基本介紹
- 中文名：極軌氣象衛星
- 外文名：polar orbit meteorological satellite
- 別稱：太陽同步軌道氣象衛星
- 優點：覆蓋全球，觀測領域廣闊
- 作用：確定雲的高度和類型
簡介,背景介紹,中國極軌氣象衛星,我國極軌氣象衛星現況,利用與缺點,外國極軌氣象衛星,美國極軌氣象衛星,歐洲極軌氣象衛星,俄羅斯極軌氣象衛星,對地觀測網建設,利用及功能,發展趨勢,多載荷綜合觀測,利用微波波段實現全天候探測,提高光譜解析度,提高空間解析度,提高儀器的靈敏度、定標精度,發展無線電(UPS)掩星探測,發展主動遙感,
簡介
氣象衛星一般運行於極軌道或地球同步軌道。其中，極軌氣象衛星的軌道高度一般在650～1500km，可以實現全球觀測，所以在中期數值天氣預報、氣候診斷和預測、自然災害和環境監測等方面可以提供有效的觀測資料。但其重複觀測周期較長，因此開展極軌氣象衛星業務需要國際合作，形成多顆衛星的觀測網，以提高觀測數據的時間解析度。
世界上目前解析度最高的氣象衛星是美國國防部的氣象衛星DMSP。它的飛行高度是720公里。它可以分辨出地面上油車大小的物體。而且它可以在夜裡拍可見光的照片，它利用的是月光來照明。它拍的城市燈光、火山爆發、大火、閃電、流星、油田和極光的照片是非常動人的。這些圖片可以用來計算一個地區使用能源的量。天文學家用它們來確定一個觀察點的光污染程度。
背景介紹
1960年世界上第一顆氣象衛星發射成功以來，先後約有200顆衛星發射，經歷了從試驗到業務，從極軌氣象衛星到靜止氣象衛星，從單一儀器觀測到多載荷儀器綜合觀測，獲取的資料從定性轉入定量，從觀測功能到兼有數據收集、轉發等通信功能，從單星系統到雙星系統，從單獨工作到全球聯網，目前極軌氣象衛星已發展到第五代。40多年來，氣象衛星在觀測技術、業務化和套用等領域取得了長足的進展，獲取的資料不僅在天氣系統分析和天氣預報中顯示出獨特的能力與作用，而且其套用範圍已擴展到氣候、自然災害監測、海洋、水文、植被以及地球環境的動態監測等領域。
目前世界上凡擁有獨立空間能力的國家或地區，如美國、俄羅斯、歐空局、日本、印度等都將氣象衛星作為套用衛星的重點，競相發展自己的氣象衛星，並形成了一定的業務能力，目前已組成了全球氣象衛星觀測網。同時，隨著氣象業務的不斷發展，對天基氣象觀測的準確度、時效、時空解析度、光譜解析度、產品種類以及全球和全天候觀測能力等提出新的更高要求，各國都在競相研製新一代氣象衛星。
我國是國際上第三個自行研製和發射極軌氣象衛星的國家。我國極軌氣象衛星的觀測任務，要求實時準確監測不同時空尺度的天氣系統、氣候過程和全球變化，需要大力發展極軌氣象衛星。建設極軌氣象衛星對地觀測系統的主要意義是建設具有世界先進水平的極軌氣象衛星綜合觀測系統，形成具有世界先進水平的氣象衛星現代化體系，實現從氣象大國向氣象強國的跨越，大大提高對地球系統五大圈層（大氣圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈）的觀測能力。
中國極軌氣象衛星
我國極軌氣象衛星現況
我國研製的第一顆極軌氣象衛星FY-lA星於1988年9月7日發射成功。作為我國第一代極軌業務氣象衛星，FY-1C星是我國第一顆三軸穩定太陽同步極地軌道業務氣象衛星，於1999年5月10日發射成功;FY-1 D星於2002年5月15日發射成功。FY-1衛星在森林、草原、火災、水災、大霧、雪災、沙塵暴等災害和環境監測等領域發揮了重要作用，並被世界氣象組織納入全球業務套用氣象衛星序列。
我國第二代極軌氣象衛星FY-3A星(首發星)於2008年5月27日成功發射。與FY-1衛星相比，FY-3衛星的技術狀態有很大改變，衛星裝載了11種探測儀器，能獲取全球多種大氣、海表和陸地表而特性參數，功能明顯提高，世界氣象衛星協調組織(CUMS)己將其納入新一代世界極軌氣象衛星網發展規劃。
利用與缺點
從我國極軌氣象衛星的現狀可發現，我國的對地觀測衛星已在氣象和海洋預報、國土資源調查、地質礦產和油氣資源勘察、自然災害監測、農作物監測和估產、森林資源調查、城市和環境監測以及測繪製圖等方而發揮了巨大的作用，但在科技創新、技術發展、套用的深化和空間信息產業化等方而仍存在一定差距，主要有:高解析度空間遙感數據缺乏;覆蓋全球和全國即時數據缺乏，不能充分滿足國家經濟和社會發展對遙感的需求;定量監測與人類生存休戚相關的遙感數據缺乏;先進空間遙感數據獲取、分析、提取能力缺乏，難以在深層次上加深對地球系統過程的認識;遙感科學基礎及技術基礎設施建設薄弱;空間科學基礎設施建設及配套設施薄弱，基礎器件及頻段器件(特別是探測器、毫米波、亞毫米波器件)的自主研發能力有待加強;先進材料研究有待重視，使星載系統輕型化、小型化和低耗功化。
星載遙感儀器是氣象衛星上最重要的設備之一，氣象衛星有效載荷的配置關係衛星的探測能力、探測範圍和套用效益等Ci7。目前，我國FY-3及國際上NOAA, METOP, NPOESS, Meteor等典型極軌氣象衛星的有效載荷配置包括成像遙感儀器、大氣垂直探測儀器、微波遙感儀器、臭氧探測器、地球輻射收支儀、UPS探測儀及空間環境探測器等。
外國極軌氣象衛星
美國極軌氣象衛星
目前，美國極軌氣象衛星包括美國國家海洋和大氣管理局運行管理的民用“諾阿”（NOAA，也稱“極軌業務環境衛星”）和美國國防部運行管理的軍用“國防氣象衛星計畫”（DMSP）衛星。“諾阿”目前在軌的有4顆（諾阿－15、16、18、19），其中諾阿－19衛星於2009年2月成功發射，它也是該系列衛星的最後一顆。“國防氣象衛星計畫”目前還有6顆在軌工作，包括第六代（2顆國防氣象衛星計畫5D－2）和第七代（4顆國防氣象衛星計畫5D－3）。
民用“諾阿”衛星系統正在接近壽命末期，軍用“國防氣象衛星計畫”衛星也僅有2顆尚待發射，而美國下一代氣象衛星的研製遭遇諸多問題。可以說，近年美國極軌氣象衛星發展一波三折。
考慮到軍用極軌氣象衛星和民用極軌氣象衛星的任務基本相同，都是收集、處理和分發氣象、海洋和空間環境數據，因此為了減少重複開發並節約開支，美國決定整合“諾阿”和“國防氣象衛星計畫”衛星系統。1994年5月，柯林頓發布總統令，將這兩個計畫整合為軍民共用的“國家極軌業務環境衛星系統”（NPOESS）。經歷了10多年的發展，“國家極軌業務環境衛星系統”項目最終由於成本大幅超支、進度延誤和管理不善，於2010年終止並改組為軍用“國防氣象衛星系統”（DWSS）和民用“聯合極軌衛星系統”（JPSS）。隨後，2012財年國會要求美國空軍取消新型的“國防氣象衛星系統”衛星系統的研發，僅維持民用“聯合極軌衛星系統”。為了彌補最後一顆“諾阿”衛星到首顆“聯合極軌衛星系統”衛星之間的數據連續性問題，美國於2011年10月28日發射了“國家極軌環境業務衛星系統預備項目”（NPP）衛星。2012年底美國國防部考慮研製“氣象衛星後續”（WSF）衛星，為此提出了多種方案，但仍然沒有明確未來美國極軌氣象衛星的最終發展方案。
歐洲極軌氣象衛星
“氣象業務”（MetOp）是歐洲的極軌氣象衛星。歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT）的第一代極軌業務氣象衛星系統（EPS）共規劃了3顆“氣象業務”衛星。2006年10月19日歐洲用俄羅斯聯盟號火箭成功發射了第一顆極軌氣象衛星氣象業務－A衛星。該衛星由位於挪威斯匹次卑爾根島上的極軌系統指令和數據獲取（CDA）站來進行監測和控制。2007年5月15日，該星開始正常作業，連續向地面傳送氣象數值預報（NWP）模型所需關鍵數據，高緯度地區天氣的臨近預報，並進行氣候監測。2012年9月17日，歐洲又成功發射了氣象業務－B衛星。
“氣象業務”衛星和美國“諾阿”衛星組成初期“聯合極軌業務系統”，進行氣象衛星全球觀測，“氣象業務”衛星負責上午軌道（9：30），“諾阿”衛星負責下午軌道（14：30）。雙方衛星過赤道時間不同，觀測時間錯開，獲得時間間隔不大於6h的探測數據。雙方還互通探測儀器，資料共享，“氣象業務衛星”上有許多儀器是美國提供的，“諾阿”衛星上也有歐洲提供的儀器。
俄羅斯極軌氣象衛星
“流星”（Meteor）衛星系列是俄羅斯/蘇聯發展的極軌氣象衛星系列，與靜止軌道的“電子”（Elektro）系列衛星共同組成天基氣象觀測體系。蘇聯從20世紀60年代就開始發展氣象衛星，“流星”系列衛星已經發展了四代，即流星－1、2、3、3M、M衛星。最新一代流星－M衛星由俄羅斯航天局、俄羅斯水文組織、行星科學生產聯合體（Planeta）共同投資。四代“流星”衛星均由全俄羅斯機電科學研究所（VNIIEM）研製。
目前，僅有流星－M1在軌運行。流星－M衛星用於提供水文氣象學和太陽地球物理學數據，包括：大氣溫度和濕度，數值天氣預報；雲、陸地和海洋表面成像；臭氧和其他微量元素；海冰和雪覆蓋等。除為俄羅斯提供氣象服務外，流星－M衛星通過採用符合國際氣象組織（WMO）標準要求的觀測數據傳輸方式，滿足全球衛星氣象觀測數據交換和共享的要求。
目前，俄羅斯大量依靠美國和歐洲的衛星氣象數據來預報天氣。為了彌補氣象衛星數量的不足，未來還將研製和發射流星－M2、M3衛星。
俄羅斯在其氣象觀測領域的目標是發展和維持氣象衛星星座。俄羅斯的極軌和靜止軌道氣象衛星均發展很早，但由於目前俄羅斯與其他國家在氣象觀測領域的差距正在增大，所以很難確保與這些國家氣象數據的公平交換，因此俄羅斯政府決定重建國家天基氣象監測網路，計畫在2030年之前全面重建氣象預報與監視衛星網路。按照俄羅斯專家的說法，至少需要6顆流星衛星，才能為獨立的氣象預報提供充足數據。
對地觀測網建設
我國極軌氣象衛星對地觀測網建設
我國氣象衛星及其套用在“十五”期間取得了突破性進展，衛星數據在國民經濟各個領域中得到了廣泛套用，取得了顯著的社會與經濟效益。但是，氣象衛星及其套用的業務化能力還存在較大的差距，突出表現在三個方而:一是對氣象衛星觀測的要求越來越趨於穩定的業務需求，從氣象拓展到農業、林業、水利、海洋、交通、航空、航天等各領域，這種穩定業務需求日漸強烈;二是對衛星探測的時間、空間和光譜解析度要求明顯提高，對反演物理量的要求越來越趨於精確定量化;三是全球地球觀測綜合系統(UEOSS)的迅速發展，衛星觀測成為全球觀測的重要組成，已開發國家在科技和信息上的領先能力，變成政治、經濟等方而的話語權，使我國地球觀測衛星而臨巨大挑戰。
極軌氣象衛星對地觀測網主要用於天氣預報、生態、環境、災害監測業務及研究、大氣定量探測和氣候變化監測、降雨分布、大氣成分探測以及雲特性與風場、海而溫度、波特性(有效波高、波向、波長)探測等。我國新一代集氣象、氣候和環境監測等綜合極軌對地觀測衛星能實現對整個地球系統的高時間解析度、高空間解析度、高光譜解析度、高輻射精度和全球、全天候、多波段衛星觀測，以獲取氣象災害監測、天氣分析預報、環境監測、氣候預測評估所需的各種要素。其中主要有:
（1）FY-3上午星以地球表而成像觀測為主，觀測數據主要用於生態、環境、災害監測和氣候變化研究。計畫配置改進性能的中解析度光譜成像儀、改進性能的微波成像儀、改進性能的微波輻射計、高光譜紅外大氣垂直探測儀和新一代高光譜紫外成像光譜儀等遙感儀器。
（2）FY-3下午星以大氣定量探測和氣候變化監測為主，計畫配置高光譜紅外大氣垂直探測儀、改進性能的微波輻射計、改進性能的微波成像儀、改進性能的中解析度光譜成像儀、UPs掩星探測儀和可見近紅外高光譜溫室氣體監測儀等探測儀器。
（3）降水測量衛星主要研究全球尤其是中低緯度地區降雨分布，計畫配置降水測量雷達、寬頻段微波輻射計、可見光紅外掃描輻射計等遙感儀器。
利用及功能
有經驗的專業人員可以分析氣象衛星的紅外線圖象，通過它他們可以確定雲的高度和類型、計算地面和水面的溫度，他們可以確定海面的污染、潮汐和海流。對航海業來說，海流的信息是非常重要的，因為他們依此可以制訂省油的航線。漁民和農民希望知道地面或海面的溫度，來保護他們的作物受凍或提高他們的捕獲量。連厄爾尼諾現象都可以被轉化成圖象。紅外線圖片測量地面的溫度，可以用來預報火災發生的可能性。一般這些紅外線圖象是灰色的，但通過計算機處理它們可以變成多色的，來提高它們的對比度。
觀察山上的冰雪情況可以提供年內河流供水的情報，為防汛和灌溉提供寶貴的預報。除此之外海面上冰山的情況對航海業來說也是非常重要的。對海流的觀察還可以提供對泄露油毯的發展的預報。
極軌氣象衛星對地觀測網可實現以下探測功能:
（1）天氣預報、生態、環境、災害監測、大氣化學和氣候變化監測;
（2）觀測全球中低緯度地區降雨分布，研究從熱帶地區到極地的全球大氣運動，了解地球系統的運動規律與演變，深入研究全球氣候的變遷等;
（3）獲取全球大氣成分數據，形成對主要溫室氣體(COz } CH;等)、主要化學反應氣體(NOz , SOz ,CO等)、大氣氣溶膠等主要氣候因子的全球、長期、定量和三維綜合立體觀測;
（4）用於地質地理、植被調查、大氣探測、海洋遙感、農業科技，環境監測、減災防災等;
（5）利用掩星星座探測資料可反演出對流層上部至平流層的高垂直解析度和高精度的大氣溫度廓線，以及平流層低層的水汽廓線，結合地基全球定位系統接收機可獲得高精度的大氣柱含水量;
（6）用於測量雲的分布、垂直剖而、粒子尺寸分布和雲的水含量，能準確測量雲頂高度和雲底高度、雲的分層和雲微物理參數隨高度的變化;
（7）大氣中粒子、原子、分子等密度分布的測量，風的測量，以及各大氣層的壓力分布測量。
發展趨勢
根據中國氣象事業21世紀拓寬服務發展戰略，今後的氣象探測不但要對天還要對地觀測，探測太空，在空間上向地而、海洋及空間環境拓展。從發展趨勢看，對高新技術的綜合套用，地球環境系統的探測和模擬(預測)以及空(天)基遙感技術(新一代靜比和極軌氣象衛星，對地觀測的環境與資源衛星，基於UPS的新型大氣遙感技術)在未來大氣環境觀測系統中的主導作用等應加以特別的關注。
多載荷綜合觀測
為更好地對地球氣候系統五大圈層和大氣外層空間環境進行有效探測，極軌氣象衛星不能依賴單一遙感儀器。為此，須組合微波遙感、可見光紅外遙感和無線電掩星探測儀器，由單一載荷配置發展為多載荷綜合觀測。
利用微波波段實現全天候探測
紅外不能穿越雲層而微波能穿透雲層，在微波波段進行雲的遙感觀測，特別是對雲中水滴大小和相態的觀測，不僅對天氣預報有重要意義，而且利於了解大氣中輻射傳輸過程的細節。因此，可採用新的遙感波段，特別是利用微波波段解決全天候觀測。
提高光譜解析度
為提高溫度的垂直解析度，必須增加探測通道，進而要求提高光譜解析度。增加遙感儀器通道數目，通道劃分越來越細，以利於區分不同的遙感對象。對垂直探測器來說，通道數越多，垂直解析度也越高。濾光片式的探測儀，光譜解析度接近了極限，必須另找技術出路，如光柵式或干涉式。此外提高光譜解析度還能對大氣中輻射的微弱信號實現有效探測。
提高空間解析度
為更精確地區分各種地物目標，要求遙感儀器的解析度越來越高，如成像探測儀的空間解析度由掃描輻射計的1 km提高到MODIS的250 m;HIRS/2的空間解析度為17.4 km，而HIRS/4的空間解析度則提高到10 km。
提高儀器的靈敏度、定標精度
為準確反映所觀測目標的真實狀況，提高觀測數據反演精度，成像與探測儀器均需提高靈敏度和定標精度。
發展無線電(UPS)掩星探測
UPS掩星探測技術具有較高精度和大氣垂直向的解析度，且不受天氣變化的影響，因此成為下一代極軌氣象衛星遙感儀器的發展方向。
發展主動遙感
為獲取大氣風場及海而狀態的有關信息，新一代的極軌氣象衛星配置了主動遙感儀器，如雷達成像儀、METOP上的微波散射計(ASCAT)和NPOESS上的雷達高度計(ALT)等。
