风云变幻立春秋

鹿鸣

“风云”3号是中国新一代极轨气象卫星，世界气象组织将该系列卫星纳入新一代世界极轨气象卫星网。同时，我国新一代气象卫星“风云”4号也正式公开亮相。至此，中国、美国、欧洲和日本都组建了自己的气象卫星星座。这些卫星各自轨道不同、载荷多样，同时其发展的脉络也各有特色。气象卫星的全球化大发展的时代已经到来。

    NOAA的卫星提供的北美洲、太平洋和大西洋地区的情况

中美气象卫星大比拼

据“风云”4号副总设计师沈毅力介绍，最新的这颗“风云”卫星是我国首颗在地球同步（静止轨道）上工作的三轴稳定定量遥感卫星。该卫星发射重量5.4吨，采用六面柱体和单太阳翼结构，使用三轴稳定姿态控制机制，工作在3.6万千米的轨道上，设计寿命7年。“风云”4号星上装载了我国首次研制的干涉式大气垂直探测仪，该探测仪与多通道扫描成像辐射计装载于同一颗卫星，实现了成像观测和大气垂直探测相结合的综合观测。同时，还将装载我国首次研制的闪电成像仪，实现区域闪电探测功能。

遥想当年，在上世纪60年代，中国开始着手开展极轨气象卫星的准备工作。1971年7月1日，国家卫星气象中心成立。而在此之前，我国第一代极轨气象卫星“风云”1号（FY-1）的研制工作已经开始。1988年7月9日，01批的FY-1A气象卫星发射。1990年9月3日， FY-1B气象卫星发射。“风云”1号系列气象卫星的发展解决了高质量的可见和红外扫描辐射计、全球资料的星上存储和回放、太阳同步轨道卫星的发射和精确入轨、长寿命的三轴稳定姿态卫星平台等技术难题。

上世纪80年代，中国开始了静止轨道气象卫星及与之配套的地面应用系统的研制与建设工程。中国的第一代地球静止轨道气象卫星定名为“风云”2号（FY-2）。1997年6月10日，中国第一颗地球静止轨道气象卫星FY-2A在西昌卫星发射中心由一枚“长征”3号成功发射，当年6月17日精确定点于赤道上空，定点位置为东经105°，开启了我国的地球静止轨道气象卫星的崭新时代。

2008年5月7日，中国第二代极地轨道气象卫星“风云”3号发射成功。2016年，中国第二代静止轨道气象卫星“风云”4号公开亮相。

如今，我国的气象卫星不仅仅能够覆盖东西跨度超过60°的广阔区域，更是能够以东西两大卫星观测区对更大范围的地表实施观测和预报。“风云”系列气象卫星的东部星观测区覆盖了我国的中部和东部地区，同时能够对太平洋广阔海域进行实时观测。而西部星观测区则能够对我国西部地区进行观测，同时将观测预报区前伸扩大至印度洋、红海乃至中东地区，与东部星观测区共同为我国的“一带一路”战略提供持续可靠的气象服务。另外，西部星观测区的气象卫星与欧洲气象卫星的观测区域实现了对接，能够为全球气象与环境监测贡献力量。

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。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。

   GOES-M氣象卫星代表了当今世界气象卫星较为先进的水平。

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。

欧洲和日本各有特色

其他国家的气象卫星发展脉络与美国类似，同样开始走极地轨道气象卫星与静止轨道气象卫星相结合的道路，但是各自又有特色。比如，日本在1977年委托美国为其发射了一颗静止轨道气象卫星（该星名为GMS）。该星运行于高度35 900千米的轨道上，定点于东经140°，其对地观测角为17°24′。这颗卫星的观测范围较广，以该星的星下点为中心点，卫星的观测范围覆盖了一个投影图形的直径接近12 000千米的球面。西起巴基斯坦，东至夏威夷，北到太平洋北端，南到南冰洋区域，都在它的观测范围内。我国全部的近海海域以及80%以上的陆上地区都处于这颗星的24小时不间断视野之内。这样的气象卫星，日本陆续发射了5颗，其服务时间一直延续到了2003年。后来，随着技术的进步，日本逐渐用三轴稳定姿态控制卫星替代了原来的自旋稳定气象卫星。三轴稳定气象卫星对1 000千米×1 000千米的中小尺度区域进行成像，仅需40秒时间。2014年升空的日本“向日葵”8号气象卫星开始采用先进成像仪技术（AHI技术），能够对特定区域进行较高分辨率扫描成像。

欧洲气象组织自己的气象卫星同样发轫于1977年。虽然起步比美国晚，但是其星上设备有独到之处。借助星上的红外/可见光自旋扫描辐射计，欧洲的气象卫星在上世纪70年代末获取了世界上第一幅全球水汽图像。值得注意的是，欧洲的气象卫星在很长一段时期内都只采用了静止轨道工作方式。直到2006年，欧洲才终于发射了其第一颗极地轨道气象卫星。

两种轨道都不能少

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。

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2 953千米、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。该星运行在近地點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22 952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。

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。

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1 400千米，云图分辨率为4 000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。

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35 786千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。

进入大数据时代

令人兴奋的消息是，中国的气象卫星系统已经敞开怀抱，拥抱这个以互联网+为契机的大数据时代。自2016年12月1日起，“风云”卫星遥感数据服务网与中国气象数据网已经完成整合。这两个网站整合后，用户可在中国气象数据网进行实名制升级，并可下载卫星数据。如今，在我国的气象卫星数据库中，有23颗卫星提供服务，共有4 162.3TB的数据可供下载。“风云”系列卫星的数据提供能力也在逐步提升。“风云”1D的数据量为6.5TB，到了“风云”2D，该数据量达到了58.3TB，约为前者的9倍。而“风云”3B的数据量更是达到了惊人的1 655.7TB，是“风云”2D气象卫星的28.4倍。

责任编辑：邢强