颗卫星在轨运行，运行时间已超过预期。该卫星系统用于战略和战术气象预报，为美国军方规划陆、海、空作战提供帮助。它采用双星运行体制，分为06∶00轨道卫星和10∶30轨道卫星2种。空袭南联盟所动用的10颗气象卫星中，有2对4颗DMSP卫星，每对卫星在同一轨道上工作，每天可对世界任何地方扫描4次。其数据传输有存储和直接发送2种方式，前者在飞经美国本土时，发送给3个空军基地的地面站，再经通信卫星中继到奥福特空军全球气象中心（又称空军气象局）和蒙特雷海军舰队数值海洋学研究中心；后者把生成的云图实时发送给遍布全球的美军战术地面站和大型军舰，供指挥员直接使用。这2个中心汇编成的全球气象及太空环境信息产品会被发送往国防部和政府各民事机构。

卫星的主要任务是监视地球的气象环境，但也携带有测量太空环境条件的传感器，例如测量局部的带电粒子和电磁场。卫星的核心遥感器是行扫描系统遥感器，使用移动望远镜技术，以交叉跟踪方向方式扫描地球，同时卫星沿着追踪方向向前运动，旨在绘制连续的覆盖全球的气象云图。它所拍摄的图像用于强风暴预测，定位风暴，评估其强度。DMSP可提供分辨率300米的天气图像。星上另一种重要的遥感器是微波成像仪与探测器，保证所采集的风速及降雨率等微波数据不会因云层覆盖而模糊不清，这对于精确定位风暴中心，预测风暴发展及运动情况至关重要。

7代DMSP卫星经不断改进，质量已由最初的125千克增加到1000千克以上，遥感器由1台增加到7台。最初的DMSP卫星为自旋稳定，装载“快门”式像机；到了20世纪70年代，卫星已能拍摄可见光和红外图像；20世纪80年代初卫星姿态控制有了明显改进，星上计算机处理能力大为增强；现在运行的DMSP卫星为三轴姿态稳定，运行在高度约830千米的近极地太阳同步轨道，周期约101分钟，扫描条带宽度3000千米，每对卫星每6小时可提供一次全球云图。目前在轨服役的卫星是DMSP-F15、F16、F17、F18、F19，均为第7代卫星。

现役DMSP卫星呈圆柱体，直径1.2米，长4.3米，太阳翼翼展6.4米，发射质量大于1155千克，有效载荷质量大于270千克，太阳电池翼面积9.29平方米，功率2200瓦，设计寿命5年，具有60天的自主运行能力。卫星由4个部分构成，即安装有效载荷的仪器舱、安装电子设备和反作用轮的功能舱、安装推进系统的推进舱以及可展开的太阳电池翼。

卫星载有如下遥感器：

* 紫外临边成像仪—用于测量地球极远和远紫外辐射的垂直分布；

* 紫外光谱成像仪—用于测量地球大气和电离层的紫外辐射以及大气辉光和陆地反照的可见光辐射，可获得夜气辉和夜晚极光的广度测量数据；

* 微波成像仪与探测器—用于测量地球表面和大气的辐射微波能量，反演出大气温湿度垂直分布，包括降水、液态水、冰覆盖和海面风速等；

* 业务型行扫描系统遥感器—用于获取全球云分布图及云顶温度，每天可2次生成全球云分布图及云顶温度；

* 空间环境探测器组件。

与前几代DMSP相比，第7代卫星配有更大的遥感器和更大的电源系统；增加了星载计算机的内存和电池能力，使得卫星更具自主性，延长了平均任务周期。

这次发射的F19是在20世纪80年代批量购买的DMSP卫星之一，目的是降低成本。该卫星早在1995年左右就开始建造，当时的成本大约是1.3亿美元，但最终价格超过5亿美元，这包括卫星制造和近20年的存储与翻新成本。实践证明，批量购买策略是一把双刃剑，因为除有较长的存储周期外，F19卫星和还没发射的F20卫星还需要大量改进，包括替换老化、过期和故障的部件。F20卫星目前在洛·马公司的维护下存贮，并进行功能试验和升级。在军方需要时，将运往范登堡空军基地发射。

美国军用气象卫星未来发展

DMSP将从2020年逐步被“后继型气象系统”（WSF）替代，WSF卫星也是专用军用气象卫星，其研制始于2010年。当时，为了节省经费，并提高获取大气、海洋、陆地和空间环境等气象信息的能力，满足未来军民气象观测的能力，美国政府曾计划将DMSP军用气象卫星和“诺阿”民用气象卫星合并，研制“国家极轨环境业务卫星系统”（NPOESS）军民两用气象卫星。

NPOESS原定采用3颗卫星组网工作，运行在高833千米的极轨道上，装载的气象遥感器有：

获取地球大气、海洋和地表可见光及红外辐射资料的可见光红外成像仪/辐射器；飓风和降水的锥形微波成像仪/探测器；

测量大气压、温度的跨轨红外大气探测器；

获得全球温度、湿度分布的先进技术微波大气探测器；

计算大气层臭氧垂直和水平分布的臭氧绘图与分布测量仪装置；

用于测量美俄导航卫星发射无线电信号的折射，以反演电离层浓度和大气温度的全球定位系统掩星探测器；

监测中性、带电粒子、电磁场和极光的空间环境监测器。

星上还有地球辐射收支探测器、总太阳辐照度探测器、雷达高度计、搜索救援系统和资料收集系统等。但是到了2010年，由于经费超支、研制迟缓等原因，NPOESS进行了重组，重新分割为民用的“联合极轨卫星”（JPSS）和军用的“国防气象卫星系统”（DWSS）。2011年10月28日，最初作为NPOESS技术验证星的“国家极轨环境业务卫星系统预备项目”（NPP）仍然如期发射，对重要有效载荷进行飞行验证，以降低研制风险。

2014年1月，美国空军航天司令部司令谢尔顿上将表示，WSF卫星可能是分散式体系的一次展示，这有别于在过去数十年间已经成为标准的大型、复杂的系统。WSF卫星“将由一组系统组成，它能够提供及时、可靠和高质量的天基遥感能力，满足对于全球范围的环境观测，包括大气层、地形、海洋、太阳-地球物理和其他已验证的需求。新的卫星将具有有限的能力，而且足够小，采用一种商业卫星平台，从而可通过推力较小的“人牛怪”系列运载火箭发射。美国空军现正着眼于改进”人牛怪-4”运载火箭，其优势能力可将质量为900千克的“后续气象系统”送入850千米高的轨道。endprint