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“天军”若成功组建,美或整合军民气象卫星

时间:2018年08月01日 信息来源:澎湃新闻网 点击: 【字体:

气象条件是影响战争或军事行动的重要因素,人类在很早的时候就认识到了这一点。《孙子兵法》中的《火攻篇》就介绍了火攻战术与气象的关系。火攻篇中指出:发火有时,起火有日。时者,天之燥也;日者,月在箕、壁、翼、轸也。凡此四宿者,风起之日也。也就是说,起火要选择有利的天气,即干燥且有起风的日子。这是古人利用气象进行作战的典型战术。


随着科学技术的进步,人类观测气象早已摆脱了肉眼观察的阶段,各种气象探测设备,尤其是气象卫星的出现,大幅提高了气象观测能力。美国一直很重视军用和民用气象卫星的规划与发展,当前正处于全面更新换代之际。那么,美国气象卫星如何发展?战争中又有何优异表现呢?

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美国“国防气象卫星计划”(DMSP)是当今全球唯一在轨运行的专用军事气象卫星。 



持续发展:美国军民气象卫星研制从未止步


美国自1960年4月发射全球首颗气象卫星TIROS-1以来,迄今共发射了近百颗气象卫星,构建了极地轨道与静止轨道搭配、军用与民用独立发展的气象卫星体系。


一、军用气象卫星体系

大多数国家和地区的气象卫星都是军民两用的,只有美国和俄罗斯专门制造的军用气象卫星。美国军用气象卫星计划始于上世纪60年代,当时称国防卫星气象应用项目(DSAP),1973年12月正式更名为“国防气象卫星计划”(DMSP)。DMSP是当今全球唯一在轨运行的专用军事气象卫星(俄罗斯军用气象卫星已退役),由空军空间和导弹系统中心负责。自1962年发射首颗军用气象卫星以来,迄今共经历了十一代,发射了52颗卫星,尚有1颗等待发射,目前有5颗在轨运行,所获得的资料主要为军队所用。DMSP气象卫星对可见光和云层进行照相,并获取陆地和水面温度、水汽、洋面和空间环境等信息,为美国军方规划陆、海、空作战提供帮助。


DMSP气象卫星采用双星运行体制,重复观测周期为12小时,扫描条带宽度3000千米。该卫星的主仪器是任务线扫系统(OLS),用于对云、冰和沙尘暴进行成像,也可用于观察大气烟雾。

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DMSP气象卫星采用双星运行体制,重复观测周期为12小时。图为正在组装的DMSP气象卫星。


二、民用气象卫星体系

虽然美国军队拥有专门的军用气象卫星,但在必要的情况也可以使用民用气象卫星的数据。美国的民用气象卫星体系由国家海洋和大气管理局(NOAA)负责,包括地球静止轨道环境业务卫星(GOES)和极轨气象卫星(POSE)两大系列。


GOES为美国NOAA和NASA(美国宇航局)共同开发的地球静止轨道气象系列卫星,自1975年10月17日发射第一颗GOES-A始,至2018年6月共开发了5代,发射17颗,目前在轨5颗,包括2颗第五代卫星。


第五代GOES气象卫星共包括4颗,剩余两颗将分别在2020和2024年发射。卫星搭载了先进基准图像仪(ABI)、地球静止闪电测绘仪(GLM)、极紫外线X光辐射度传感器、空间环境现场监测器、磁强计、日光紫外线成像仪等6台科学设备,可以对飓风、龙卷风、洪水等进行高分辨率观测。与前几代相比,其最显著的区别在于基准成像仪能力大幅提高,其探测通道增加到覆盖可见光和近红外的16个(原为5通道),增加了先进的闪电成像仪。卫星每隔15分钟生成西半球的完整图像,每5分钟生成美国大陆的完整图像,特定风暴区的信息每30s更新一次。

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美国与欧洲、日本静止轨道气象卫星联合实现全球连续覆盖。


美国现役POSE气象卫星体系主要包括NOAA系列和联合极轨卫星系统(JPSS)系列两类。NOAA卫星是美国第三代极轨气象卫星,迄今经历五代,共发射了19颗NOAA系列气象卫星,目前在轨的3颗均为第五代卫星。NOAA气象卫星高度为833千米~870千米,成像周期12小时。NOAA系列卫星采用双星运行,同一地区每天可有四次过境机会。卫星可实现对云的分布、地表(主要是海域)的温度分布、大气中气温及温度的垂直分布等进行观测。


JPSS是美国第四代极轨卫星系统,旨在替代NOAA系列气象卫星。美国于2011年发射了JPSS的首个运行部分Suomi NPP卫星,作为NOAA系列与JPSS两代业务卫星之间的过渡。除NPP气象卫星外,JPSS系统包括4颗卫星,首颗卫星于2017年11月18日发射,剩余3颗将分别于2021年、2026年和2031年发射。JPSS气象卫星性能较NOAA气象卫星有大幅提升,将提升美国对全球天气预报的精确度,并有望提前7天预报极端天气事件,其成像分辨率在保证幅宽不变的前提下提高了1倍,观测能力也得以大大提升,光学和微波探测手段的结合,使卫星集大气、海洋和空间环境等多种探测能力于一体。



观云测雨:美国气象卫星曾参与多次战争

气象条件对战争或军事行动有重要的影响,甚至可能决定战争成败,而气象卫星则是获取战略目标和作战地区气象情报的重要手段,被誉为“战争的保护神”。


气象卫星第一个军事用途是支持侦察卫星执行任务。对光学成像等侦察卫星而言,其对地观测受到光照、云层等因素的影响,云层的存在不仅会降低卫星侦察效能,甚至可能失去成像机会。以美国“锁眼”-12等光学成像侦察卫星为例,其拍摄重要军事目标前,需要了解目标区域的云层以及天气情况,以确定拍摄(成像载荷开机)的最佳时机。而气象卫星不仅能对云的宏观参数(云量、云的层次、云顶温度、云顶和云底高度)进行观测,同时也可对微物理参数(云离子相态、云液态水含量廓线、云离子有效粒径与降雨率等)进行观测,从而为卫星侦察提供保障。事实上,美国DMSP军用气象卫星的最初用途即是预测前苏联和中国领土的哪些区域会被云层覆盖,以及哪些区域对于侦察卫星可见,从而支持美国早期侦察卫星的活动。


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伊拉克战争中,美英联军共调用了12颗军民气象卫星,为战场提供了有利的“天时”保障。


气象卫星的第二个军事用途是为部队提供战术实时气象数据。比如1999年爆发的科索沃战争,在地中海航行的北约舰艇需了解未来的海浪、水流及是否有大雾或台风等气象情报,空袭用的导弹的命中精度也与大气的温度、压力和风速等密切相关,这就需要气象卫星提供实时气象数据。


在科索沃战争中,以美国为首的北约调用了10颗气象卫星来为巴尔干半岛上的军队提供24小时不间断的天气预报,其中4颗属于“国防气象卫星计划”。由于DMSP军用气象卫星采用双星运行体制,在同一轨道上工作的每对卫星每天可对世界任何地方扫描4次,采取存储和直接发送两种数据传输方式,前者在飞经美国本土时传给3个空军基地的地面站,再经通信卫星中继到奥福特空军全球气象中心(又称空军气象局)和蒙特雷海军舰队数值海洋学研究中心;后者把拍摄到的云图实时发送给遍布全球各地的美军战术地面站和航母等大型军舰上,供军事指挥员直接使用。


伊拉克战争中,美英联军共调用了12颗军民气象卫星,为战场提供了有利的“天时”保障,并对交战敌方进行了气象资料的保密制度。根据相关资料,气象卫星是伊拉克战争中获取战区气象信息的主要手段。气象卫星对战区进行连续气象监测,生成的短期、中期、长期天气预报构成了战时气象信息,这些信息与战区C3I系统中其他信息进行综合分析,作为指挥员指挥作战的依据。



多管齐下:美军将提升气象能力

一、全面启动更新换代,提升服务质量

目前,美国新一代民用极轨及静止轨道气象卫星均已开始部署,而下一代军用气象卫星的发展尽管一波三折,但雏形初具。白宫于2012财年正式取消下一代“国防气象卫星系统”(DWSS)计划,转而开展“气象系统后继”(WSF)研制。2017年11月,空军空间与导弹系统中心授予波尔航天公司一份价值9170万美元的合同,制造2颗携带被动微波成像辐射计和高能带电粒子传感器的下一代气象卫星WSF-M。空军期望在2022年发射一颗气象卫星,以弥补因DMSP-19气象卫星退役造成的数据缝隙。


2014年9月,美国国防部联合需求监督委员会确定了12个最迫切的“天基环境监测”(SBEM)能力需求,这也对新一代卫星的性能提出的要求。根据披露,WSF-M气象卫星将缓解的国防部天基环境监视三项高度优先差距:海洋表面矢量风,热带气旋强度和LEO高能带电粒子。


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美国国防部天基环境监测(SBEM)架构,气象卫星是其重要组成部分。


二、整合军用与民用气象资源,提升服务效能

如果美国顺利组建“天军”,“天军”或将接管美国所有的极轨气象卫星以及搭载于其它军用卫星上的气象载荷,进而对其进行整合。美国的极轨气象卫星经历了分-合-分的发展历程,两者的分开使得NOAA与空军开发的新一代极轨气象系统之间缺乏合作与沟通,在一定程度上造成资源的浪费。从技术上来说,两者探测原理基本相同,差距主要体现在分辨率以及保密性,因此整合在技术上不存在特别大的障碍,主要在于管理机制。


从需求方面看,美空军在2016年向国会提交的《国防部对于满足联合需求监督委员会气象和海洋数据采集续求的计划》中提出,利用民用卫星和国际合作伙伴的天基和地面能力,扩展对商业“天基环境监测”(SBEM)数据服务的利用,以解决能力缺口。目前,由美国NOAA与空军的极轨卫星已实现数据互通共享,其中,DMSP气象卫星覆盖上午轨道,而JPSS气象卫星覆盖下午轨道,以实现全天时数据覆盖。因此,若由“天军”统一管理,则可能大幅推进军用与民用气象资源的整合。


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如果美国顺利组建“天军”,“天军”可能会整合军用与民用气象资源,提升服务效能。图为JPSS气象卫星。


三、引入商业气象资源,扩大数据来源

美国总统特朗普在2017年时签署《2017财年气象研究与预报创新法案》,正式批准NOAA采购商业卫星系统提供的气象数据,授权NOAA在2017~2020财年每年花费600万美元用于商业气象数据采购试点项目,以评估商业数据对气象预报的实效性。


2016年9月,NOAA向地球光学公司和施派尔公司授出首轮商业气象卫星数据试点合同,目前正对获取的相关数据进行评估,以为即将启动的第二轮试点作参考。除NOAA外,美国空军亦已向工业界征询关于采购天基商业气象服务能力的问题,并评估SBEM企业级体系,以确定集成商业数据所需进行的调整。在特朗普政府的推动以及气象卫星预算的压制下,未来商业公司的气象数据也将成为重要的数据来源。


四、卫星小型化,提升系统弹性

在美国已将太空定义为一个作战域的背景下,提升天基系统的弹性是美国不断追求的目标。美国空军在2013年发布的《弹性与分散式空间系统体系结构》白皮书指出,分散式空间体系结构时提升空间系统弹性的重要途径。卫星小型化、功能分散化成为美军天基系统构建的大趋势。而从经费预算来说,相比于昂贵的大型卫星,小卫星更具价格优势。在新一代系统的构建中,尤其是针对WSF,美军期望其成为分散式体系的一次展示。


(作者系上海航天信息研究所高级工程师)


(作者:未知)
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