世界各國(guó)靜止氣象衛(wèi)星發(fā)展綜述

何興偉 馮小虎 韓琦 康寧 郭強(qiáng) 彭藝

（國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

0 引言

自美國(guó)1975年10月17日成功發(fā)射第一顆地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-A開始，世界各國(guó)陸續(xù)開始研制自己的靜止氣象衛(wèi)星。從歐洲的Meteosat-1、日本的GMS-1、中國(guó)的FY-2A等第一代靜止氣象衛(wèi)星發(fā)展到美國(guó)的GOES-R系列、歐洲的MTG、日本的Himawari-8/9、中國(guó)的FY-4A等新一代靜止氣象衛(wèi)星，靜止氣象衛(wèi)星發(fā)展了三代，衛(wèi)星平臺(tái)從自旋穩(wěn)定發(fā)展到三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，衛(wèi)星載荷也從搭載單一的成像儀到多載荷并行工作[1]，靜止氣象衛(wèi)星事業(yè)取得了巨大的進(jìn)步。

隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命、時(shí)空分辨率、提供的數(shù)據(jù)量等大幅度提升，靜止氣象衛(wèi)星在全球的天氣預(yù)報(bào)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防護(hù)服務(wù)中發(fā)揮越來越重要的作用。本文從氣象衛(wèi)星發(fā)展概述出發(fā)，分別重點(diǎn)介紹了美國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)等國(guó)家靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷史，對(duì)不同地區(qū)不同時(shí)期的靜止衛(wèi)星發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行綜合對(duì)比分析，通過比較觀測(cè)模式、衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命、載荷性能等方面差異，能夠客觀認(rèn)識(shí)我國(guó)靜止氣象衛(wèi)星發(fā)展的優(yōu)勢(shì)和不足，在后繼衛(wèi)星的研制中，鞏固自己的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，借鑒他國(guó)的先進(jìn)理念，在滿足業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，努力尋求新的技術(shù)突破，提高衛(wèi)星性能和應(yīng)用。

1 美國(guó)

“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”（GOES）是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局與美國(guó)航空航天局（NASA）共同發(fā)展的民用靜止軌道氣象衛(wèi)星系列。從1975年10月17日發(fā)射第一顆地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-A到現(xiàn)在的GOES-S已經(jīng)歷三代，圖1詳細(xì)列出了GOES衛(wèi)星的發(fā)展歷史。

1.1 第一代GOES 衛(wèi)星（GOES1-7）

圖 1 美國(guó)靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展 Fig. 1 The development of the geostationary meteorological satellite in the United States

1975年10月17日成功發(fā)射第一顆地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-A，衛(wèi)星搭載了可見光紅外掃描輻射器（VISSR），早期的GOES衛(wèi)星是自旋穩(wěn)定的，只在10%的時(shí)間內(nèi)觀察地球[2]。從GOES-4開始增加了大氣探測(cè)儀，用于獲得大氣的溫濕度垂直分布[3]，使氣象預(yù)報(bào)員更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)霧、雪、沙塵暴等異常天氣。然而，與20世紀(jì)70年代一樣，成像儀和探測(cè)儀仍然使用相同的光學(xué)系統(tǒng)，兩個(gè)儀器必須輪流使用。

GOES-3作為“史上最古老的連續(xù)運(yùn)行航天器之一”，從1978年6月16日發(fā)射到2016年6月29日最終退役，使用壽命為38年13天。從發(fā)射到20世紀(jì)80年代后期，GOES-3作為西部業(yè)務(wù)星觀測(cè)美國(guó)西部和北半球，1988年，GOES-3失去了業(yè)務(wù)成像能力，雖然不再捕捉有用的天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)，但仍然可以與地面系統(tǒng)通信，成為太平洋的通信生命線。1995年，這顆衛(wèi)星再次易手，開始成為南極的關(guān)鍵通信鏈路。

1.2 第二代GOES 衛(wèi)星（GOES8-15）

從1994年4月13日發(fā)射第二代地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-I開始，衛(wèi)星的姿態(tài)控制方式采用三軸穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的靈活觀測(cè)，成像儀和探測(cè)儀光學(xué)分離同時(shí)工作，可以暫時(shí)停止對(duì)北半球的例行掃描，專注于天氣事件的區(qū)域掃描，以改善短期天氣預(yù)報(bào)。在數(shù)據(jù)的分辨率、數(shù)量和連續(xù)性方面帶來了真正的改進(jìn)。氣象預(yù)報(bào)員擁有更精確的數(shù)據(jù)，可以更好地定位風(fēng)暴、閃電和龍卷等具有潛在危險(xiǎn)的天氣事件。

第二代GOES衛(wèi)星搭載有5通道的成像輻射計(jì)和19通道的大氣垂直探測(cè)儀，目前三顆衛(wèi)星在軌。GOES-13（75°W，2017年12月8日起被GOES-16取代，由東部業(yè)務(wù)星轉(zhuǎn)為在軌存儲(chǔ)）；GOES-14（105°W，在軌備份）：主要觀測(cè)美國(guó)及周邊地區(qū)；GOES-15（2018年11月7日由西部業(yè)務(wù)星位置135°W漂移到128°W）：主要觀測(cè)美國(guó)西部和北半球。

1.3 第三代GOES 衛(wèi)星

地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-R系列是美國(guó)最先進(jìn)的地球同步氣象衛(wèi)星機(jī)群，包括GOES-R/S/T/U衛(wèi)星，它們將GOES衛(wèi)星系列持續(xù)運(yùn)行到2036年。GOES-R系列提供了先進(jìn)的成像技術(shù)，提高了空間分辨率和時(shí)間分辨率，以進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，改進(jìn)了對(duì)太陽活動(dòng)和空間天氣的監(jiān)測(cè)，提高了對(duì)直接影響公共安全、財(cái)產(chǎn)保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)健康的環(huán)境現(xiàn)象的檢測(cè)和觀察。

GOES-R也就是現(xiàn)在的GOES-16于2016年11月19日美國(guó)東部時(shí)間18時(shí)42分從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。GOES-16自2017年12月8日起取代GOES-13成為美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局運(yùn)行中的西部業(yè)務(wù)星，觀測(cè)范圍從75.2°W開始，包括南北美洲和大西洋，一直到非洲西海岸。

作為4顆第三代GOES衛(wèi)星的首顆星，GOES-R衛(wèi)星將儀器成像的時(shí)間分辨率提高5倍，空間分辨率提高4倍，光譜通道提高3倍，每30 s提供一次高分辨率衛(wèi)星圖像。GOES-R數(shù)據(jù)有助于改善颶風(fēng)跟蹤和強(qiáng)度預(yù)報(bào)，包括龍卷和雷暴等惡劣天氣的預(yù)報(bào)和預(yù)警，改進(jìn)降雨量估計(jì)及洪水預(yù)警。在航空領(lǐng)域，GOES-R衛(wèi)星提供不同大氣水平云層的圖像，更好地估計(jì)風(fēng)速和風(fēng)向，改善航空預(yù)報(bào)和航線規(guī)劃。

GOES-R衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為15年，包括10年在軌運(yùn)行和5年在軌備份，搭載的有效載荷包括：先進(jìn)基線成像儀（ABI）、地球靜止軌道閃電繪圖儀（GLM）、太陽紫外成像儀（SUVI）、遠(yuǎn)紫外與X射線輻照度探測(cè)器（EXIS），以及空間環(huán)境原位測(cè)量裝置（SEISS）[4]。先進(jìn)基線成像儀是衛(wèi)星的主要載荷，有16個(gè)探測(cè)通道，包括2個(gè)可見光、4個(gè)近紅外和10個(gè)紅外通道[5]，可見光空間分辨率為0.5 km，紅外分辨率為1～2 km。具有多種掃描模式，地球全盤掃描時(shí)間為5～15 min，美國(guó)本土（3000 km×5000 km）掃描時(shí)間達(dá)到5 min，中尺度區(qū)域（1000 km×1000 km）掃描時(shí)間達(dá)到30 s。

GOES-S也就是現(xiàn)在的GOES-17于2018年3月1日發(fā)射升空，作為新一代地球同步氣象衛(wèi)星中的第二顆，GOES-S將提供更快、更準(zhǔn)、更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，幾乎實(shí)時(shí)地跟蹤風(fēng)暴、閃電、野火以及其他影響美國(guó)西部的自然災(zāi)害。2018年11月13日GOES-17從89.5°W漂移到西部業(yè)務(wù)星衛(wèi)星位置137.2°W，由于GOES-17先進(jìn)基線成像儀存在技術(shù)問題，NOAA計(jì)劃將GOES-15和GOES-17同時(shí)運(yùn)行至少6個(gè)月。GOES-17一旦投入使用將取代GOES-15成為美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局運(yùn)行中的西部業(yè)務(wù)星，與GOES-16協(xié)同工作。GOES-17利用GOES-16上革命性的新技術(shù)，將衛(wèi)星覆蓋范圍擴(kuò)大到西半球大部分地區(qū)，從非洲西海岸到新西蘭，從北極圈附近到南極圈附近。

GOES-T原定于2020年發(fā)射，由于GOES-17先進(jìn)基線成像儀冷卻系統(tǒng)異常而推遲。NOAA正在對(duì)GOES-T和GOES-U的ABI散熱器進(jìn)行更改，以降低冷卻系統(tǒng)再次出現(xiàn)異常的風(fēng)險(xiǎn)。NOAA預(yù)計(jì)將在2019年初為GOES-T確定新的發(fā)射日期，GOES-U計(jì)劃在2024年發(fā)射。

2 歐洲

歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）從1977年發(fā)射第一顆靜止氣象衛(wèi)星開始，已經(jīng)發(fā)展了兩代，共成功發(fā)射11顆衛(wèi)星，第三代正在研制當(dāng)中（圖2）。

2.1 第一代靜止氣象衛(wèi)星（Meteosat First Generation，MFG）

歐洲氣象衛(wèi)星組織于1977年11月發(fā)射了第一顆靜止氣象衛(wèi)星Meteosat-1，到1997年9月2日Meteosat-7成功發(fā)射，共發(fā)射了7顆衛(wèi)星，提供了近30年的氣象數(shù)據(jù)。為了填補(bǔ)1991—1995年大西洋區(qū)域的數(shù)據(jù)空白，Meteosat-3先被西移到50°W，后又被移到75°W，這項(xiàng)臨時(shí)服務(wù)被稱為大西洋數(shù)據(jù)覆蓋（ADC）和Extended-ADC（XADC），主要對(duì)颶風(fēng)等極端天氣進(jìn)行監(jiān)控。

快速成像服務(wù)（The Rapid Scanning Service，RSS）成立于2001年9月，Meteosat-6為其提供服務(wù)到2007年后轉(zhuǎn)移到第二代靜止氣象衛(wèi)星。為了支持國(guó)際氣候試驗(yàn)INDOEX，備用氣象衛(wèi)星自1998年開始承擔(dān)印度洋數(shù)據(jù)服務(wù)（The Indian Ocean Data Coverage，IODC），最初由Meteosat-5成像儀提供數(shù)據(jù)服務(wù)，Meteosat-7從2007開始接替Meteosat-5為印度洋地區(qū)提供氣象數(shù)據(jù)，2017年以后IODC從Meteosat-7過渡到Meteosat-8。

圖2 歐洲靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展 Fig. 2 The development of geostationary meteorological satellite in the EUMETSAT

2.2 第二代靜止氣象衛(wèi)星（Meteosat Second Generation，MSG）

歐洲目前正在使用的是第二代靜止氣象衛(wèi)星（MSG），包括4顆衛(wèi)星，分別是Meteosat-8、Meteosat-9、Meteosat-10、Meteosat-11，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為7年，與MFG相比，MSG提供的數(shù)據(jù)量更大，時(shí)空分辨率更高，可用于歐洲和非洲地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)[6-8]。

Meteosat-8在印度洋上空進(jìn)行全圓盤觀測(cè)，提供搜救監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集平臺(tái)中繼服務(wù)（包括海嘯預(yù)警轉(zhuǎn)播）；Meteosat-9為Meteosat-11全圓盤掃描提供備份服務(wù)，以及為Meteosat-10快速掃描提供填縫服務(wù)；Meteosat-10于2012年7月5日發(fā)射，2013年開始定位在0°成為主要的業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星。2018年3月漂移至9.5°E開始提供快速掃描服務(wù)，每5 min為歐洲、非洲及鄰近海域提供一次圖像；Meteosat-11是目前最主要的地球同步衛(wèi)星，定位于0°，每15 min進(jìn)行一次全圓盤掃描，同時(shí)提供搜救監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集平臺(tái)中繼服務(wù)。

M S G 衛(wèi)星攜帶四種儀器：改進(jìn)型自旋可見和紅外成像儀（SEVIRI）、輻射收支平衡探測(cè)器（GERB）、數(shù)據(jù)收集平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)器（DCS）和靜止衛(wèi)星搜索救援轉(zhuǎn)發(fā)器（GEOS&R）[9]。MSG仍為自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制，但是其性能有了很大提高，掃描輻射器的通道由3個(gè)增加到12個(gè)，可見光通道的分辨率為1 km，紅外和水汽波段從5 km提高到3 km，時(shí)間分辨率從30 min提高到15 min[10]。

2.3 第三代靜止氣象衛(wèi)星（Meteosat Third Generation，MTG）

MTG是歐洲新一代靜止氣象衛(wèi)星，由歐洲氣象衛(wèi)星組織和歐洲空間局（ESA）聯(lián)合提出，以MTG-I（成像衛(wèi)星）和MTG-S（探測(cè)衛(wèi)星）雙星運(yùn)行，各自搭載不同的探測(cè)儀器。計(jì)劃發(fā)射6顆（4顆MTG-I和2顆MTG-S），設(shè)計(jì)壽命8年，采用三軸穩(wěn)定，定位于0°。

首顆MTG-I衛(wèi)星將于2021年發(fā)射，主要載荷包括組合成像儀（FCI）、閃電成像儀（LI）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及搜救系統(tǒng)。MTG-I組合成像儀10 min完成一次地球全圓盤掃描，對(duì)歐洲區(qū)域掃描需要2.5 min。FCI有16個(gè)通道，可見光空間分辨率為0.5～1 km，紅外分辨率為1～2 km。MTG-S的主要載荷包括紅外探測(cè)儀（IRS）和紫外可見光近紅外探測(cè)儀（UVN），MTG-S紅外探測(cè)儀能夠提供大氣水汽和溫度的立體分布和瞬時(shí)分布信息。

3 日本

自1977年發(fā)射第一顆GMS-1以來，日本的靜止氣象衛(wèi)星系列經(jīng)歷了三代，共成功發(fā)射9顆衛(wèi)星，其中2016年11月2日最新發(fā)射了“向日葵9號(hào)”氣象衛(wèi)星，圖3為日本靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷史。

3.1 地球靜止軌道氣象衛(wèi)星（The Geostationary Meteorological Satellite ，GMS）

日本第一代靜止氣象衛(wèi)星GMS系列是全球氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的一部分，第一顆GMS-1衛(wèi)星于1977年7月發(fā)射，1978年4月6日開始提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品。后繼又發(fā)射了GMS-2/3/4和5，GMS系列衛(wèi)星主要為西太平洋和東亞區(qū)域提供數(shù)據(jù)服務(wù)[11]。

3.2 多用途運(yùn)輸衛(wèi)星（Multi-functional Transport Satellite，MTSAT）

MTSAT是日本的第二代靜止氣象衛(wèi)星，共發(fā)射兩顆MTSAT-1R和MTSAT-2，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為15年，包括5年氣象服務(wù)和10年航空導(dǎo)航服務(wù)。MTSAT向30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)提供云圖、海面溫度、水汽分布等數(shù)據(jù)，每30 min提供一次北半球的云圖，共有5個(gè)光譜通道，可見光分辨率為1 km，紅外波段分辨率為4 km，在探測(cè)低空云霧和估算夜間海面溫度方面比GMS-5更有效。MTSAT-1R和MTSAT-2分別于2015年12月23日和2017年3月10日停止氣象服務(wù)。

3.3 向日葵-8/9（Himawari-8/9）

向日葵-8/9是日本最新一代靜止氣象衛(wèi)星，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制?！跋蛉湛?號(hào)”氣象衛(wèi)星是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的向日葵系列衛(wèi)星之一，重約3500 kg，設(shè)計(jì)壽命為15年以上。該衛(wèi)星于2014年10月7日由H2A火箭搭載發(fā)射成功[12]，位于140°E的地球靜止軌道，主要用于監(jiān)測(cè)暴雨云團(tuán)、臺(tái)風(fēng)動(dòng)向以及火山噴發(fā)等防災(zāi)領(lǐng)域。

“向日葵8號(hào)”攜帶三臺(tái)有效載荷：高級(jí)“向日葵”成像儀（AHI），空間環(huán)境數(shù)據(jù)獲取監(jiān)控器（SEDA）和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（DCS）?！跋蛉湛背上駜x是衛(wèi)星的主要儀器，有16個(gè)通道，可見光空間分辨率為0.5～1 km，紅外分辨率為1～2 km，衛(wèi)星能夠收集云量、氣溫、風(fēng)、降水和氣溶膠分布數(shù)據(jù)?？臻g環(huán)境數(shù)據(jù)獲取監(jiān)控器收集空間輻射數(shù)據(jù)，研究入射質(zhì)子和電子數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是一種通信載荷，用于收集和傳遞來自地面氣象站的分析數(shù)據(jù)。

圖 3 日本靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展 Fig. 3 The development of geostationary meteorological satellite in Japan

“向日葵8號(hào)”觀測(cè)頻率從“向日葵7號(hào)”衛(wèi)星的每30 min一次縮短至10 min一次，在日本周邊縮短至2.5 min一次。通過“向日葵8號(hào)”能及時(shí)觀測(cè)到迅速變化的云層，詳細(xì)掌握海面水溫分布和火山灰的擴(kuò)散情況，并有望提高對(duì)臺(tái)風(fēng)、暴雨等災(zāi)害的預(yù)報(bào)精度。與“向日葵”系列之前的氣象衛(wèi)星相比，“向日葵8號(hào)”性能大幅提高，有助提高天氣預(yù)報(bào)的精確度。

“向日葵9號(hào)”于2016年11月2日在日本種子島發(fā)射升空，定位于145.2°E的地球靜止軌道，發(fā)射初期作為備用衛(wèi)星待機(jī)，計(jì)劃在2022年投入使用。

4 中國(guó)

中國(guó)從20世紀(jì)80年代開始地球靜止氣象衛(wèi)星和地面應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)，第一顆地球靜止氣象衛(wèi)星FY-2A于1997年6月10日，利用長(zhǎng)征三號(hào)火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，6月17日定點(diǎn)于105°E赤道上空，由此開始了我國(guó)地球靜止氣象衛(wèi)星在軌運(yùn)行的時(shí)代（圖4）。

4.1 第一代風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星

我國(guó)第一代地球靜止氣象衛(wèi)星分為三個(gè)批次：01批衛(wèi)星包括2顆星——FY-2A和FY-2B，屬于試驗(yàn)型地球靜止氣象衛(wèi)星；02批有3顆衛(wèi)星——FY-2C、FY-2D和FY-2E，為業(yè)務(wù)型地球靜止氣象衛(wèi)星，相對(duì)01批衛(wèi)星，02批衛(wèi)星技術(shù)性能有較大改進(jìn)，主要包括星載掃描輻射計(jì)由01批的3通道增加到5通道，增加了星上蓄電池供電能力等；03批有3顆衛(wèi)星——FY-2F、FY-2G和FY-2H，增加03批衛(wèi)星的主要目的是確保在軌運(yùn)行的第一代地球靜止氣象衛(wèi)星向第二代靜止氣象衛(wèi)星連續(xù)、穩(wěn)定地過渡。

2018年6月5日，F(xiàn)Y-2H氣象衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭發(fā)射升空,這是我國(guó)第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號(hào)的最后一顆。FY-2H星繼承了風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，定點(diǎn)于79°E，與之前定點(diǎn)于86.5°E的FY-2E星實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)接替并往西布局，使得風(fēng)云衛(wèi)星在軌布局更好地覆蓋我國(guó)天氣系統(tǒng)上游地區(qū)和“一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)，2018年11月30日FY-2H星交付給中國(guó)氣象局，并于2019年1月1日正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。

到2018年為止中國(guó)已成功發(fā)射9顆地球靜止氣象衛(wèi)星，目前在軌運(yùn)行的第一代靜止氣象衛(wèi)星有4顆，其中風(fēng)云二號(hào)02批的FY-2E在2019年1月11日正式退出業(yè)務(wù)運(yùn)行，開始承擔(dān)在軌備份任務(wù)。風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星均為業(yè)務(wù)星，F(xiàn)Y-2G每天28副全圓盤觀測(cè)（包括4次測(cè)風(fēng)觀測(cè)），即每小時(shí)觀測(cè)1次。FY-2F日常和FY-2G相同的觀測(cè)模式，應(yīng)急觀測(cè)時(shí)用于安排6 min區(qū)域加密觀測(cè)任務(wù)[13]。FY-2H在28副全圓盤觀測(cè)的基礎(chǔ)上，增加20次北半球觀測(cè)，等效于每小時(shí)觀測(cè)我國(guó)及周邊2次。

4.2 第二代風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星

圖 4 中國(guó)靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展 Fig. 4 The development of geostationary meteorological satellite in China

FY-4A是我國(guó)第二代靜止氣象衛(wèi)星的首發(fā)星[14]，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制，裝載多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI）、干涉式大氣垂直探測(cè)儀（GIIRS）、閃電成像儀（LMI）、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器組（SEP）等4個(gè)有效載荷[15]，相比自旋穩(wěn)定的風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星，F(xiàn)Y-4A衛(wèi)星的功能和性能實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展（表1），除新增大氣垂直探測(cè)和閃電觀測(cè)功能外[16]，裝載的多通道掃描成像輻射計(jì)和空間天氣儀器的性能也顯著提高，AGRI觀測(cè)通道由5個(gè)擴(kuò)展到14個(gè)，全圓盤觀測(cè)時(shí)間由30 min提高到15 min，最高空間分辨率從1.25 km提高到0.5 km，極大提升了云圖觀測(cè)能力，進(jìn)一步提高中小尺度的天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)水平[17-18]，空間環(huán)境檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)太陽活動(dòng)和空間環(huán)境，為空間天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和研究提供數(shù)據(jù)[19]。

FY-4A在國(guó)際靜止軌道氣象衛(wèi)星中首次裝載了干涉式大氣垂直探測(cè)儀，光譜探測(cè)通道達(dá)1648個(gè)，可在垂直方向上對(duì)大氣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度定量探測(cè)，如同對(duì)大氣進(jìn)行CT掃描，進(jìn)一步提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性[20]。

FY-4A自2018年5月1日正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，提供了云、輻射、溫濕度、大氣、云導(dǎo)風(fēng)、閃電等34種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，可更加精確地開展天氣監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)。閃電儀每秒可拍500張閃電圖，在國(guó)內(nèi)首次提供閃電預(yù)警。FY-4A可每3 min對(duì)臺(tái)風(fēng)區(qū)域進(jìn)行一次觀測(cè)[21]，彌補(bǔ)目前在軌衛(wèi)星云圖時(shí)間分辨率不夠高的缺點(diǎn)，還將對(duì)災(zāi)害及環(huán)境監(jiān)測(cè)、人工影響天氣、空間天氣研究等提供有力支撐。風(fēng)云四號(hào)02星（FY-2B）預(yù)計(jì)2019年底發(fā)射。

表1 風(fēng)云四號(hào)與風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星性能的對(duì)比 Table 1 Comparison of the performance of FY-4A and FY-2

第一顆地球靜止氣象衛(wèi)星FY-2A于1997年6月10日發(fā)射升空，經(jīng)過20多年的發(fā)展，先后發(fā)射了三批共8顆第一代靜止氣象衛(wèi)星，2016年12月11日，新一代靜止氣象衛(wèi)星FY-4A成功發(fā)射，F(xiàn)Y-4A在載荷數(shù)量、波段數(shù)目、時(shí)空分辨率、衛(wèi)星壽命等方面實(shí)現(xiàn)跨越式提升，F(xiàn)Y-4A兼具高頻次、高分辨率、垂直探測(cè)和機(jī)動(dòng)加密觀測(cè)能力，提供的原始數(shù)據(jù)是風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星的80倍，處理生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)則是其160倍[18]，反演生成的輻射、大氣、云、地表等多種定量遙感產(chǎn)品可用于天氣分析、數(shù)值預(yù)報(bào)、氣象服務(wù)以及空間天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)，提高天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)水平，為減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

5 其他國(guó)家

5.1 俄羅斯

GOMS-1，也被稱為Electro1，是俄羅斯第一顆試驗(yàn)性地球同步靜止氣象衛(wèi)星，于1994年11月發(fā)射成功，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制，設(shè)計(jì)壽命3年，搭載兩波段的掃描輻射計(jì)，最后于2000年退役，GOMS-1由于技術(shù)問題從未全面投入運(yùn)行。

Electro-L是俄羅斯第二代靜止氣象衛(wèi)星，計(jì)劃發(fā)射五顆（Electro-L.N1～N5），Electro-L.N1/N2分別于2011年1月、2015年11月發(fā)射成功，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為10年，主要載荷有成像儀（MSU-GS）、光電地球物理儀器組（GGAK-E）、數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)（ODSS）和搜救系統(tǒng)（GEOSAR）。MSU-GS有10個(gè)光譜通道，包括3個(gè)可見光和7個(gè)紅外通道、15 min完成一次全圓盤掃描，可見光空間分辨率為1 km，紅外分辨率為1～4 km。

5.2 印度

1982年，印度首顆通信、氣象衛(wèi)星INSAT-1A成功發(fā)射，INSAT-1系列主要用于印度和印度洋的氣象觀測(cè)和通信服務(wù)，由美國(guó)研制和發(fā)射。該系列衛(wèi)星共發(fā)射了4 顆（1982—1990年），有效載荷包括高分辨率輻射計(jì)（VHRR）和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（DCS），可見光分辨率為2.7 km，紅外波段為11 km。INSAT-2系列共發(fā)射5顆（1992—1999年），INSAT-2A、2B為多用途衛(wèi)星，INSAT-2C和2D為專用通信衛(wèi)星，NSAT-2E是第二代INSAT-2系列的最后一顆，也是INSAT-3系列的先導(dǎo)，搭載高分辨率輻射計(jì)和1 km分辨率的3通道CCD攝像機(jī)[22]。

INSAT-3系列是一種多用途衛(wèi)星，支持通信、電視廣播、氣象和衛(wèi)星輔助搜救。目前業(yè)務(wù)運(yùn)行的有2顆：INSAT-3D和INSAT-3DR，搭載的儀器包括VHRR/2、CCD相機(jī)、DCS和衛(wèi)星輔助搜救系統(tǒng)（SAS&R）。VHRR/2是搭載在INSAT-2系列上的VHRR傳統(tǒng)成像儀的改進(jìn)型，可見光波段的空間分辨率為2 km，其余波段為8 km。

5.3 韓國(guó)

2010年6月，韓國(guó)第一顆靜止氣象衛(wèi)星GEOKOMPSAT-1發(fā)射成功，該衛(wèi)星具備通信、海洋監(jiān)測(cè)和氣象等多種功能[3]。

GEO-KOMPSAT-2是韓國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星，繼承GEO-KOMPSAT-1觀測(cè)天氣和海洋環(huán)境的任務(wù)，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)朝鮮半島周圍環(huán)境的能力。計(jì)劃發(fā)射兩顆多用途衛(wèi)星：GEO-KOMPSAT-2A用于氣象任務(wù)，GEOKOMPSAT-2B用于海洋和環(huán)境監(jiān)測(cè)。GEO-KOMPSAT-2A于2018年12月4日發(fā)射升空，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命10年，主要載荷有成像儀（AMI）和空間環(huán)境探測(cè)儀（KSEM）。成像儀AMI有16個(gè)光譜通道，全圓盤掃描需要10 min，可見光空間分辨率為0.5 km，紅外分辨率為1～2 km，GEO-KOMPSAT-2B計(jì)劃于2019年發(fā)射。

6 總結(jié)與展望

靜止氣象衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展了四十多年，新一代靜止氣象衛(wèi)星在觀測(cè)模式、衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命、載荷性能等方面都有顯著提高，表2總結(jié)了不同時(shí)期各國(guó)靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展。

相比美國(guó)、歐洲和日本，我國(guó)的靜止氣象衛(wèi)星起步較晚，經(jīng)過氣象工作者多年的不懈努力，我國(guó)靜止氣象衛(wèi)星的技術(shù)水平已經(jīng)從追趕發(fā)展到水平相當(dāng)甚至領(lǐng)先的階段。FY-4A搭載的儀器數(shù)量和種類在同期新一代靜止氣象衛(wèi)星當(dāng)中是最多的。多通道掃描成像輻射計(jì)是靜止氣象衛(wèi)星的主要載荷，表3總結(jié)了中國(guó)、美國(guó)、歐洲和日本新一代靜止氣象衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計(jì)波段特性，在波段設(shè)置方面，F(xiàn)Y-4A共有14個(gè)通道，波段設(shè)置和數(shù)量上各國(guó)比較接近[23]；在空間分辨率方面，可見光波段分辨率為0.5～1 km，中波紅外波段為2 km，長(zhǎng)波紅外波段達(dá)到4 km，與ABI和AHI長(zhǎng)波紅外波段的2 km相比，F(xiàn)Y-4A的空間分辨率較低，主要受限于制冷器和探測(cè)儀的研制水平。FY-4A全圓盤成像時(shí)間為15 min，和ABI和AHI的10 min全圓盤成像相比略有差距；干涉式大氣探測(cè)儀在世界上首次實(shí)現(xiàn)了在靜止軌道的大氣垂直探測(cè)，可獲取大氣溫濕度廓線，處于國(guó)際領(lǐng)先水平；閃電成像儀首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞洲、大洋洲區(qū)域的靜止軌道閃電持續(xù)觀測(cè)，國(guó)外僅美國(guó)新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星GOES-R系列衛(wèi)星搭載了靜止軌道閃電成像儀對(duì)西半球美洲區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)[24]。展望未來，隨著衛(wèi)星技術(shù)性能的全面升級(jí)，新一代靜止衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)變革性飛躍，利用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制的大型遙感平臺(tái)，避免自旋穩(wěn)定姿態(tài)工作平臺(tái)的局限性，衛(wèi)星搭載多種載荷同時(shí)工作，多種環(huán)境探測(cè)能力集成發(fā)展，在FY-4后繼衛(wèi)星的建設(shè)中，繼續(xù)保持我國(guó)大氣垂直探測(cè)儀的優(yōu)勢(shì)，提升多通道掃描成像輻射計(jì)的時(shí)空分辨率，努力達(dá)到甚至超越國(guó)際先進(jìn)水平。

表2 不同時(shí)期各國(guó)靜止氣象衛(wèi)星的性能對(duì)比 Table 2 Performance comparison of geostationary meteorological satellite of different countries in different periods

表3 新一代靜止氣象衛(wèi)星成像儀波段特性 Table 3 Channel characteristics of the new generation geostationary meteorological satellite imager