美国首颗新一代地球静止轨道气象卫星登场

（北京空间科技信息研究所）

美国首颗新一代地球静止轨道气象卫星登场

宋晶晶（北京空间科技信息研究所）

1 引言

2016年11月19日，美国新一代“地球静止环境业务卫星”（GOES）的首颗星—地球静止环境业务卫星-R搭载宇宙神-5火箭发射升空。该卫星在到达预定轨道后被命名为地球静止环境业务卫星-16，在加入“地球静止环境业务卫星”星座后提供西半球天气以及空间气象监测。

新一代“地球静止环境业务卫星”系列共包括4颗卫星（地球静止环境业务卫星-R、S、T、U）。全部部署完毕后，“地球静止环境业务卫星”系统业务的服务期限可延至2036年。该系列卫星具有更高空间分辨率和更快速覆盖的增强成像能力，可用于更精确的气象预报和闪电活动的实时制图，并提高对太阳风暴活动的监测水平，因此将显著提高对环境现象的探测和观测水平，这些现象将对公众安全、财产保护以及国家经济健康和繁荣产生直接影响。

2 发展背景

地球静止环境业务卫星-R～U是美国商务部所属的国家海洋与大气管理局（NOAA）的第三代“地球静止环境业务卫星”。该系列卫星基于最先进的技术，采用了全新的空间段和地面段，并将使用新的运营流程和数据处理算法。“地球静止环境业务卫星”由美国国家海洋与大气管理局和美国航空航天局（NASA）共同开发。整个“地球静止环境业务卫星”计划由美国国家海洋与大气管理局管理，由其负责制定要求、提供资金并在全美分发环境数据。美国商务部负责卫星的预算、地面段项目的采购以及整体计划采购策略的批复。美国国家海洋与大气管理局向美国商务部保证第三代“地球静止环境业务卫星”的顺利研制以及成功运行。美国航空航天局的戈达德太空飞行中心同美国国家海洋与大气管理局合作对卫星及其仪器的设计和研制进行管理，具体工作由其下设的合作计划及项目办公室进行。

地球静止环境业务卫星—R成像能力

第三代“地球静止环境业务卫星”项目的定义和需求阶段始于2000年，接着在2001年召开了首次用户会议，相对于上一代地球静止环境业务卫星-I、M、O、P系列，第三代“地球静止环境业务卫星”将显著增强以下4种关键能力：①空间分辨率；②光谱覆盖范围和分辨率；③瞬时更新速度（即探测、变化识别以及飓风跟踪）；④辐射敏感度。

其设计寿命为15年，将提供包括陆地、大气、水文、海洋、气候、太阳-地球物理学以及空间环境在内的关键遥感数据，改进了延迟，可在包括春分日食在内的期间对整个半球提供全部覆盖，此外该卫星系统还将提供增强直接服务，如：无线电转播（GBR）、搜寻&救援（S&R）、数据采集系统（DCS）、应急管理气象信息网（EMWIN）以及低速信息传输（LRIT）通信。

3 卫星概况

地球静止环境业务卫星-R采用洛马公司的A2100A型三轴稳定平台，在轨运行的设计寿命为15年，包括5年在轨备份寿命和10年在轨工作寿命，寿命末期功率大于4000kW。其轨道高度约35786km，该卫星将定位于地球静止轨道75°（W），用于观测西部地区，倾角0°。在第三代“地球静止环境业务卫星”星座中观测东部地区的卫星将定位于137°（W），较之目前定位于135°（W）的在轨“地球静止环境业务卫星”而言，消除了与其他卫星系统在X频段的互扰。该卫星在轨储存期间将定位于105°（W），在发射/检测阶段停留在90°（W）。在东西和南北轨道的定位精度为±0.1°。卫星将通过周期性的定位和动量调整进行机动控制，以便获得近持续观测。

该卫星的其他突出的性能还包括：对地指向的光具底座能够对振动隔离，卫星与仪器的接口设计能够最大化采集科学数据。地球静止环境业务卫星-R科学数据采集（包括成像）的每年累积时间不超过150min，会由于动量调整、定位和领航翻转动作而中断。相对于现有的地球静止环境业务卫星，提升了两个级别。地球静止环境业务卫星-R将连续采集和传输100Mbit来自各个位置的数据，在L频段采用双极化方式可连续转播31Mbit数据，卫星尺寸为6.1m×5.6m×3.9m，质量约为2800kg。

地球静止环境业务卫星—R外形结构图

4 搭载仪器

第二代/第二代改进型与第三代“地球静止环境业务卫星”进步点对照表

先进基线成像仪

地球静止环境业务卫星-R上搭载的有效载荷包括先进基线成像仪（ABI）、地球静止轨道闪电绘图仪（GLM）、太阳紫外成像仪（SUVI）、远紫外与X射线辐照度探测器（EXIS）、空间环境原位测量装置（SEISS）和磁强计（MAG）等。

1) 先进基线成像仪。它是美国国际电话电报工业集团埃克斯利斯公司（ITT Exelis）新研制的扫描辐射成像仪，用于取代上一代卫星的“地球静止环境业务卫星”上的成像仪和探测仪。先进基线成像仪提高了空间分辨率和扫描速度，具有多种扫描模式，地球全盘扫描时间提高到5～15min，美国本土扫描时间（3000km×5000km）达到5min，设计目标要实现1min，中尺度区域扫描时间（1000km×1000km）达到30s。

先进基线成像仪与现有“地球静止环境业务卫星”上的成像仪5min成像能力对比

第二代与第三代“地球静止环境业务卫星”成像仪参数对比

地球静止轨道闪电绘图仪

2）地球静止轨道闪电绘图仪。它由美国洛马公司先进技术中心负责研制，工作在近红外谱段，空间分辨率8～12km，可全天候地对发生在美国本土及近海上空的闪电进行探测和成像，补充现有陆基的测量能力。地球静止轨道闪电绘图仪能够将恶劣天气和飓风的预警时间提高到20min甚至更快。

3）远紫外与X射线辐照度探测器。它由美国科罗拉多大学大气和空间物理实验室（LASP）负责研制，由2个可以对太阳进行全盘观测的仪器组成：远紫外探测器（EUVS）和X射线探测器（XRS），主要用于对太阳耀斑事件的预警。其中远紫外探测器可在5～127nm范围内探测太阳全盘远紫外通量，X射线探测器可探测太阳全盘X射线通量，检测太阳耀斑的X射线量级和持续时间。

4）空间环境原位测量装置。它由美国保障技术公司（ATC）研制，是一组高能粒子探测器。空间环境原位测量装置包括高能重离子探测器（EHIS）、高能磁层粒子探测器（MPS-HI）、低能磁层粒子探测器（MPS-LO）、太阳银河质子探测器（SGPS）和数据处理单元（DPU）5个组件，可以为导航卫星、通信卫星和航天员提供潜在的危险报警。

地球静止轨道闪电绘图仪设计参数

远紫外与X射线辐照度探测器

远紫外与X射线辐照度探测器指标

5）太阳紫外成像仪。它也是由洛马公司的先进技术中心负责研制，是一个太阳指向、垂直入射的多层望远镜，主要用于研究太阳活动及其对地球和近地环境的影响。太阳紫外成像仪的观测范围为9.4～30.4nm，覆盖软X射线到紫外波段。太阳紫外成像仪能够观测太阳紫外线发射、定位日冕洞、耀斑和日冕质量喷射源区域，提供早期探测和定位信息。

6）磁强计。它由洛马公司研制，将通过测量空间环境磁场对外围磁层的带电粒子运动进行控制，这些带电粒子将会给飞行器和航天员带来危险。还将提供有关地磁活动总体水平的信息，并对突发地磁风暴进行探测。此外磁强计还将用于将对用于业务运行的大型空间环境模型进行验证。地球静止环境业务卫星-R将通过磁强计以0.016nT的分辨率和2.5Hz的响应频率对地球磁场的3个组成部分进行测量。

空间环境原位测量装置的5个组件

5 地面段

地面系统组成及各设施功能

地球静止环境业务卫星—R系统结构图

地球静止环境业务卫星-R的核心地面系统由2个接收卫星数据的主要地点组成：位于马里兰州苏特兰市的美国国家海洋与大气管理局卫星运行中心（NSOF）和位于弗吉尼亚州沃洛普斯市的控制和数据采集站（WCDAS）。第3个运行中心在西弗吉尼亚州费尔蒙特市，提供集中备份（CBU）服务。

美国国家海洋与大气管理局卫星运行中心负责地球静止环境业务卫星-R绝大部分任务的运行和产品负责。在卫星运行中心的4个9.1m天线已经进行了升级，升级后的天线将继续与现有地球静止环境业务卫星兼容，并在第三代“地球静止环境业务卫星”寿命期间运行。

控制和数据采集站是用于天地间通信的主要场所。部分数据将在该站处理并生成用于卫星上行链路的“地球静止环境业务卫星”转播（GRB）数据。控制和数据采集站还将为卫星提供上行链路以支持某些独有的载荷服务，除主要GOES任务数据之外还包括提供通信中继服务的转发器。控制和数据采集站的3个16.4m新天线是设计用来在持续风速为110m/h以及阵风风速高达150m/h的2级飓风期间运行。这些天线均与现有“地球静止环境业务卫星”兼容并将继续在第三代“地球静止环境业务卫星”系列寿命期间运行。

集中备份中心将作为备份服务，支持意外运行并具备美国国家海洋与大气管理局卫星运行中心和控制和数据采集站的所有关键功能。在集中备份中心正在建造的3个16.4m天线将保持与现有地球静止环境业务卫星兼容并将继续在第三代“地球静止环境业务卫星”系列寿命期间运行。

卫星数据的几种分发模式

根据用户的不同类型和潜在数据需求，用户将通过多种方式访问地球静止环境业务卫星-R的卫星数据。这些产品分发服务包括：

1）高级气象交互处理系统（AWlPS）。它是一个集成了气象和水文数据的计算机系统，用于使气象学家准备预测和发出预警。国家气象局是地球静止环境业务卫星-R数据的主要操作用户，将直接接收来自高级气象交互处理系统接口的关键数据。

2）产品分发和访问（PDA）。已授权用户将通过产品分发和访问系统获得实时数据，该系统接收和存储实时环境卫星数据和产品。

3）“地球静止环境业务卫星”转播（GRB）。它将使用户用自己的接收机接收具有完全分辨率、已校准的、近实时的直接广播数据产品。

4）综合大型陈列数据管理系统（CLASS）。地球静止环境业务卫星-R数据还可以通过综合大型陈列数据管理系统获得，该系统是一个基于网络对美国国家海洋与大气管理局的环境数据进行存档和分发的系统，让科学家、研究人员和专业学者对已存档的产品（7天之前）进行检查。

地面系统的数据产品

地面系统将接收来自地球静止环境业务卫星-R的源数据并生成1b级和2+级的数据产品。来自各仪器的1b级数据和来自广义拉格朗日乘子（GLM）的2+级数据将经由“地球静止环境业务卫星”转播服务，通过包括卫星中继的方式分发给直接读数的用户。1b级产品和2+级产品将通过综合大型陈列数据管理系统在内的数据存档中心，提供给产品分发和访问系统。

6 后续计划

第三代“地球静止环境业务卫星”系列后续还将发射3颗卫星：地球静止环境业务卫星-S、T、U，这3颗卫星分别计划于2018、2019和2025年发射。目前，后续的这3颗卫星的研制工作进展顺利，其中地球静止环境业务卫星-S的各组件已经完成研制，将进行卫星系统总装，地球静止环境业务卫星-T、U的各组件研制工作也都取得了重要进展。