|
3 z! g4 c* b& v3 c: g9 X
气象海洋空间天气卫星是天基环境信息获取的重要手段，也是开展环境预报业务的重要数据来源。在过去的2019年，世界气象海洋空间天气卫星领域蓬勃发展，许多国家和地区都积极推进其气象海洋空间天气卫星的研发部署和业务化应用。下面我们就一起来回顾一下2019年世界气象海洋空间天气卫星领域的重要进展。
7 W( H) B3 j5 x" { 一、气象海洋空间天气卫星部署进展
+ |$ N$ B7 {5 {* V （一）英美部署商业气象小卫星，为气象预报提供关键数据
" L' @+ J4 ^# G+ A% N( ? 近年来，商业公司部署小卫星星座已逐渐成为气象信息获取传统手段的重要补充。由英国航天局（UKSA）和“创新英国”项目资助的轨道微系统公司（OMS）全球环境监测星座系统（GEMS）首颗气象小卫星（IOD-1 GEMS）于2019年4月17日成功发射，该卫星所获气象数据将与OMS国际地球数据中心气象数据进行整合，用于航空和海事安全航线规划、防灾减灾风险管理等。GEMS星座共包含48颗立方体小卫星，OMS公司计划在2020年上半年再发射6颗该系列小卫星，未来将大幅提高全球微波辐射监测的时间频率，从间隔几小时甚至几天缩短到接近15分钟。 2 q8 J" k; B h5 [5 i' Y& ]
（IOD-1 GEMS气象小卫星）作为美国海洋和大气管理局（NOAA）重要合作商，美国行星智能公司（PlanetiQ）于2019年5月启动了由20颗小卫星组成的最新一代气象卫星星座部署计划，首批计划发射12颗小卫星，部署在低地球轨道，星上载荷为第四代无线电掩星探测系统（Pyxis），可接收来自4大全球导航卫星系统（GPS、格洛纳斯、伽利略和北斗）信号，数据接收能力为上一代的10倍。未来新一代小卫星星座可提供高分辨率大气温度、压力和水汽含量信息，为天气预报，特别是飓风预报提供关键数据。
; @: S9 D8 |8 @% w 此外，美国斯派尔公司也分别于 2019年7月5日和12月11日成功部署了8颗和4颗狐猴-2（Lemur-2）系列气象小卫星 。该系列卫星为无线电掩星大气探测星座，可为美国气象预报提供大气温度、压力和湿度数据，为船舶和飞机航行提供跟踪服务。斯派尔是美国卫星遥感气象数据服务领域较有影响力的商业公司，该公司发射的立方体小卫星为美国NOAA预报业务提供无线电掩星大气探测数据。
) G# t* C5 v2 R （Lemur-2气象小卫星）（二）美国发射COSMIC接续星座，有望提升气象和空间天气探测能力
/ j/ O& b/ p4 {) `& c: f 2019年6月25日，美国成功发射了“气象、电离层与气候星座观测系统”（COSMIC）接续星座COSMIC-2首批6颗微卫星（COSMIC-2A）。该星座原计划由6颗低倾角卫星和6颗高倾角卫星组成，此次发射的是6颗低倾角卫星，卫星轨道倾角24°，高度520千米。卫星设计寿命为5年，星上搭载无线电掩星系统、离子速度计和射频信标机，主要用于收集、处理气象和电离层数据，未来可有助改进气象预报准确度，提升灾害性天气防御能力和电离层预报保障能力。另外6颗高倾角卫星原定2020年发射，但由于经费问题已于2017年停止全部研发工作。 3 ~$ W% H/ h" k- w5 ]0 y7 J( L& x
（COSMIC-2A微卫星）（三）美国部署多颗空间环境卫星，开展空间天气对航天器影响研究
& t2 V: a0 B4 ?7 @4 D& \" ^5 N 2019年6月25日，美国成功发射一箭24星，其中包括军方“太空试验计划-2”的三颗空间天气卫星——美国空军的演示验证和科学实验卫星（DSX）、增强型串联信标实验卫星（E-TBEx），以及美国海军的空间天气实验卫星（NPSat-1）。DSX卫星主要用于太空辐射环境监测，开展高能粒子辐射对在轨航天器、电子元器件影响研究及防护技术试验。E-TBEx为立方体双星系统，主要用于空间天气变化的物理过程研究。NPSat-1卫星主要用于空间天气研究和空间飞行技术演示验证。此外，美国航空航天局（NASA）于2019年10月成功发射了电离层连接探测卫星（ICON）,主要用于观测大气层与外太空交界区域，研究地球高层大气和空间天气的关系，卫星所获数据有助于改进空间环境影响预报。 # A- Q0 N) C1 n l( o8 }9 p" S
（发射前的一箭24星封装图）（四）加拿大发射新一代雷达卫星星座，用于北极海冰监测和气候研究 ' y t/ _' g9 v5 \: l3 r
2019年6月12日，加拿大航天局“旗舰”项目之一——“雷达卫星星座任务”（RCM）成功发射 ，该星座包含3颗雷达卫星，RCM-1、RCM-2和RCM-3，每颗卫星重约1300公斤，位于太阳同步轨道，轨道高度592千米，倾角97.7度。三颗卫星运行于同一轨道面，等间距分布，相邻两颗卫星的时距为32分钟。
! G% J8 d' W* C8 K （RCM星座任务示意图）RCM卫星星座设计寿命为7年，星上载荷为：C波段合成孔径雷达（SAR）和船舶自动识别系统（AIS），主要用于海域监测特别是冰监测（包括北极冰监测）、气候变化研究等。RCM星座通过卫星组网可有效缩短重访周期，有利于环境动态监测，满足北极地区等监测需求。经过3～6个月在轨测试，确保星座可按设计指标正常运行后，RCM将正式进入业务化运行。 3 Q8 D" K5 A. W+ {, r0 S
（五）美国成功发射气象微纳卫星开展成像技术演示验证，为后续研发提供支撑 / z$ E7 U, X3 s& B
由NASA、NOAA和美国多所大学联合研发的气象微纳卫星（HARP）于2019年11月2日从美国弗吉尼亚州沃洛普斯岛的中大西洋地区太空港成功发射，卫星轨道高度约400千米，倾角为51.6度，设计寿命约1年。按计划，HARP卫星大约用3个月时间开展技术演示验证，后续的7个月左右时间主要用于科学实验数据的收集。HARP卫星应用了新一代成像旋光仪技术，该技术首次在微纳卫星上运用，可用于对气溶胶和云物理特性进行高质量探测。卫星开展的相关技术演示验证可有效推进低成本大气探测技术发展，为NASA后续的云和气溶胶探测小卫星任务研发提供支撑。
0 x! o1 L4 E1 g, B1 E. _ e7 d （HARP卫星成像示意图）（六）俄罗斯成功发射第三颗电子-L系列静止轨道气象卫星
( c- B0 P I$ | 2019年12月24日，俄罗斯静止轨道气象卫星Electro-L N3成功发射。该卫星是俄地球静止轨道气象卫星电子-L（Electro-L）系列的第三颗。卫星重量约1500千克，轨道高度为35786千米，东经165.8度。设计寿命为10年，主要用于气象和空间天气观测。
) K ~) I, X( A& o, I （Electro-L N3 气象卫星）电子-L 系列气象卫星由俄罗斯联邦航天局开发，是俄罗斯联邦水文气象和环境监测局重要的业务卫星，为开展区域和全球天气预报、航空预报、气候监测等提供重要的环境数据。电子-L系列第一颗卫星已于2016年结束业务期，目前在轨运行的是2015年发射的电子-L第二颗卫星（Electro-L N2）。电子-L 系列静止轨道气象卫星共包括5颗卫星，Electro-L N4 和Electro-L N5将分别计划在2021年和2022年进行发射。 8 W- j$ T% e/ I2 p! `% h
二、气象海洋空间天气卫星研发进展8 v3 K# z. o- W: c; I: V: D
（一）美国研究利用气象小卫星弥补数据缺口，支撑未来应急气象保障
! B* o) h3 u) q) L2 j 为有效解决美国极轨气象卫星先进红外探测系统和微波探测系统故障可能造成的数据缺失，2019年3月，美国威斯康辛大学-麦迪逊分校气象卫星合作研究所开展了一项“观测系统同化实验”研究，目的是研究微波和红外大气探测立方体小卫星在弥补传统极轨气象卫星数据缺失方面的可行性。实验发现，单颗立方体小卫星可为局地强风暴预报提供关键性数据，多颗立方体小卫星可为气象预报提供更多更大范围的探测数据，能够有效解决可能突发的在轨气象卫星数据缺失问题，未来在应急天基气象信息获取，弥补暂时性数据缺失方面都具有重要意义。
1 Q0 h9 P6 y w, y4 H （二）俄罗斯推进北极气象卫星部署计划
: y7 g, J' h, @3 q5 l7 b2 {: U 俄罗斯在气象卫星方面已拥有流星-M系列极轨气象卫星和电子-L系列地球静止轨道气象卫星。目前，俄正在积极推进Arctica-M系列北极气象卫星计划。2019年5月，俄罗斯航天局宣布，原定于2019年发射的首颗北极气象卫星（Arctica-M N1）推迟至2020年发射，第二颗北极气象卫星（Arctica-M N2）计划于2023年发射。Arctica-M N1、N2两颗卫星未来部署后，将主要用于北极地区气象海洋数据收集和空间天气监测，未来可有助提升俄短期天气预报准确率，同时也可为全球气候变化研究和空间天气研究提供关键数据。根据俄联邦2016-2025财年航天规划，其北极气象卫星Arctica-M系列共包括5颗卫星，除了Arctica-M N1、N2之外，Arctica-M N3计划于2024年发射，Arctica-M N4、N5计划于2025年发射，但目前这三颗卫星的生产合同均尚未签署。 - e) P7 j M- w/ D8 ?$ o
（三）美国极轨气象卫星“JPSS-2” 顺利推进，完成重要载荷组装
' g7 n) I* O8 @. I' n6 Q0 h; e 美国联合极轨气象卫星（JPSS-2）于2019年10月完成了星上重要载荷——先进微波探测仪(ATMS)的组装任务，并开展了相应的电磁干扰测试。
1 }- Q% e$ b1 |1 T6 o/ ]; | （先进微波探测仪开展电磁干扰测试）先进微波探测仪作为JPSS-2卫星的主要任务载荷，可提供高质量的大气温度和湿度数据，有助提升美国中短期天气预报准确率。JPSS-2是美国最新一代极轨气象卫星系列的第二颗，第一颗JPSS-1（NOAA-20）已于2018年投入业务化运行。JPSS-2计划于2022年发射，在轨部署后将改名为NOAA-21。JPSS系列共包含4颗卫星，JPSS-3和JPSS-4计划的交付时间分别为2023年和2026年，发射时间预计是在2026年以后，具体以在轨卫星的业务运行状态而定。
- b V; K8 ~1 _, a （四）欧洲第二代极轨气象卫星完成关键测试，计划2023年发射
6 Z/ b2 Y6 _8 X0 W9 x) D! I6 D 欧洲第二代极轨气象卫星MetOp-SG于2019年11月底在欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）完成了卫星结构测试和热测试。MetOp-SG是欧洲航天局（ESA）、欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）与美国合作的极轨卫星项目。MetOp-SG系统包括 A和B两个系列，每个系列由三颗卫星组成，共计6颗。MetOp-SG A系列首颗卫星计划于2023年发射，MetOp-SG B系列首颗卫星计划于2024年发射。
1 r( c! ]/ q4 R5 t k （MetOp-SG A、B星示意图）三、卫星业务化应用进展2 o, y" s# ` \8 J- ^9 n
（一）欧美海洋卫星延长服役，继续为气象海洋预报提供高精度数据
1 x* R t2 j" m, S7 O 2019年1月17日，欧美合作研发的Jason-3海洋卫星已结束了为期三年的预定任务期，但因卫星及载荷各项性能良好，即日起该卫星进入两年的延长服役期，继续为气象海洋数值预报、气候变化研究和气候预测提供重要数据，并作为高精度海洋测高参考，在“哨兵”系列卫星、Jason系列后续星交叉定标和卫星调试方面发挥关键作用。2021年1月之后，如果该卫星运行情况良好，可能还将继续延长服役。
) Z% {: w; l" Y& I9 T; L1 j+ { （二）美国最新静止轨道气象卫星正式进入业务化运行，提升美国西部和极地预报能力
+ u9 @% }% n U& y; M0 I8 z 2019年2月，美国最新一颗地球静止轨道气象卫星GOES-17完成了在轨测试，定点在GOES西部星位置（西经137.2度），正式进入业务化运行阶段，作为美国主要的环境业务星，负责观测美国西部、阿拉斯加、夏威夷及太平洋大部分区域，并与目前在轨的GOES东部星（GOES-16）协同工作，提供高分辨率可见光和红外图像，双星观测范围可达地球一半以上区域。GOES-17卫星的业务化为美国天气预报带来四个方面突破：（1）提高美国在太平洋区域的气象观测能力，大大改进该区域海上预报和航空预报水平；（2）准确预报云、雾的形成和消散时间，提高机场航班协调效率；（3）监测高影响天气系统和灾害性天气，提高美国西部气象预报效率；（4）增强阿拉斯加海岸地区云、积雪和海冰成像，有效提升极地航空、航运预测能力。
, r! V/ H. O: e8 s# Y- c' {5 [! ` （GOES系列气象卫星的东部星和西部星示意图）（三）印度接收欧洲和日本气象卫星数据，提升恶劣天气临近预报水平
@" H5 c }( r, K( k( ?- G 为了提升恶劣天气预报预警能力，2019年4月，印度国家气象局开始测试新的预报产品，通过接收欧洲EUMETSAT和日本气象厅的卫星数据，未来可改进其区域中尺度天气（雷暴、沙尘等）临近预报水平。印度从2018年就开始接收欧洲和日本的气象卫星数据，主要包括近实时的沙尘、大气对流、湿度、云等数据，并已将其用于预报产品的开发和测试。其中，日本的向日葵气象卫星主要用于印度孟加拉湾地区监测，为夏季风暴预测提供重要数据。目前，印度整体的风暴预报准确率为80%，未来结合新的卫星数据和预报产品，其风暴预报能力将有明显提升。
5 E7 c' A& D2 j0 n" D （四）美国最新极地冰观测卫星首批数据发布，未来将有助极区冰情研究和预报 $ g P( ?. H$ w* v
2019年5月底，美国最新一颗极地冰观测卫星ICESat-2首批数据正式向公众发布，包含从格陵兰冰川到南极海冰的大量精确测量数据，可帮助研究人员研究极区冰情的细微变化。ICESat-2卫星发射于2018年9月，用于接续其前一颗卫星（ICESat）的极地冰盖研究任务。与ICESat卫星相比，ICESat-2卫星的数据获取量和测量精确度都有大幅提升。通过与极地科考、空中极地监测“冰桥行动”等任务所获数据相比对，可为研究气候变化驱动因素、预测海平面上升、改进海冰预报等提供关键性数据。
! s7 p. q' w0 L （Icesat-2卫星北极冰情数据）（五）俄罗斯获取流星M2-2气象卫星首批数据，可极大提高气象预报准确性 + ^7 Y: M5 t' j2 J6 T* ~$ l- A% _. ~
2019年8月底，俄罗斯成功获取了俄最新一颗流星系列极轨气象卫星（Meteor M2-2）首批数据。此前，俄已在远东地区部署了40个移动气象站用于接收Meteor M2-2卫星数据，接收装备为Syuzhet-MB型移动卫星数据接收系统。该卫星数据可极大提高俄气象预报的准确性。Meteor M2-2极轨气象卫星于2019年7月5日从俄远东地区东方航天发射场成功发射，7月7日卫星进入预定轨道。该卫星设计寿命为5年，主要用于探测大气温湿度，监测臭氧层、近地空间辐射环境、海平面以及海冰冰情等。
+ `+ J5 O! w8 R) _/ y. ]0 U （Meteor M2-2极轨气象卫星）（六）美国空军接管民用气象卫星，解决区域性气象预报业务持续开展 ' H3 z$ y) ], v! o. J) r
2019年9月，根据美国NOAA与美国空军签订的“天基环境监测备忘录”，NOAA正式将其2018年退役的一颗地球静止轨道气象卫星GOES-13移交给美国空军使用，以填补美军区域性天基气象信息需求 。GOES-13卫星到达新轨位后，将对星上设备功能进行确认，后续该卫星的使用和管理由美国空军负责，具体的运行操作将仍由NOAA协助完成。美军从2017年就开始考虑通过接管NOAA的地球静止环境业务备份星，此次正式接管GOES-13气象卫星，有助其尽快建立长期稳定的天基信息来源，为气象预报业务提供可持续环境数据支撑。 - ~' S6 L+ R7 n/ t& g
结束语. @7 G# W# l5 P
从回顾中可以看出，世界主要国家和地区的气象海洋空间天气卫星的研发部署和业务化应用均稳步推进，为其开展气象海洋空间天气预报，有效改进预报效率提供了重要数据支撑。
! Y/ W7 S" C2 L5 y' B. C- ^( h 后续，随着卫星技术、载荷技术的不断成熟，以及国际合作、商业化等趋势的加强，未来该领域发展依然值得期待。
& D$ U4 ^ r& o 作者：孙姣
( R" T& H7 a5 c% S: m4 Q
* F$ t, |; m7 R2 ~7 N- H5 y( K
& P$ A E/ U. B1 w( w) I
% f+ D7 i( k/ p5 h8 h& J3 e' L: |) T+ Q4 {% {! {4 x
| 
