2014年12月31日，我國風云二號08星氣象衛星在西昌衛星發射中心使用長征三號甲運載火箭成功發射升空。此次發射是我國2014年宇航發射的收官之作。 截至目前，全世界已經發射了約200顆各種氣象衛星，其軌道類型從最早的太陽同步軌道擴展到地球靜止軌道，姿態控制類型由早期的自旋穩定方式發展到三軸穩定方式，衛星也從最早單純的氣象觀測發展到綜合的多學科探測與應用。 經過30多年的發展，我國的氣象衛星發展已經取得了較為輝煌的成就，正在積極趕超世界先進水平。那么，氣象衛星是從何時發展起來的？它們有什么用途？世界各國氣象衛星的發展又如何呢？ 從科學設想變成現實 1945年，英國科幻小說家阿瑟·克拉克發表了一篇名為《地球外的中繼-衛星能給出全球范圍的無線電覆蓋嗎？》的論文，文中設想和闡述了靜止軌道衛星通信的可行性。這一論文的發表，為全球衛星通信奠定了理論基礎，也為后來的靜止軌道氣象衛星出世提供了可能。 1946年，有科研人員提出了在軌道上使用照相機觀測地球氣象變化的設想。正是在這樣的設想下，1959年2月17日，美國成功發射了世界上第一顆氣象衛星“先鋒二號”。該衛星主要用于觀測云層覆蓋等情況，但由于其糟糕的姿態控制和橢圓軌道設計，發射升空后幾乎沒有收集到任何關于氣象有用的數據。 不過，人類第一顆真正的氣象衛星，當屬美國宇航局在1960年4月1日使用thor火箭發射升空的泰羅斯一號電視紅外觀測衛星。雖然該衛星的重量只有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射的雨云號衛星項目鋪平了道路。 1960~1965年，美國總共發射了10顆泰羅斯衛星，它們都使用了自旋穩定方式。雖然這些衛星的設計壽命都不長，但每顆衛星都對技術和儀器設備進行了相關的改進。 1965年，美國氣象科研人員利用泰羅斯衛星拍攝的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日發射成功第一顆雨云號衛星開始，截止到1978年10月24日總共發射了7顆雨云號衛星，試驗了新的氣象觀測手段和儀器，同時使用了更高效的三軸穩定姿態控制手段進行對地定向。 其中，雨云一號衛星使用的高分辨率紅外輻射儀首次獲得了夜間的云圖。雨云三號衛星則首次使用了衛星紅外分光計，用于探測大氣層的垂直溫度廓線。雨云五號衛星上首次使用了微波遙感技術，可以探測有云區域的大氣垂直溫度廓線。雨云七號衛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，該衛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星都屬于太陽同步軌道氣象衛星，可以在每天的固定時間內經過同一區域上空獲取全球的氣象觀測數據，為科研人員提供溫度、濕度、云量等氣象參數。 雖然太陽同步軌道衛星的軌道高度相對較低，容易實現更高的觀測精度和分辨率，但這一高度的衛星無法對某一個區域進行連續觀測。為此，科研人員根據靜止軌道通信衛星的成功經驗，研制出了靜止軌道氣象衛星。這種衛星具有觀測區域大、觀測頻率高等優點，可以用于連續監視大范圍內的天氣情況，能捕捉到變化較快的小尺度天氣現象以及災害性天氣。 從泰羅斯一號衛星發射成功以來，截至目前，全世界已經發射了約200顆各種氣象衛星，其軌道類型從最早的太陽同步軌道擴展到地球靜止軌道，姿態控制類型由早期的自旋穩定方式發展到三軸穩定方式，衛星也從最早單純的氣象觀測發展到綜合的多學科探測與應用。尤其是在植被覆蓋、洪澇災害、水文、大氣污染等環境監測方面大顯身手，為科研人員進行天氣分析和預報，減少異常和災害性天氣引起的損失發揮了重要作用。 此外，除了最早發展氣象衛星的美國之外，蘇聯/俄羅斯、歐洲、日本、中國和印度也都相繼發展了各自獨立的氣象衛星系統。 應用范圍逐漸擴大 目前，氣象衛星不管是在臺風、暴雨、沙塵暴和龍卷風等災害性氣候的預報預警上，還是在短期和中長期的氣候預測方面，都提供了大量有用的參數。 雖然最早的氣象衛星只能提供模擬式的觀測數據，但仍然給氣象科研人員帶來了極大的驚喜。憑借氣象衛星的遙感數據，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，氣象衛星的出現，大大提高了人們監視預測災害性天氣的能力。 隨著氣象衛星的發展，尤其是垂直探測、水汽探測、微波探測能力的出現與發展，氣象衛星的數據已經成為數值化天氣預報最重要的資料。 1998年，我國長江流域發生特大洪澇災害期間，相關部門根據氣象衛星的觀測數據準確預報了長江上游地區的天氣情況，做出了荊江不分洪的正確決策，僅此一項就為國家減少了數億元人民幣的經濟損失。 此外，由于氣象衛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，以及環境與災害等監測領域同樣發揮了重要作用。 目前，我們不僅可以使用氣象衛星監測沙塵暴的產生和移動，監測森林火災、洪澇災害，還可以監視海冰的覆蓋面積等信息，為海上石油生產和航運提供安全保障。另外，氣象衛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測，可提供較為有效的旱災影響信息。 總而言之，氣象衛星的出現和發展，為我們的生產生活以及各種災情預報等都提供了大量的幫助。 美、俄、歐氣象衛星各具特色 美國 目前，美國擁有世界上技術最先進的氣象衛星群，其太陽同步軌道氣象衛星和靜止軌道氣象衛星代表了世界氣象衛星發展的最高水平。氣象衛星包括美國國家海洋與大氣局的太陽同步軌道業務環境衛星系列和美國國防部的國防氣象支援衛星計劃。 時至今日，美國的靜止軌道氣象衛星已經發展到了第五代，包括以sms1/2和goes1~3號的第一代，以休斯公司hs-371衛星平臺為基礎的第二代，以勞拉空間系統公司ls-1300衛星平臺為基礎的第三代，以波音公司bss-601衛星平臺為基礎的第四代和目前洛·馬公司以a2100a衛星平臺為基礎研制的第五代靜止軌道氣象衛星。 美國的靜止軌道氣象衛星基本使用了成熟的通信衛星平臺，這種衛星平臺和太陽同步軌道氣象衛星的專用平臺有很大的不同。從第三代開始，衛星的姿態控制就使用了三軸穩定方式，并可以同時使用可見光紅外掃描輻射計和大氣探測器，從而提高了對氣象觀測的連續性。第三代戈斯衛星的掃描輻射儀通道從2個增加到5個，大氣垂直探測器從12個增加到19個，探測精度大大提高。 2006年5月，美國發射了第四代靜止軌道氣象衛星“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境監視器。目前，第四代靜止軌道氣象衛星包括戈斯13~15號3顆衛星，都已經發射完畢。 蘇聯/俄羅斯 蘇聯發展氣象衛星同樣較早，1969年3月，蘇聯發射了第一代近地軌道氣象衛星“流星一號”，1975年開始發射“流星二號”，1984年開始發射第三代“流星三號”。但需要說明的是，由于技術的原因，這些衛星只能傳回一些分辨率較低的模擬云圖，實際應用受到了很大限制。 1998年，俄羅斯發射了第四代太陽同步軌道氣象衛星“流星三號m”。該衛星采用了近極地太陽同步軌道，除了改進載荷性能之外，還能與美國諾阿衛星的hrpt兼容。 此外，俄羅斯在1994年11月還還發射了第一顆goms-n1靜止軌道氣象衛星。該衛星雖然發射較晚，但設計指標要求較高，從一開始就使用了先進的三軸穩定姿態控制方式，但不幸的是，該衛星在太空運行了不久后，其姿態控制就出現了故障。 goms-n1衛星攜帶了3個通道的掃描輻射計，其可見光通道由于設計錯誤而未獲得圖像，水汽通道只能用于試驗，因此只能獲取紅外圖像。另外，該衛星還攜帶了輻射和地磁測量系統，用于測量高能粒子和宇宙輻射的密度，在設計概念上走在了美國前面，不過由于衛星姿控系統和載荷的故障，導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展，或許正因如此，歐洲的氣象衛星一開始就從靜止軌道入手。1977年11月，歐洲第一顆試驗型靜止軌道氣象衛星meteosat-1（mfg）使用美國的火箭發射成功，拉開了歐洲自主建立全球氣象監測網的序幕。 在此之后，歐空局陸續發射了7顆第一代靜止軌道氣象衛星，主要攜帶可見光與紅外成像儀、數據收集平臺等探測載荷。該衛星類似美國早期的格斯衛星，第一代mfg衛星也采用了自旋穩定控制技術。 不僅如此，歐空局的第二代靜止軌道氣象衛星msg同樣使用了自旋穩定姿態控制方式。2002年8月28日，第一顆msg衛星發射升空，它的可見光與紅外成像儀通道數量增加到了12個，探測精度和頻次也有較大提高。 目前，歐空局共發射了3顆第二代msg衛星。2012年meteosat-10（msg-3）發射成功后，歐空局還使用了兩顆第二代靜止軌道氣象衛星的雙衛星結構，進行極具挑戰性的臨近預報任務，通過頻繁獲取大氣的氣象圖像，用于監測雷暴、雨霧等高沖擊強度的天氣，就未來幾個小時的發展情況提供預警。 此外，歐空局也研制了太陽同步軌道氣象衛星。2006年10月19日發射了metop-a衛星，2012年9月18日又發射了metop-b衛星。這兩顆衛星的重量都高達4.1噸，探測載荷與美國的諾阿衛星基本相同。同時，metop還可以使用通信衛星為氣象觀測數據進行中繼，從而更及時地提供全面詳細的監測信息。 未來發展：姿態控制更穩、分辨率更高是趨勢 為了發展更先進的氣象衛星，目前世界各航天大國紛紛加大了新一代氣象衛星研制的力度。 首先，美國已于2014年4月發射了dmsp-5d3f19太陽同步軌道氣象衛星，最后一顆f20衛星預計在2016年發射。至于靜止軌道氣象衛星，美國將繼續發射第五代戈斯衛星，它的主載荷具有16個通道的先進基線成像儀。此外，該衛星還攜帶了1600個通道的超光譜環境探測器。 第五代靜止軌道氣象衛星除了更好的衛星平臺和更先進的探測設備外，其設計上也有一個獨特之處，它并不是每一顆衛星上都裝載所有功能齊全的設備，而是除了核心載荷外，多顆衛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星。歐洲未來將發射第三代靜止軌道氣象衛星mtg和下一代太陽同步軌道氣象衛星metop-sg系列。這兩種衛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星還用了搭載不同載荷的雙星配對運行方式。 最后，俄羅斯隨著經濟逐漸復蘇，也開始研制了新一代太陽同步軌道和靜止軌道氣象衛星。2009年9月，俄羅斯研制的流星mn1太陽同步軌道氣象衛星發射升空。2013年流星mn2發射升空，后續還將發射新的流星m衛星。 此外，俄羅斯還正在研制新一代的靜止軌道氣象衛星。2011年1月23日，第一顆電子-ln1衛星發射成功，它裝備了俄羅斯研制的10通道成像儀和歐洲研制的改進型可見光紅外成像儀。今后，俄羅斯還將發射兩顆電子-l靜止軌道氣象衛星，組成覆蓋俄羅斯的靜止軌道氣象衛星觀測網。 總之，美、歐等國家通過技術交流與合作，代表了世界氣象衛星發展的最高水平和趨勢，而俄羅斯的氣象衛星則有自己的特點。西方國家的氣象衛星發展主要體現在衛星平臺全面轉向三軸姿態穩定方式，傳感器分辨率和通道數量不斷提高，讓衛星實現了更強的預報、監視等能力。 ——相關鏈接—— 地球靜止軌道衛星 地球靜止軌道是指人造地球衛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星始終位于地球表面的同一個位置，并固定在赤道
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