美国的气象卫星的发展

邢 强

美国的气象卫星的发展

邢 强

气象卫星的发展速度在所有应用类卫星中可谓名列前茅。如今的气象卫星拥有紫外、可见光、红外和微波等多种工作频段，可以在高轨的地球同步轨道和低轨的太阳同步轨道上对地球遂行气象观测、成像探测等多种任务。作为最早发射气象卫星并且多次尝试采用新型气象卫星工作方式的国家，美国对气象卫星的探索和发展已经逐渐形成了自己的体系。

早期尝试

1959年2月17日，美国在卡纳维拉尔角发射了世界上第一颗气象卫星“先锋2号”。这颗重10.8千克，直径只有50.8厘米的卫星被送入近地点560千米、远地点2953千米、倾角为32.87°的轨道上。按照原设计，在电池用尽之前，星上的2组光学设备能够对地球进行持续拍摄，以便获取大气中云层的情况。但事与愿违的是，“先锋2号”入轨不久，就出现了自转轴不稳定的情况，还未传回一幅有用的画面就被宣布报废，成为了一颗太空垃圾。该星至今仍在轨道上以121.54分钟的周期绕地球转动。

1960年4月1日，也就是“先锋2号”失败后不到1年时间，美国宇航局用“雷神”火箭发射了一枚重新设计的气象卫星。该星运行在近地点631千米、远地点665千米的近圆轨道上。这颗名为TIROS-1 （TIROS的全称为Television Infrared Observation Satellite，即：电视红外观测卫星）的卫星首次成功拍摄到了气旋、多种云层等大气物理现象。在可靠运行的78天时间里，TIROS-1向地球上的控制中心传回了22952张照片，为气象卫星技术的发展奠定了坚实的基础，成为了世界上第一颗成功运行的气象卫星。

两种轨道

从1960年4月1日到1965年7月2日这5年时间里，美国陆续发射了10颗TIROS气象卫星，对多种传感器技术和数据传输技术进行了验证。至此，有关卫星拍摄图像和传输信息的技术已经掌握，接下来就要考虑轨道优化的问题了。

气象卫星相当于悬在头顶的一只窥视之眼。而一只眼睛要想看清事物，首先是要本身足够健康，功能要完好；其次，观看物体的角度和当时的光照条件也是重要的影响因素。在发射了10颗试验性质的卫星之后，科研人员开始认真考虑气象卫星的轨道优化问题。

他们首先想到的，就是太阳同步轨道。所谓太阳同步轨道指的是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道的倾角（轨道平面与赤道平面的夹角）接近90度，卫星在南北两极上空附近通过。卫星轨道每天向东进动0.9856°，这个角度恰好是地球绕太阳公转每天东移的角度。这样，卫星每天拍摄地面上同一个地点时，恰好都是同一个当地时刻。这样的轨道保证了卫星拍摄的图像拥有同样的可见光或者红外光的光源条件。

1966年2月3日，太阳同步轨道气象卫星“艾萨”1号升空。该星轨道高度约1400千米，云图分辨率为4000米。该星轨道设计合理，拍摄出的云图较为清晰，大幅提升了气象预报的精确度。因此，“艾萨”系列的9颗卫星终于让民众接受了气象卫星这个概念，被很多人认作是最早的实用型气象卫星。

进入上世纪70年代，美国的太阳同步轨道气象卫星开始采用三轴稳定技术，并且装载了扫描辐射仪、高分辨率红外探测器、平流层探测器等设备，成为了气象预报部门的重要信息来源。

除拍摄时的光照条件稳定外，太阳同步轨道上的卫星还有其他优势。太阳能帆板角度易于维持与太阳相对较为优化的角度，因此星上能源和星上的热控制问题相对较易解决，这使得该轨道特别适合于在轨工作时间较长的气象卫星。但是，这种轨道也有缺陷：一天只能飞临同一地区上空2次，而且轨道高度较低，视野范围较小。这就难以满足对特定地区进行实时连续监测的要求。

1960年，TIROS-1气象卫星拍摄到的地球大气的气旋现象

于是，地球同步轨道气象卫星应运而生。所谓地球同步轨道，就是轨道周期等于地球的自转周期，且轨道上的卫星运行方向与地球自转方向一致的轨道。当气象卫星在倾角为0°，高度为35786千米的这条特殊轨道上运行时，就像是一盏悬挂在赤道上空的灯笼，静静地守护着人们的安宁。

1975年，美国发射地球同步轨道气象卫星成功。其红外与可见光自旋扫描成像设备能够对指定地点实施24小时不间断成像监测。到1978年，美国尝试部署了3颗地球同步轨道气象卫星。该系列卫星均被冠以GOSE的编号。上世纪90年代直到本世纪初，美国GOSE卫星实现了全球组网观测。

值得注意的是，这些GOSE卫星虽然被称作“静止气象卫星”，但实际上它们是能够移动工作位置的。2006年，GOSE-11卫星由西经104°转移到西经135°，以便替代寿命将尽的GOSE-10卫星。而GOSE-12卫星在2001年至2003年在西经90°上空，观测太平洋西岸海面情况，到了2003年就移到了西经75°的南美洲上空，在2010年，更是挪到了西经60°的位置，以便更好地监测亚马逊流域上空的情况。

三大体系

如今，美国的太阳同步轨道气象卫星（又称“极地气象卫星”）和地球同步轨道气象卫星（又称“静止气象卫星”）都已发展了4代，并已经有了明确的新一代发展计划。这些在轨的气象卫星整体上被划分为三大体系。

前两个体系为民用极轨气象卫星（POSE）和民用静止气象卫星（GOSE），由美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，简称NOAA）来进行管理。如今，NOAA的对大气和海洋气象的预报以及对生态环境的监测已经扩张到了全球范围。

第3个体系为军用极轨气象卫星，正式名称为国防气象卫星系统，由美国国防部管理，归口单位为美国空军的空间和导弹系统中心。美国运营着世界上唯一一个以军事用途为主要目的的气象卫星网络。在1999年的科索沃战争中，以美国为首的北约调用了10颗气象卫星来为风云变幻的巴尔干半岛上的军队提供24小时不间断的天气预报。而在使用高精度侦察卫星对特定地区实施侦察摄像之前，通常需要调用气象卫星对该地区的云层情况和天气情况进行提前摸底，以便侦察卫星能够选择在最佳的时机实施拍摄。