淺析美國國防氣象衛(wèi)星發(fā)展歷程及經(jīng)驗(yàn)

■ 葉夢姝 樊奕茜

2017年，太空和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心主導(dǎo)成立了太空企業(yè)聯(lián)盟（SpEC），旨在通過簡化合同流程、弱化太空初創(chuàng)公司和軍事買家的文化差異、允許承包商共同投資項(xiàng)目，來保持國防訂單的開放性，吸引以前未與國防部合作過的公司在內(nèi)的各種成員公司響應(yīng)研發(fā)活動。

美國國防氣象衛(wèi)星項(xiàng)目（DMSP）是世界上發(fā)展歷史最為悠久、產(chǎn)品應(yīng)用范圍最為廣泛的氣象衛(wèi)星項(xiàng)目之一。本文從技術(shù)發(fā)展和項(xiàng)目組織兩個角度出發(fā)，梳理了在美國氣象衛(wèi)星技術(shù)飛速發(fā)展的大背景下，DMSP項(xiàng)目從1960年代至今走過的三個發(fā)展階段。嘗試梳理了DMSP項(xiàng)目發(fā)展過程中形成的三條經(jīng)驗(yàn)，包括SSMIS儀器設(shè)計(jì)和產(chǎn)品迭代的持續(xù)性，在美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）主導(dǎo)下資料應(yīng)用的開放性，探討該系列衛(wèi)星在不同時期技術(shù)探索的前瞻性，對我國氣象衛(wèi)星國家戰(zhàn)略具有一定的啟發(fā)性。

1 DMSP項(xiàng)目三個發(fā)展階段

1960年，美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星泰羅斯-1（Tiros-1）。從此，氣象衛(wèi)星的研究和應(yīng)用蓬勃發(fā)展，推動大氣科學(xué)進(jìn)入了全新的時代。從冷戰(zhàn)時期的美蘇衛(wèi)星競賽，到和平年代的歐美衛(wèi)星合作，美國一直處于氣象衛(wèi)星研發(fā)和衛(wèi)星氣象應(yīng)用的國際領(lǐng)先地位。在技術(shù)上，由美國國防部（DOD）負(fù)責(zé)的美國國防氣象衛(wèi)星項(xiàng)目（DMSP）作為美國氣象衛(wèi)星戰(zhàn)略布局中的重要組成部分，和同期美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、美國國家航空航天局（NASA）主導(dǎo)的氣象和地球觀測衛(wèi)星同步發(fā)展，但同時又因獨(dú)特的戰(zhàn)略定位發(fā)展出了差異化的技術(shù)側(cè)重。在研發(fā)模式上，美國軍方雄厚的資金支持，以及政府、研究機(jī)構(gòu)、軍企合作研發(fā)模式，使得DMSP項(xiàng)目走出了一條獨(dú)特的發(fā)展之路。

1.1 1960—1980年代：衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)階段

1960年代，美國陸續(xù)啟動了四個國防衛(wèi)星計(jì)劃，分別是國防衛(wèi)星通信系統(tǒng) （DSCS）、國防氣象衛(wèi)星計(jì)劃（DMSP）、國防支持計(jì)劃（DSP）和全球定位系統(tǒng)（GPS），其中國防氣象衛(wèi)星項(xiàng)目最初旨在開發(fā)一個專注于云層攝影的氣象系統(tǒng)，滿足和支持戰(zhàn)略空軍司令部（SAC）和國防情報(bào)局（NRO）的偵察需求。DMSP項(xiàng)目衛(wèi)星研發(fā)從衛(wèi)星批次（Block）考慮，Block 1～4均為實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，和10顆泰羅斯實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、9顆艾薩業(yè)務(wù)衛(wèi)星，以及同期雨云（Nimbus）實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星相似，主要通過類似照相機(jī)和攝像機(jī)的載荷完成的光學(xué)成像。隨著1972年發(fā)射的諾阿-2（NOAA-2）衛(wèi)星標(biāo)志著光電攝像時代的結(jié)束以及多通道高分辨率掃描輻射計(jì)時代的開始，1975年發(fā)射的DMSP的Block 5衛(wèi)星在衛(wèi)星重量及載荷數(shù)量也得到了大幅度提升，并在1976年通過“業(yè)務(wù)線掃描系統(tǒng)（OLS）”得到像素級別的數(shù)據(jù)，在可見光和紅外成像基礎(chǔ)上逐漸拓展至微波頻段。

從項(xiàng)目組織上來看，DMSP隸屬國防部，是美國空軍、海軍在太空領(lǐng)域的探索性聯(lián)合項(xiàng)目。位于加利福尼亞州洛杉磯空軍基地的太空和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）負(fù)責(zé)項(xiàng)目管理，位于華盛頓的美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）負(fù)責(zé)載荷研發(fā)和定標(biāo)校準(zhǔn)。SMC于1954年成立，是美國國防系統(tǒng)中歷史最悠久的機(jī)構(gòu)之一。2019 年美國太空軍成立時，SMC更名為“太空系統(tǒng)司令部”。NRL于1923年建立，1950年代后一度成為空間科學(xué)技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，曾成功研制并發(fā)射了美國第二顆人造衛(wèi)星——先鋒一號（Vanguard I），這是目前仍在存續(xù)在太空的歷史最為悠久的人造衛(wèi)星。無論是SMC還是NRL，都是歷史悠久、空間研發(fā)力量雄厚的政府軍事部門，它們的聯(lián)合為DMSP項(xiàng)目的最初起步打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

總的來看，DMSP項(xiàng)目從Block 1到Block 5的 F7衛(wèi)星，從衛(wèi)星技術(shù)上來看均處于試驗(yàn)探索階段，嘗試不同載荷、測試極軌衛(wèi)星技術(shù)、在遙感技術(shù)上不斷精進(jìn)，雖然在越南戰(zhàn)爭中初步展示了氣象偵察能力，但真正業(yè)務(wù)化、廣泛的應(yīng)用尚未開始。

1.2 1980—2000年代：軍民差異化探索階段

隨著1973年DMSP項(xiàng)目解密，數(shù)據(jù)向民間和科學(xué)界公開，國防和民用衛(wèi)星形成了“并駕齊驅(qū)”的布局，并在1980年代后明確了各自定位，呈現(xiàn)出差異化發(fā)展的態(tài)勢。民用氣象衛(wèi)星的重點(diǎn)在于利用全球可見光紅外成像滿足民用天氣預(yù)報(bào)分析的需要，并且持續(xù)努力改進(jìn)全球大氣垂直探測，以促進(jìn)全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展。例如，針對特殊吸收光譜設(shè)計(jì)探測儀器并不斷提高探測器的信噪比，技術(shù)方法上利用多波段觀測儀器沿著衛(wèi)星前進(jìn)軌道跨軌掃描獲得大氣溫濕度垂直廓線；國防氣象衛(wèi)星則更加側(cè)重穿云透雨看地表的能力，OLS掃描成像系統(tǒng)還包括夜間微光成像儀器，因此以優(yōu)化可見光/紅外成像功能為主要的技術(shù)改進(jìn)方向。國防氣象衛(wèi)星也有垂直探測器，但是技術(shù)路線上直到DMSP F15（1999年）以前基本上與民用氣象衛(wèi)星的大氣垂直探測儀器類似，一直到DMSP F16（2003年）以后的新儀器SSMIS，使得該儀器可以同步地獲得圓錐成像和斜程大氣探測信息。

1987年，DMSP的F8星首次搭載了SSM/I微波成像儀，該傳感器共7個通道、4種頻率，可探測海表風(fēng)速、降水強(qiáng)度、海冰覆蓋和土壤濕度等環(huán)境要素，產(chǎn)品可用于評估平均氣候狀態(tài)及其年際/季節(jié)變化。SSM/I的微波圓錐掃描成像儀器是DMSP衛(wèi)星成像觀測的一大特色和亮點(diǎn)，并不斷提高國防衛(wèi)星成像的空間分辨率。此后數(shù)十年里，SSM/I在技術(shù)迭代中保持了儀器的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的連貫性，成為了氣象衛(wèi)星微波探測最具代表性的儀器，貢獻(xiàn)了跨度達(dá)三十多年的長時間序列高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)，在氣候變化等研究領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的學(xué)術(shù)價(jià)值：一方面推動國際衛(wèi)星微波遙感技術(shù)取得了長足的發(fā)展；另一方面也幫助DMSP項(xiàng)目成為了在世界范圍內(nèi)有持續(xù)影響力的衛(wèi)星項(xiàng)目。除了SSM/I之外，可用于夜間微光探測的業(yè)務(wù)線性掃描系統(tǒng)（OLS），以及用于空間環(huán)境探測的特殊傳感器紫外成像儀（SSULI）等也是DMSP項(xiàng)目有特色的代表性儀器。

從項(xiàng)目組織上來看，美國國防部在衛(wèi)星產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用上進(jìn)行了有效探索，建立了面向軍隊(duì)、政府、高校科研機(jī)構(gòu)開放的定標(biāo)團(tuán)隊(duì)和驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)（Cal/Val Team），通過“科研向業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化機(jī)制”面向針對性需求。在美國國防部相關(guān)研究機(jī)構(gòu)深厚的理論基礎(chǔ)和產(chǎn)品研發(fā)能力、開放的應(yīng)用機(jī)制、有效的項(xiàng)目管理能力共同支撐下，DMSP項(xiàng)目在1980年代末—1990年代初初取得了快速發(fā)展。由于美國防部在氣象衛(wèi)星研發(fā)上的經(jīng)驗(yàn)和理念得到了充分認(rèn)可，1994 年白宮指示國防部（DOD）、商務(wù)部（DOC）以及宇航局（NASA）的極地軌道氣象衛(wèi)星計(jì)劃合并運(yùn)營，空軍負(fù)責(zé)系統(tǒng)開發(fā)和采購，NOAA衛(wèi)星業(yè)務(wù)辦公室負(fù)責(zé)衛(wèi)星運(yùn)維。但遺憾的是，由于三個不同政府部門的應(yīng)用需求優(yōu)先級差異，以及預(yù)算管理方面的風(fēng)格差異，導(dǎo)致合并后的項(xiàng)目持續(xù)超支，極軌衛(wèi)星合并計(jì)劃在執(zhí)行一段時間后被迫解體。

1.3 2000年代至今：協(xié)同發(fā)展階段

進(jìn)入21世紀(jì)，NOAA民用極軌氣象衛(wèi)星發(fā)展迅速。微波廓線儀（AMSU）、掃描干涉大氣探測器（CrIS）、先進(jìn)技術(shù)微波廓線儀（ATMS）等一批更高光譜、更多通道、更高分辨率的探測儀器，支撐了衛(wèi)星數(shù)據(jù)在高分辨率地球系統(tǒng)數(shù)值模擬中的大規(guī)模應(yīng)用。2003年，DMSP項(xiàng)目的F16星也曾進(jìn)行了一次重大升級。主要是將DMSP的F15以前的相互分離的圓錐成像（SSM/I）和橫跨軌跡大氣垂直探測（大氣溫度廓線探測儀SSM/T和大氣濕度廓線SSM/T-2）融合為一體的新儀器SSMIS，使得該儀器可以同步地獲得圓錐成像和斜程大氣探測信息。儀器通道增加到24個、21種頻率，可探測近地表風(fēng)速，水汽、云水、雪，在洋面風(fēng)等陸面參數(shù)反演的基礎(chǔ)上，也具備了大氣探測功能。二是更新了太空環(huán)境探測器SSULI和SSUSI，探測高度可以達(dá)到100 km左右，探測來自地球大氣和電離層的紫外線輻射，滿足導(dǎo)彈探測和發(fā)射保障等涉及到高層大氣和空間環(huán)境的國防需求。與此同時，美國的氣象業(yè)務(wù)極軌衛(wèi)星主要定位在下午軌道，具有相似探測水平的歐洲的MetOp系列衛(wèi)星定位為上午軌道，與美國國防衛(wèi)星的晨昏軌道，形成了三足鼎立的協(xié)同發(fā)展布局。

在組織運(yùn)營方面，美國國防部不斷完善同上下游、大中小軍企的合作機(jī)制。從1960年代起就和美國空軍合作密切的非營利性企業(yè)航天公司（Aerospace Corporation）從DMSP項(xiàng)目的策劃階段，就承擔(dān)了軍事氣象衛(wèi)星需求研究工作，并從1970年代中期起承擔(dān)了DMSP的一般系統(tǒng)工程和集成責(zé)任。美國無線電公司（RCA）及后來并入到的洛克西德·馬丁公司，更是作為主承包商，在50多年的時間里和美國空軍在DMSP項(xiàng)目上保持著合作。與此同時，2017年，SMC主導(dǎo)成立了太空企業(yè)聯(lián)盟（Space Enterprise Consortium，SpEC），旨在通過簡化合同流程、弱化太空初創(chuàng)公司和軍事買家的文化差異、允許承包商共同投資項(xiàng)目，來保持國防訂單的開放性，吸引以前未與國防部合作過的公司在內(nèi)的各種成員公司響應(yīng)研發(fā)活動。

2 DMSP項(xiàng)目發(fā)展經(jīng)驗(yàn)

2.1 儀器產(chǎn)品持續(xù)性

在DMSP衛(wèi)星上搭載微波成像儀（SSM/I）和微波成像儀/輻射計(jì)（SSMIS） 是NASA“探路者計(jì)劃”的一部分。SSM/I是一種七通道無源微波成像儀，1987年至今，分別被搭載在DMSP的F8（1987年）、F10（1990年12月）、F11（1991年11月）、F12（1994年8月）、F13（1995年3月）、F14（1997年4月）和 F15（1999年12月）衛(wèi)星上，2003年后升級為SSMIS，是第一個提供大氣溫度和水汽剖面信息的錐形掃描探測儀器，在19～183 GHz的24個通道上測量從地球發(fā)射的熱輻射，分別搭載在DMSP的F16（2003年10月）、F17（2006年11 月）、F18（2009年10月）和F19（2014年4月）衛(wèi)星上。SSM/I和SSMIS月平均產(chǎn)品包括降水、云液態(tài)水、可降水總量、積雪和海冰范圍，可用于評估平均氣候狀態(tài)及其年際/季節(jié)變化，并檢測與大尺度（例如ENSO和北極濤動）和區(qū)域氣候變化相關(guān)的異常。

和超長時間的儀器部署連續(xù)性相伴隨的，還有衛(wèi)星遙感產(chǎn)品研發(fā)的持續(xù)性。負(fù)責(zé)儀器和產(chǎn)品研發(fā)的美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）在衛(wèi)星資料質(zhì)量控制上做了大量工作：一是非常注重不同衛(wèi)星上同一個載荷的數(shù)據(jù)質(zhì)控，在亮溫水平上進(jìn)行了仔細(xì)的校準(zhǔn)，使得這一長時間序列探測數(shù)據(jù)集保持了連續(xù)性和氣候均一性，產(chǎn)品的整體誤差幾乎沒有變化；二是伴隨著儀器制造工藝和衛(wèi)星應(yīng)用算法的不斷升級，在開展業(yè)務(wù)應(yīng)用的同時申請單獨(dú)的經(jīng)費(fèi)，不斷使用最先進(jìn)的算法對歷史數(shù)據(jù)開展持續(xù)性的“再分析”，既彌補(bǔ)了因業(yè)務(wù)技術(shù)升級形成的數(shù)據(jù)集不連續(xù)，也保證了氣候數(shù)據(jù)集制作技術(shù)的與時俱進(jìn)。正如一位同化專家所說，正是由于很多科學(xué)家對該數(shù)據(jù)集持續(xù)不斷地研究迭代，用的人多了，就使得這個數(shù)據(jù)集成為了“經(jīng)典”。

通過以上兩個措施，SSM/I和SSMIS被反復(fù)打磨成為了一套經(jīng)典的氣候研究數(shù)據(jù)集，成為可以媲美MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）的高引用衛(wèi)星資料，不僅在ERA5再分析數(shù)據(jù)集的制作中發(fā)揮了重要作用，在ECMWF數(shù)值預(yù)報(bào)貢獻(xiàn)度排名中，DMSP F17和F18的SSMIS資料均榜上有名。與此同時，不斷深入開展的“再分析”過程也孵化了對遙感領(lǐng)域科學(xué)問題的研究，通過密切的團(tuán)隊(duì)合作培養(yǎng)出了一批專注衛(wèi)星資料研發(fā)的國際頂尖人才。

2.2 資料應(yīng)用開放性

高度持續(xù)的開放性是影響一個衛(wèi)星計(jì)劃是否成功的重要因素之一，這一點(diǎn)已經(jīng)成為了從衛(wèi)星設(shè)計(jì)到產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用整個鏈條科學(xué)家們的共識。在研發(fā)端，需要確保新理論、新模式、新算法能夠不斷地融入到衛(wèi)星業(yè)務(wù)體系中，在應(yīng)用端，如果這個衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域越多、方法越全面，衛(wèi)星資料越容易成為經(jīng)典，也能夠反哺衛(wèi)星研發(fā)項(xiàng)目，獲得持續(xù)發(fā)展。

美國國防部為推進(jìn)DMSP衛(wèi)星資料的應(yīng)用，以美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）為核心，建立了一套資料研發(fā)和應(yīng)用機(jī)制。NRL的航天器工程部和空間科學(xué)部負(fù)責(zé)衛(wèi)星儀器開發(fā)，傳感器研究部負(fù)責(zé)載荷的校準(zhǔn)和定標(biāo)等工作。在1980年代，NRL憑借大氣探測遙感深厚的理論積淀，在地球輻射偏振效應(yīng)、多頻率效應(yīng)、圓錐掃描成像、海洋散射發(fā)射理論等方面的研究具有領(lǐng)先地位。

NRL召集了一個開放性的產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)——定標(biāo)驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)（Cal/Val Team），該團(tuán)隊(duì)由40位左右專家學(xué)者組成，分為十幾個小組，包括海風(fēng)、大氣、液態(tài)水等，每個小組只有約3～4位專家。該團(tuán)隊(duì)對NOAA、NASA等美國政府機(jī)構(gòu)，以及高等院校、國家實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)開放，由國防部設(shè)立專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，發(fā)放給參與團(tuán)隊(duì)的各機(jī)構(gòu)和大學(xué)。例如，NOAA有5～6個人參與到團(tuán)隊(duì)中，主要關(guān)注DMSP項(xiàng)目的衛(wèi)星數(shù)據(jù)如何用到大氣探測領(lǐng)域，尤其是降水、大氣中云、水汽等氣象領(lǐng)域關(guān)注的要素；威斯康星州立大學(xué)等高校主要用微波成像儀得到的新資料，拿來驗(yàn)證輻射傳輸理論等。這種開放性的產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用模式取得了巨大成功，并在1990年代后在NASA等機(jī)構(gòu)得到了推廣應(yīng)用。為給業(yè)務(wù)用戶提供足夠的支持，建立了“科研向業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化機(jī)制”，由政府和高校模式中心、試驗(yàn)基地、原型設(shè)計(jì)中心組成，具體包括NASA、美國國家科學(xué)基金會資助的波士頓大學(xué)綜合空間天氣建模中心（CISM）、美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）、空軍氣象局（AFWA）、NOAA 空間天氣預(yù)報(bào)中心、空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）等的研發(fā)人員。

2.3 衛(wèi)星技術(shù)前瞻性

相比較業(yè)務(wù)衛(wèi)星的穩(wěn)扎穩(wěn)打和為支撐業(yè)務(wù)持續(xù)性的剛需，國防衛(wèi)星更重視技術(shù)的前瞻性，沒有支撐業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)預(yù)測和公共服務(wù)的業(yè)務(wù)壓力，因此更多的投資在為未來發(fā)展做技術(shù)儲備，而不是體現(xiàn)在對當(dāng)下業(yè)務(wù)的支撐。例如1970年代NRL制造了可應(yīng)用于太空環(huán)境的原子鐘及其原型系統(tǒng)，從而使得目前應(yīng)用極為廣泛的全球定位系統(tǒng)成為可能，關(guān)心未來的戰(zhàn)略領(lǐng)域，NRL開展范圍廣泛和科學(xué)研究和先進(jìn)技術(shù)發(fā)展，領(lǐng)域包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、等離子體物理、聲學(xué)、雷達(dá)、流體動力學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)科學(xué)、凝聚態(tài)與輻射科學(xué)、電子科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、海洋地球科學(xué)、遙感、海洋學(xué)、海洋氣象學(xué)、空間技術(shù)和空間科學(xué)等。

對于DMSP項(xiàng)目，其儀器的探測高度均為80～100 km，用于支撐未來可能的空間探測需求，以及空間模式的發(fā)展，而針對目前數(shù)值模式層頂約為80 km的需求，NOAA的氣象衛(wèi)星儀器探測高度一般為70 km左右。美國國防部也率先開展了立方體衛(wèi)星和星座計(jì)劃的技術(shù)嘗試，并將分散化、小型化、輕量化、低成本的理念應(yīng)用到了國防氣象衛(wèi)星的研發(fā)中。DMSP的換代衛(wèi)星，將傳統(tǒng)集成在一個平臺上的多個儀器分散到多顆衛(wèi)星上，以降低項(xiàng)目運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)、縮短研發(fā)周期。同時研發(fā)小型化的衛(wèi)星觀測儀器，例如將傳統(tǒng)的黑體定標(biāo)發(fā)展為噪聲源定標(biāo)，壓縮衛(wèi)星的體積，以適用于更小型化的立方體衛(wèi)星。

3 結(jié)果討論和啟示

美國國防氣象衛(wèi)星經(jīng)過60年的發(fā)展，已經(jīng)成為了美國氣象衛(wèi)星布局中重要的組成部分，共同構(gòu)成了軍民協(xié)同、政商互補(bǔ)、美歐聯(lián)動的氣象衛(wèi)星生態(tài)。近年來，國防氣象衛(wèi)星換代計(jì)劃中，在儀器小型化、平臺分散化、研發(fā)市場化等方面的探索，在一定程度上代表了美國氣象衛(wèi)星整體的發(fā)展趨勢。美國國防氣象衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，對于我國整合氣象衛(wèi)星國家戰(zhàn)略科技力量，建立健康可持續(xù)的衛(wèi)星研發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同部門衛(wèi)星氣象應(yīng)用協(xié)同發(fā)展，激活企業(yè)在科技創(chuàng)新方面的活力，打通從科研到業(yè)務(wù)到產(chǎn)業(yè)的研發(fā)應(yīng)用鏈條，具有一定的參考價(jià)值。

致謝：本文在寫作過程中，與多位專家進(jìn)行了詳實(shí)、有意義和廣泛的討論，讓作者得到很多啟發(fā)性的思路。審稿專家提出的具體修改意見，為完善本文起到積極作用，特向這些專家致謝！

深入閱讀

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