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气象卫星飞到天边外 坐看云起时

时间:2015年07月30日 信息来源:气象卫星,应用范围,未来发展 点击:5778 字体:


2014年12月31日,我国风云二号08星气象卫星在西昌卫星发射中心使用长征三号甲运载火箭成功发射升空。此次发射是我国2014年宇航发射的收官之作。

截至目前,全世界已经发射了约200颗各种气象卫星,其轨道类型从最早的太阳同步轨道扩展到地球静止轨道,姿态控制类型由早期的自旋稳定方式发展到三轴稳定方式,卫星也从最早单纯的气象观测发展到综合的多学科探测与应用。

经过30多年的发展,我国的气象卫星发展已经取得了较为辉煌的成就,正在积极赶超世界先进水平。那么,气象卫星是从何时发展起来的?它们有什么用途?世界各国气象卫星的发展又如何呢?

从科学设想变成现实

1945年,英国科幻小说家阿瑟·克拉克发表了一篇名为《地球外的中继-卫星能给出全球范围的无线电覆盖吗?》的论文,文中设想和阐述了静止轨道卫星通信的可行性。这一论文的发表,为全球卫星通信奠定了理论基础,也为后来的静止轨道气象卫星出世提供了可能。

1946年,有科研人员提出了在轨道上使用照相机观测地球气象变化的设想。正是在这样的设想下,1959年2月17日,美国成功发射了世界上第一颗气象卫星“先锋二号”。该卫星主要用于观测云层覆盖等情况,但由于其糟糕的姿态控制和椭圆轨道设计,发射升空后几乎没有收集到任何关于气象有用的数据。

不过,人类第一颗真正的气象卫星,当属美国宇航局在1960年4月1日使用thor火箭发射升空的泰罗斯一号电视红外观测卫星。虽然该卫星的重量只有122.4公斤,寿命仅有78天,但它成功回传了大量电视摄像的地球照片,并为美国宇航局与美国国家海洋和大气管理局后来发射的雨云号卫星项目铺平了道路。

1960~1965年,美国总共发射了10颗泰罗斯卫星,它们都使用了自旋稳定方式。虽然这些卫星的设计寿命都不长,但每颗卫星都对技术和仪器设备进行了相关的改进。

1965年,美国气象科研人员利用泰罗斯卫星拍摄的450幅影像,拼接出了世界上第一张全球气候图,这在世界气象学上具有里程碑的意义。

由单一功能走向多功能

美国从1964年8月28日发射成功第一颗雨云号卫星开始,截止到1978年10月24日总共发射了7颗雨云号卫星,试验了新的气象观测手段和仪器,同时使用了更高效的三轴稳定姿态控制手段进行对地定向。

其中,雨云一号卫星使用的高分辨率红外辐射仪首次获得了夜间的云图。雨云三号卫星则首次使用了卫星红外分光计,用于探测大气层的垂直温度廓线。雨云五号卫星上首次使用了微波遥感技术,可以探测有云区域的大气垂直温度廓线。雨云七号卫星还携带了海岸带水色扫描仪,为海洋遥感和探测开辟了新的途径。同时,该卫星还首次观测到了南极上空臭氧层的巨大空洞。

美国泰罗斯和雨云号卫星都属于太阳同步轨道气象卫星,可以在每天的固定时间内经过同一区域上空获取全球的气象观测数据,为科研人员提供温度、湿度、云量等气象参数。

虽然太阳同步轨道卫星的轨道高度相对较低,容易实现更高的观测精度和分辨率,但这一高度的卫星无法对某一个区域进行连续观测。为此,科研人员根据静止轨道通信卫星的成功经验,研制出了静止轨道气象卫星。这种卫星具有观测区域大、观测频率高等优点,可以用于连续监视大范围内的天气情况,能捕捉到变化较快的小尺度天气现象以及灾害性天气。

从泰罗斯一号卫星发射成功以来,截至目前,全世界已经发射了约200颗各种气象卫星,其轨道类型从最早的太阳同步轨道扩展到地球静止轨道,姿态控制类型由早期的自旋稳定方式发展到三轴稳定方式,卫星也从最早单纯的气象观测发展到综合的多学科探测与应用。尤其是在植被覆盖、洪涝灾害、水文、大气污染等环境监测方面大显身手,为科研人员进行天气分析和预报,减少异常和灾害性天气引起的损失发挥了重要作用。

此外,除了最早发展气象卫星的美国之外,苏联/俄罗斯、欧洲、日本、中国和印度也都相继发展了各自独立的气象卫星系统。

应用范围逐渐扩大

目前,气象卫星不管是在台风、暴雨、沙尘暴和龙卷风等灾害性气候的预报预警上,还是在短期和中长期的气候预测方面,都提供了大量有用的参数。

虽然最早的气象卫星只能提供模拟式的观测数据,但仍然给气象科研人员带来了极大的惊喜。凭借气象卫星的遥感数据,人们首次了解到了陆地和海洋的气象变化,并首次获得了全球气象云图。因此,气象卫星的出现,大大提高了人们监视预测灾害性天气的能力。

随着气象卫星的发展,尤其是垂直探测、水汽探测、微波探测能力的出现与发展,气象卫星的数据已经成为数值化天气预报最重要的资料。

1998年,我国长江流域发生特大洪涝灾害期间,相关部门根据气象卫星的观测数据准确预报了长江上游地区的天气情况,做出了荆江不分洪的正确决策,仅此一项就为国家减少了数亿元人民币的经济损失。

此外,由于气象卫星不受国界和地域的限制,在使用遥感手段探测大气、陆地和海洋的各种参数,以及环境与灾害等监测领域同样发挥了重要作用。

目前,我们不仅可以使用气象卫星监测沙尘暴的产生和移动,监测森林火灾、洪涝灾害,还可以监视海冰的覆盖面积等信息,为海上石油生产和航运提供安全保障。另外,气象卫星还可以通过观测地表温度间接推算土壤的湿度,加上对植被覆盖的遥感监测,可提供较为有效的旱灾影响信息。

总而言之,气象卫星的出现和发展,为我们的生产生活以及各种灾情预报等都提供了大量的帮助。

美、俄、欧气象卫星各具特色

美国

目前,美国拥有世界上技术最先进的气象卫星群,其太阳同步轨道气象卫星和静止轨道气象卫星代表了世界气象卫星发展的最高水平。气象卫星包括美国国家海洋与大气局的太阳同步轨道业务环境卫星系列和美国国防部的国防气象支援卫星计划。

时至今日,美国的静止轨道气象卫星已经发展到了第五代,包括以sms1/2和goes1~3号的第一代,以休斯公司hs-371卫星平台为基础的第二代,以劳拉空间系统公司ls-1300卫星平台为基础的第三代,以波音公司bss-601卫星平台为基础的第四代和目前洛·马公司以a2100a卫星平台为基础研制的第五代静止轨道气象卫星。

美国的静止轨道气象卫星基本使用了成熟的通信卫星平台,这种卫星平台和太阳同步轨道气象卫星的专用平台有很大的不同。从第三代开始,卫星的姿态控制就使用了三轴稳定方式,并可以同时使用可见光红外扫描辐射计和大气探测器,从而提高了对气象观测的连续性。第三代戈斯卫星的扫描辐射仪通道从2个增加到5个,大气垂直探测器从12个增加到19个,探测精度大大提高。

2006年5月,美国发射了第四代静止轨道气象卫星“戈斯13号”。它除了携带有成像仪和垂直探测器外,还沿用了“戈斯12号”的太阳x射线成像仪,并装载了新的空间环境监视器。目前,第四代静止轨道气象卫星包括戈斯13~15号3颗卫星,都已经发射完毕。

苏联/俄罗斯

苏联发展气象卫星同样较早,1969年3月,苏联发射了第一代近地轨道气象卫星“流星一号”,1975年开始发射“流星二号”,1984年开始发射第三代“流星三号”。但需要说明的是,由于技术的原因,这些卫星只能传回一些分辨率较低的模拟云图,实际应用受到了很大限制。

1998年,俄罗斯发射了第四代太阳同步轨道气象卫星“流星三号m”。该卫星采用了近极地太阳同步轨道,除了改进载荷性能之外,还能与美国诺阿卫星的hrpt兼容。

此外,俄罗斯在1994年11月还还发射了第一颗goms-n1静止轨道气象卫星。该卫星虽然发射较晚,但设计指标要求较高,从一开始就使用了先进的三轴稳定姿态控制方式,但不幸的是,该卫星在太空运行了不久后,其姿态控制就出现了故障。

goms-n1卫星携带了3个通道的扫描辐射计,其可见光通道由于设计错误而未获得图像,水汽通道只能用于试验,因此只能获取红外图像。另外,该卫星还携带了辐射和地磁测量系统,用于测量高能粒子和宇宙辐射的密度,在设计概念上走在了美国前面,不过由于卫星姿控系统和载荷的故障,导致对地观测性能大打折扣。

欧洲

欧空局一贯比较重视民用航天的发展,或许正因如此,欧洲的气象卫星一开始就从静止轨道入手。1977年11月,欧洲第一颗试验型静止轨道气象卫星meteosat-1(mfg)使用美国的火箭发射成功,拉开了欧洲自主建立全球气象监测网的序幕。

在此之后,欧空局陆续发射了7颗第一代静止轨道气象卫星,主要携带可见光与红外成像仪、数据收集平台等探测载荷。该卫星类似美国早期的格斯卫星,第一代mfg卫星也采用了自旋稳定控制技术。

不仅如此,欧空局的第二代静止轨道气象卫星msg同样使用了自旋稳定姿态控制方式。2002年8月28日,第一颗msg卫星发射升空,它的可见光与红外成像仪通道数量增加到了12个,探测精度和频次也有较大提高。

目前,欧空局共发射了3颗第二代msg卫星。2012年meteosat-10(msg-3)发射成功后,欧空局还使用了两颗第二代静止轨道气象卫星的双卫星结构,进行极具挑战性的临近预报任务,通过频繁获取大气的气象图像,用于监测雷暴、雨雾等高冲击强度的天气,就未来几个小时的发展情况提供预警。

此外,欧空局也研制了太阳同步轨道气象卫星。2006年10月19日发射了metop-a卫星,2012年9月18日又发射了metop-b卫星。这两颗卫星的重量都高达4.1吨,探测载荷与美国的诺阿卫星基本相同。同时,metop还可以使用通信卫星为气象观测数据进行中继,从而更及时地提供全面详细的监测信息。

未来发展:姿态控制更稳、分辨率更高是趋势

为了发展更先进的气象卫星,目前世界各航天大国纷纷加大了新一代气象卫星研制的力度。

首先,美国已于2014年4月发射了dmsp-5d3f19太阳同步轨道气象卫星,最后一颗f20卫星预计在2016年发射。至于静止轨道气象卫星,美国将继续发射第五代戈斯卫星,它的主载荷具有16个通道的先进基线成像仪。此外,该卫星还携带了1600个通道的超光谱环境探测器。

第五代静止轨道气象卫星除了更好的卫星平台和更先进的探测设备外,其设计上也有一个独特之处,它并不是每一颗卫星上都装载所有功能齐全的设备,而是除了核心载荷外,多颗卫星上分别搭载不同的探测仪器。

其次,欧洲也在研制新一代气象卫星。欧洲未来将发射第三代静止轨道气象卫星mtg和下一代太阳同步轨道气象卫星metop-sg系列。这两种卫星都使用了新一代的探测载荷,可以将气象观测能力提高到新的水平。另外,欧洲的静止轨道和太阳同步轨道气象卫星还用了搭载不同载荷的双星配对运行方式。

最后,俄罗斯随着经济逐渐复苏,也开始研制了新一代太阳同步轨道和静止轨道气象卫星。2009年9月,俄罗斯研制的流星mn1太阳同步轨道气象卫星发射升空。2013年流星mn2发射升空,后续还将发射新的流星m卫星。

此外,俄罗斯还正在研制新一代的静止轨道气象卫星。2011年1月23日,第一颗电子-ln1卫星发射成功,它装备了俄罗斯研制的10通道成像仪和欧洲研制的改进型可见光红外成像仪。今后,俄罗斯还将发射两颗电子-l静止轨道气象卫星,组成覆盖俄罗斯的静止轨道气象卫星观测网。

总之,美、欧等国家通过技术交流与合作,代表了世界气象卫星发展的最高水平和趋势,而俄罗斯的气象卫星则有自己的特点。西方国家的气象卫星发展主要体现在卫星平台全面转向三轴姿态稳定方式,传感器分辨率和通道数量不断提高,让卫星实现了更强的预报、监视等能力。

——相关链接——

地球静止轨道卫星

地球静止轨道是指人造地球卫星垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道上。在这轨道上的人造地球卫星始终位于地球表面的同一个位置,并固定在赤道



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