氣象衛(wèi)星飛到天邊外 坐看云起時(shí)
2014年12月31日，我國風(fēng)云二號08星氣象衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征三號甲運(yùn)載火箭成功發(fā)射升空。此次發(fā)射是我國2014年宇航發(fā)射的收官之作。 截至目前，全世界已經(jīng)發(fā)射了約200顆各種氣象衛(wèi)星，其軌道類型從最早的太陽同步軌道擴(kuò)展到地球靜止軌道，姿態(tài)控制類型由早期的自旋穩(wěn)定方式發(fā)展到三軸穩(wěn)定方式，衛(wèi)星也從最早單純的氣象觀測發(fā)展到綜合的多學(xué)科探測與應(yīng)用。 經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國的氣象衛(wèi)星發(fā)展已經(jīng)取得了較為輝煌的成就，正在積極趕超世界先進(jìn)水平。那么，氣象衛(wèi)星是從何時(shí)發(fā)展起來的？它們有什么用途？世界各國氣象衛(wèi)星的發(fā)展又如何呢？ 從科學(xué)設(shè)想變成現(xiàn)實(shí) 1945年，英國科幻小說家阿瑟·克拉克發(fā)表了一篇名為《地球外的中繼-衛(wèi)星能給出全球范圍的無線電覆蓋嗎？》的論文，文中設(shè)想和闡述了靜止軌道衛(wèi)星通信的可行性。這一論文的發(fā)表，為全球衛(wèi)星通信奠定了理論基礎(chǔ)，也為后來的靜止軌道氣象衛(wèi)星出世提供了可能。 1946年，有科研人員提出了在軌道上使用照相機(jī)觀測地球氣象變化的設(shè)想。正是在這樣的設(shè)想下，1959年2月17日，美國成功發(fā)射了世界上第一顆氣象衛(wèi)星“先鋒二號”。該衛(wèi)星主要用于觀測云層覆蓋等情況，但由于其糟糕的姿態(tài)控制和橢圓軌道設(shè)計(jì)，發(fā)射升空后幾乎沒有收集到任何關(guān)于氣象有用的數(shù)據(jù)。 不過，人類第一顆真正的氣象衛(wèi)星，當(dāng)屬美國宇航局在1960年4月1日使用thor火箭發(fā)射升空的泰羅斯一號電視紅外觀測衛(wèi)星。雖然該衛(wèi)星的重量只有122.4公斤，壽命僅有78天，但它成功回傳了大量電視攝像的地球照片，并為美國宇航局與美國國家海洋和大氣管理局后來發(fā)射的雨云號衛(wèi)星項(xiàng)目鋪平了道路。 1960~1965年，美國總共發(fā)射了10顆泰羅斯衛(wèi)星，它們都使用了自旋穩(wěn)定方式。雖然這些衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命都不長，但每顆衛(wèi)星都對技術(shù)和儀器設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)的改進(jìn)。 1965年，美國氣象科研人員利用泰羅斯衛(wèi)星拍攝的450幅影像，拼接出了世界上第一張全球氣候圖，這在世界氣象學(xué)上具有里程碑的意義。 由單一功能走向多功能 美國從1964年8月28日發(fā)射成功第一顆雨云號衛(wèi)星開始，截止到1978年10月24日總共發(fā)射了7顆雨云號衛(wèi)星，試驗(yàn)了新的氣象觀測手段和儀器，同時(shí)使用了更高效的三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制手段進(jìn)行對地定向。 其中，雨云一號衛(wèi)星使用的高分辨率紅外輻射儀首次獲得了夜間的云圖。雨云三號衛(wèi)星則首次使用了衛(wèi)星紅外分光計(jì)，用于探測大氣層的垂直溫度廓線。雨云五號衛(wèi)星上首次使用了微波遙感技術(shù)，可以探測有云區(qū)域的大氣垂直溫度廓線。雨云七號衛(wèi)星還攜帶了海岸帶水色掃描儀，為海洋遙感和探測開辟了新的途徑。同時(shí)，該衛(wèi)星還首次觀測到了南極上空臭氧層的巨大空洞。 美國泰羅斯和雨云號衛(wèi)星都屬于太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，可以在每天的固定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過同一區(qū)域上空獲取全球的氣象觀測數(shù)據(jù)，為科研人員提供溫度、濕度、云量等氣象參數(shù)。 雖然太陽同步軌道衛(wèi)星的軌道高度相對較低，容易實(shí)現(xiàn)更高的觀測精度和分辨率，但這一高度的衛(wèi)星無法對某一個(gè)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀測。為此，科研人員根據(jù)靜止軌道通信衛(wèi)星的成功經(jīng)驗(yàn)，研制出了靜止軌道氣象衛(wèi)星。這種衛(wèi)星具有觀測區(qū)域大、觀測頻率高等優(yōu)點(diǎn)，可以用于連續(xù)監(jiān)視大范圍內(nèi)的天氣情況，能捕捉到變化較快的小尺度天氣現(xiàn)象以及災(zāi)害性天氣。 從泰羅斯一號衛(wèi)星發(fā)射成功以來，截至目前，全世界已經(jīng)發(fā)射了約200顆各種氣象衛(wèi)星，其軌道類型從最早的太陽同步軌道擴(kuò)展到地球靜止軌道，姿態(tài)控制類型由早期的自旋穩(wěn)定方式發(fā)展到三軸穩(wěn)定方式，衛(wèi)星也從最早單純的氣象觀測發(fā)展到綜合的多學(xué)科探測與應(yīng)用。尤其是在植被覆蓋、洪澇災(zāi)害、水文、大氣污染等環(huán)境監(jiān)測方面大顯身手，為科研人員進(jìn)行天氣分析和預(yù)報(bào)，減少異常和災(zāi)害性天氣引起的損失發(fā)揮了重要作用。 此外，除了最早發(fā)展氣象衛(wèi)星的美國之外，蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲、日本、中國和印度也都相繼發(fā)展了各自獨(dú)立的氣象衛(wèi)星系統(tǒng)。 應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大 目前，氣象衛(wèi)星不管是在臺風(fēng)、暴雨、沙塵暴和龍卷風(fēng)等災(zāi)害性氣候的預(yù)報(bào)預(yù)警上，還是在短期和中長期的氣候預(yù)測方面，都提供了大量有用的參數(shù)。 雖然最早的氣象衛(wèi)星只能提供模擬式的觀測數(shù)據(jù)，但仍然給氣象科研人員帶來了極大的驚喜。憑借氣象衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，人們首次了解到了陸地和海洋的氣象變化，并首次獲得了全球氣象云圖。因此，氣象衛(wèi)星的出現(xiàn)，大大提高了人們監(jiān)視預(yù)測災(zāi)害性天氣的能力。 隨著氣象衛(wèi)星的發(fā)展，尤其是垂直探測、水汽探測、微波探測能力的出現(xiàn)與發(fā)展，氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為數(shù)值化天氣預(yù)報(bào)最重要的資料。 1998年，我國長江流域發(fā)生特大洪澇災(zāi)害期間，相關(guān)部門根據(jù)氣象衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了長江上游地區(qū)的天氣情況，做出了荊江不分洪的正確決策，僅此一項(xiàng)就為國家減少了數(shù)億元人民幣的經(jīng)濟(jì)損失。 此外，由于氣象衛(wèi)星不受國界和地域的限制，在使用遙感手段探測大氣、陸地和海洋的各種參數(shù)，以及環(huán)境與災(zāi)害等監(jiān)測領(lǐng)域同樣發(fā)揮了重要作用。 目前，我們不僅可以使用氣象衛(wèi)星監(jiān)測沙塵暴的產(chǎn)生和移動(dòng)，監(jiān)測森林火災(zāi)、洪澇災(zāi)害，還可以監(jiān)視海冰的覆蓋面積等信息，為海上石油生產(chǎn)和航運(yùn)提供安全保障。另外，氣象衛(wèi)星還可以通過觀測地表溫度間接推算土壤的濕度，加上對植被覆蓋的遙感監(jiān)測，可提供較為有效的旱災(zāi)影響信息。 總而言之，氣象衛(wèi)星的出現(xiàn)和發(fā)展，為我們的生產(chǎn)生活以及各種災(zāi)情預(yù)報(bào)等都提供了大量的幫助。 美、俄、歐氣象衛(wèi)星各具特色 美國 目前，美國擁有世界上技術(shù)最先進(jìn)的氣象衛(wèi)星群，其太陽同步軌道氣象衛(wèi)星和靜止軌道氣象衛(wèi)星代表了世界氣象衛(wèi)星發(fā)展的最高水平。氣象衛(wèi)星包括美國國家海洋與大氣局的太陽同步軌道業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系列和美國國防部的國防氣象支援衛(wèi)星計(jì)劃。 時(shí)至今日，美國的靜止軌道氣象衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展到了第五代，包括以sms1/2和goes1~3號的第一代，以休斯公司hs-371衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ)的第二代，以勞拉空間系統(tǒng)公司ls-1300衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ)的第三代，以波音公司bss-601衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ)的第四代和目前洛·馬公司以a2100a衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ)研制的第五代靜止軌道氣象衛(wèi)星。 美國的靜止軌道氣象衛(wèi)星基本使用了成熟的通信衛(wèi)星平臺，這種衛(wèi)星平臺和太陽同步軌道氣象衛(wèi)星的專用平臺有很大的不同。從第三代開始，衛(wèi)星的姿態(tài)控制就使用了三軸穩(wěn)定方式，并可以同時(shí)使用可見光紅外掃描輻射計(jì)和大氣探測器，從而提高了對氣象觀測的連續(xù)性。第三代戈斯衛(wèi)星的掃描輻射儀通道從2個(gè)增加到5個(gè)，大氣垂直探測器從12個(gè)增加到19個(gè)，探測精度大大提高。 2006年5月，美國發(fā)射了第四代靜止軌道氣象衛(wèi)星“戈斯13號”。它除了攜帶有成像儀和垂直探測器外，還沿用了“戈斯12號”的太陽x射線成像儀，并裝載了新的空間環(huán)境監(jiān)視器。目前，第四代靜止軌道氣象衛(wèi)星包括戈斯13~15號3顆衛(wèi)星，都已經(jīng)發(fā)射完畢。 蘇聯(lián)/俄羅斯 蘇聯(lián)發(fā)展氣象衛(wèi)星同樣較早，1969年3月，蘇聯(lián)發(fā)射了第一代近地軌道氣象衛(wèi)星“流星一號”，1975年開始發(fā)射“流星二號”，1984年開始發(fā)射第三代“流星三號”。但需要說明的是，由于技術(shù)的原因，這些衛(wèi)星只能傳回一些分辨率較低的模擬云圖，實(shí)際應(yīng)用受到了很大限制。 1998年，俄羅斯發(fā)射了第四代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星“流星三號m”。該衛(wèi)星采用了近極地太陽同步軌道，除了改進(jìn)載荷性能之外，還能與美國諾阿衛(wèi)星的hrpt兼容。 此外，俄羅斯在1994年11月還還發(fā)射了第一顆goms-n1靜止軌道氣象衛(wèi)星。該衛(wèi)星雖然發(fā)射較晚，但設(shè)計(jì)指標(biāo)要求較高，從一開始就使用了先進(jìn)的三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，但不幸的是，該衛(wèi)星在太空運(yùn)行了不久后，其姿態(tài)控制就出現(xiàn)了故障。 goms-n1衛(wèi)星攜帶了3個(gè)通道的掃描輻射計(jì)，其可見光通道由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而未獲得圖像，水汽通道只能用于試驗(yàn)，因此只能獲取紅外圖像。另外，該衛(wèi)星還攜帶了輻射和地磁測量系統(tǒng)，用于測量高能粒子和宇宙輻射的密度，在設(shè)計(jì)概念上走在了美國前面，不過由于衛(wèi)星姿控系統(tǒng)和載荷的故障，導(dǎo)致對地觀測性能大打折扣。 歐洲 歐空局一貫比較重視民用航天的發(fā)展，或許正因如此，歐洲的氣象衛(wèi)星一開始就從靜止軌道入手。1977年11月，歐洲第一顆試驗(yàn)型靜止軌道氣象衛(wèi)星meteosat-1（mfg）使用美國的火箭發(fā)射成功，拉開了歐洲自主建立全球氣象監(jiān)測網(wǎng)的序幕。 在此之后，歐空局陸續(xù)發(fā)射了7顆第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星，主要攜帶可見光與紅外成像儀、數(shù)據(jù)收集平臺等探測載荷。該衛(wèi)星類似美國早期的格斯衛(wèi)星，第一代mfg衛(wèi)星也采用了自旋穩(wěn)定控制技術(shù)。 不僅如此，歐空局的第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星msg同樣使用了自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制方式。2002年8月28日，第一顆msg衛(wèi)星發(fā)射升空，它的可見光與紅外成像儀通道數(shù)量增加到了12個(gè)，探測精度和頻次也有較大提高。 目前，歐空局共發(fā)射了3顆第二代msg衛(wèi)星。2012年meteosat-10（msg-3）發(fā)射成功后，歐空局還使用了兩顆第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星的雙衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，進(jìn)行極具挑戰(zhàn)性的臨近預(yù)報(bào)任務(wù)，通過頻繁獲取大氣的氣象圖像，用于監(jiān)測雷暴、雨霧等高沖擊強(qiáng)度的天氣，就未來幾個(gè)小時(shí)的發(fā)展情況提供預(yù)警。 此外，歐空局也研制了太陽同步軌道氣象衛(wèi)星。2006年10月19日發(fā)射了metop-a衛(wèi)星，2012年9月18日又發(fā)射了metop-b衛(wèi)星。這兩顆衛(wèi)星的重量都高達(dá)4.1噸，探測載荷與美國的諾阿衛(wèi)星基本相同。同時(shí)，metop還可以使用通信衛(wèi)星為氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼，從而更及時(shí)地提供全面詳細(xì)的監(jiān)測信息。 未來發(fā)展：姿態(tài)控制更穩(wěn)、分辨率更高是趨勢 為了發(fā)展更先進(jìn)的氣象衛(wèi)星，目前世界各航天大國紛紛加大了新一代氣象衛(wèi)星研制的力度。 首先，美國已于2014年4月發(fā)射了dmsp-5d3f19太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，最后一顆f20衛(wèi)星預(yù)計(jì)在2016年發(fā)射。至于靜止軌道氣象衛(wèi)星，美國將繼續(xù)發(fā)射第五代戈斯衛(wèi)星，它的主載荷具有16個(gè)通道的先進(jìn)基線成像儀。此外，該衛(wèi)星還攜帶了1600個(gè)通道的超光譜環(huán)境探測器。 第五代靜止軌道氣象衛(wèi)星除了更好的衛(wèi)星平臺和更先進(jìn)的探測設(shè)備外，其設(shè)計(jì)上也有一個(gè)獨(dú)特之處，它并不是每一顆衛(wèi)星上都裝載所有功能齊全的設(shè)備，而是除了核心載荷外，多顆衛(wèi)星上分別搭載不同的探測儀器。 其次，歐洲也在研制新一代氣象衛(wèi)星。歐洲未來將發(fā)射第三代靜止軌道氣象衛(wèi)星mtg和下一代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星metop-sg系列。這兩種衛(wèi)星都使用了新一代的探測載荷，可以將氣象觀測能力提高到新的水平。另外，歐洲的靜止軌道和太陽同步軌道氣象衛(wèi)星還用了搭載不同載荷的雙星配對運(yùn)行方式。 最后，俄羅斯隨著經(jīng)濟(jì)逐漸復(fù)蘇，也開始研制了新一代太陽同步軌道和靜止軌道氣象衛(wèi)星。2009年9月，俄羅斯研制的流星mn1太陽同步軌道氣象衛(wèi)星發(fā)射升空。2013年流星mn2發(fā)射升空，后續(xù)還將發(fā)射新的流星m衛(wèi)星。 此外，俄羅斯還正在研制新一代的靜止軌道氣象衛(wèi)星。2011年1月23日，第一顆電子-ln1衛(wèi)星發(fā)射成功，它裝備了俄羅斯研制的10通道成像儀和歐洲研制的改進(jìn)型可見光紅外成像儀。今后，俄羅斯還將發(fā)射兩顆電子-l靜止軌道氣象衛(wèi)星，組成覆蓋俄羅斯的靜止軌道氣象衛(wèi)星觀測網(wǎng)。 總之，美、歐等國家通過技術(shù)交流與合作，代表了世界氣象衛(wèi)星發(fā)展的最高水平和趨勢，而俄羅斯的氣象衛(wèi)星則有自己的特點(diǎn)。西方國家的氣象衛(wèi)星發(fā)展主要體現(xiàn)在衛(wèi)星平臺全面轉(zhuǎn)向三軸姿態(tài)穩(wěn)定方式，傳感器分辨率和通道數(shù)量不斷提高，讓衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)的預(yù)報(bào)、監(jiān)視等能力。 ——相關(guān)鏈接—— 地球靜止軌道衛(wèi)星 地球靜止軌道是指人造地球衛(wèi)星垂直于地球赤道上方的正圓形地球同步軌道上。在這軌道上的人造地球衛(wèi)星始終位于地球表面的同一個(gè)位置，并固定在赤道
|
