世界各國靜止氣象衛星發展綜述

何興偉 馮小虎 韓琦 康寧 郭強 彭藝

（國家衛星氣象中心，北京 100081）

0 引言

自美國1975年10月17日成功發射第一顆地球靜止環境業務衛星GOES-A開始，世界各國陸續開始研制自己的靜止氣象衛星。從歐洲的Meteosat-1、日本的GMS-1、中國的FY-2A等第一代靜止氣象衛星發展到美國的GOES-R系列、歐洲的MTG、日本的Himawari-8/9、中國的FY-4A等新一代靜止氣象衛星，靜止氣象衛星發展了三代，衛星平臺從自旋穩定發展到三軸穩定姿態控制方式，衛星載荷也從搭載單一的成像儀到多載荷并行工作[1]，靜止氣象衛星事業取得了巨大的進步。

隨著技術的迅速發展，衛星的設計壽命、時空分辨率、提供的數據量等大幅度提升，靜止氣象衛星在全球的天氣預報、自然災害監測與防護服務中發揮越來越重要的作用。本文從氣象衛星發展概述出發，分別重點介紹了美國、歐洲、日本、中國等國家靜止氣象衛星的發展歷史，對不同地區不同時期的靜止衛星發展狀況進行綜合對比分析，通過比較觀測模式、衛星設計壽命、載荷性能等方面差異，能夠客觀認識我國靜止氣象衛星發展的優勢和不足，在后繼衛星的研制中，鞏固自己的優勢技術，借鑒他國的先進理念，在滿足業務需求的同時，努力尋求新的技術突破，提高衛星性能和應用。

1 美國

“地球靜止環境業務衛星”（GOES）是美國國家海洋和大氣局與美國航空航天局（NASA）共同發展的民用靜止軌道氣象衛星系列。從1975年10月17日發射第一顆地球靜止環境業務衛星GOES-A到現在的GOES-S已經歷三代，圖1詳細列出了GOES衛星的發展歷史。

1.1 第一代GOES 衛星（GOES1-7）

圖 1 美國靜止氣象衛星的發展 Fig. 1 The development of the geostationary meteorological satellite in the United States

1975年10月17日成功發射第一顆地球靜止環境業務衛星GOES-A，衛星搭載了可見光紅外掃描輻射器（VISSR），早期的GOES衛星是自旋穩定的，只在10%的時間內觀察地球[2]。從GOES-4開始增加了大氣探測儀，用于獲得大氣的溫濕度垂直分布[3]，使氣象預報員更加準確地預測霧、雪、沙塵暴等異常天氣。然而，與20世紀70年代一樣，成像儀和探測儀仍然使用相同的光學系統，兩個儀器必須輪流使用。

GOES-3作為“史上最古老的連續運行航天器之一”，從1978年6月16日發射到2016年6月29日最終退役，使用壽命為38年13天。從發射到20世紀80年代后期，GOES-3作為西部業務星觀測美國西部和北半球，1988年，GOES-3失去了業務成像能力，雖然不再捕捉有用的天氣觀測數據，但仍然可以與地面系統通信，成為太平洋的通信生命線。1995年，這顆衛星再次易手，開始成為南極的關鍵通信鏈路。

1.2 第二代GOES 衛星（GOES8-15）

從1994年4月13日發射第二代地球靜止環境業務衛星GOES-I開始，衛星的姿態控制方式采用三軸穩定，可以實現區域的靈活觀測，成像儀和探測儀光學分離同時工作，可以暫時停止對北半球的例行掃描，專注于天氣事件的區域掃描，以改善短期天氣預報。在數據的分辨率、數量和連續性方面帶來了真正的改進。氣象預報員擁有更精確的數據，可以更好地定位風暴、閃電和龍卷等具有潛在危險的天氣事件。

第二代GOES衛星搭載有5通道的成像輻射計和19通道的大氣垂直探測儀，目前三顆衛星在軌。GOES-13（75°W，2017年12月8日起被GOES-16取代，由東部業務星轉為在軌存儲）；GOES-14（105°W，在軌備份）：主要觀測美國及周邊地區；GOES-15（2018年11月7日由西部業務星位置135°W漂移到128°W）：主要觀測美國西部和北半球。

1.3 第三代GOES 衛星

地球靜止環境業務衛星GOES-R系列是美國最先進的地球同步氣象衛星機群，包括GOES-R/S/T/U衛星，它們將GOES衛星系列持續運行到2036年。GOES-R系列提供了先進的成像技術，提高了空間分辨率和時間分辨率，以進行更準確的預報，改進了對太陽活動和空間天氣的監測，提高了對直接影響公共安全、財產保護以及經濟健康的環境現象的檢測和觀察。

GOES-R也就是現在的GOES-16于2016年11月19日美國東部時間18時42分從卡納維拉爾角空軍基地發射升空。GOES-16自2017年12月8日起取代GOES-13成為美國國家海洋和大氣管理局運行中的西部業務星，觀測范圍從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衛星的首顆星，GOES-R衛星將儀器成像的時間分辨率提高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星圖像。GOES-R數據有助于改善颶風跟蹤和強度預報，包括龍卷和雷暴等惡劣天氣的預報和預警，改進降雨量估計及洪水預警。在航空領域，GOES-R衛星提供不同大氣水平云層的圖像，更好地估計風速和風向，改善航空預報和航線規劃。

GOES-R衛星設計壽命為15年，包括10年在軌運行和5年在軌備份，搭載的有效載荷包括：先進基線成像儀（ABI）、地球靜止軌道閃電繪圖儀（GLM）、太陽紫外成像儀（SUVI）、遠紫外與X射線輻照度探測器（EXIS），以及空間環境原位測量裝置（SEISS）[4]。先進基線成像儀是衛星的主要載荷，有16個探測通道，包括2個可見光、4個近紅外和10個紅外通道[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，地球全盤掃描時間為5～15 min，美國本土（3000 km×5000 km）掃描時間達到5 min，中尺度區域（1000 km×1000 km）掃描時間達到30 s。

GOES-S也就是現在的GOES-17于2018年3月1日發射升空，作為新一代地球同步氣象衛星中的第二顆，GOES-S將提供更快、更準、更詳細的數據，幾乎實時地跟蹤風暴、閃電、野火以及其他影響美國西部的自然災害。2018年11月13日GOES-17從89.5°W漂移到西部業務星衛星位置137.2°W，由于GOES-17先進基線成像儀存在技術問題，NOAA計劃將GOES-15和GOES-17同時運行至少6個月。GOES-17一旦投入使用將取代GOES-15成為美國國家海洋和大氣管理局運行中的西部業務星，與GOES-16協同工作。GOES-17利用GOES-16上革命性的新技術，將衛星覆蓋范圍擴大到西半球大部分地區，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年發射，由于GOES-17先進基線成像儀冷卻系統異常而推遲。NOAA正在對GOES-T和GOES-U的ABI散熱器進行更改，以降低冷卻系統再次出現異常的風險。NOAA預計將在2019年初為GOES-T確定新的發射日期，GOES-U計劃在2024年發射。

2 歐洲

歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT）從1977年發射第一顆靜止氣象衛星開始，已經發展了兩代，共成功發射11顆衛星，第三代正在研制當中（圖2）。

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

歐洲氣象衛星組織于1977年11月發射了第一顆靜止氣象衛星Meteosat-1，到1997年9月2日Meteosat-7成功發射，共發射了7顆衛星，提供了近30年的氣象數據。為了填補1991—1995年大西洋區域的數據空白，Meteosat-3先被西移到50°W，后又被移到75°W，這項臨時服務被稱為大西洋數據覆蓋（ADC）和Extended-ADC（XADC），主要對颶風等極端天氣進行監控。

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

圖2 歐洲靜止氣象衛星的發展 Fig. 2 The development of geostationary meteorological satellite in the EUMETSAT

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

歐洲目前正在使用的是第二代靜止氣象衛星（MSG），包括4顆衛星，分別是Meteosat-8、Meteosat-9、Meteosat-10、Meteosat-11，衛星設計壽命為7年，與MFG相比，MSG提供的數據量更大，時空分辨率更高，可用于歐洲和非洲地區的天氣預報和氣候監測[6-8]。

Meteosat-8在印度洋上空進行全圓盤觀測，提供搜救監測和數據采集平臺中繼服務（包括海嘯預警轉播）；Meteosat-9為Meteosat-11全圓盤掃描提供備份服務，以及為Meteosat-10快速掃描提供填縫服務；Meteosat-10于2012年7月5日發射，2013年開始定位在0°成為主要的業務氣象衛星。2018年3月漂移至9.5°E開始提供快速掃描服務，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星，定位于0°，每15 min進行一次全圓盤掃描，同時提供搜救監測和數據采集平臺中繼服務。

M S G 衛星攜帶四種儀器：改進型自旋可見和紅外成像儀（SEVIRI）、輻射收支平衡探測器（GERB）、數據收集平臺轉發器（DCS）和靜止衛星搜索救援轉發器（GEOS&R）[9]。MSG仍為自旋穩定姿態控制，但是其性能有了很大提高，掃描輻射器的通道由3個增加到12個，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，時間分辨率從30 min提高到15 min[10]。

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

MTG是歐洲新一代靜止氣象衛星，由歐洲氣象衛星組織和歐洲空間局（ESA）聯合提出，以MTG-I（成像衛星）和MTG-S（探測衛星）雙星運行，各自搭載不同的探測儀器。計劃發射6顆（4顆MTG-I和2顆MTG-S），設計壽命8年，采用三軸穩定，定位于0°。

首顆MTG-I衛星將于2021年發射，主要載荷包括組合成像儀（FCI）、閃電成像儀（LI）、數據采集系統以及搜救系統。MTG-I組合成像儀10 min完成一次地球全圓盤掃描，對歐洲區域掃描需要2.5 min。FCI有16個通道，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儀（IRS）和紫外可見光近紅外探測儀（UVN），MTG-S紅外探測儀能夠提供大氣水汽和溫度的立體分布和瞬時分布信息。

3 日本

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

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

日本第一代靜止氣象衛星GMS系列是全球氣象衛星系統的一部分，第一顆GMS-1衛星于1977年7月發射，1978年4月6日開始提供衛星數據產品。后繼又發射了GMS-2/3/4和5，GMS系列衛星主要為西太平洋和東亞區域提供數據服務[11]。

3.2 多用途運輸衛星（Multi-functional Transport Satellite，MTSAT）

MTSAT是日本的第二代靜止氣象衛星，共發射兩顆MTSAT-1R和MTSAT-2，采用三軸穩定姿態控制，衛星設計壽命為15年，包括5年氣象服務和10年航空導航服務。MTSAT向30多個國家和地區提供云圖、海面溫度、水汽分布等數據，每30 min提供一次北半球的云圖，共有5個光譜通道，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。

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星，采用三軸穩定姿態控制?！跋蛉湛?號”氣象衛星是日本宇宙航空研究開發機構設計制造的向日葵系列衛星之一，重約3500 kg，設計壽命為15年以上。該衛星于2014年10月7日由H2A火箭搭載發射成功[12]，位于140°E的地球靜止軌道，主要用于監測暴雨云團、臺風動向以及火山噴發等防災領域。

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

圖 3 日本靜止氣象衛星的發展 Fig. 3 The development of geostationary meteorological satellite in Japan

“向日葵8號”觀測頻率從“向日葵7號”衛星的每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”能及時觀測到迅速變化的云層，詳細掌握海面水溫分布和火山灰的擴散情況，并有望提高對臺風、暴雨等災害的預報精度。與“向日葵”系列之前的氣象衛星相比，“向日葵8號”性能大幅提高，有助提高天氣預報的精確度。

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

4 中國

中國從20世紀80年代開始地球靜止氣象衛星和地面應用系統的設計與建設，第一顆地球靜止氣象衛星FY-2A于1997年6月10日，利用長征三號火箭在西昌衛星發射中心發射成功，6月17日定點于105°E赤道上空，由此開始了我國地球靜止氣象衛星在軌運行的時代（圖4）。

4.1 第一代風云靜止氣象衛星

我國第一代地球靜止氣象衛星分為三個批次：01批衛星包括2顆星——FY-2A和FY-2B，屬于試驗型地球靜止氣象衛星；02批有3顆衛星——FY-2C、FY-2D和FY-2E，為業務型地球靜止氣象衛星，相對01批衛星，02批衛星技術性能有較大改進，主要包括星載掃描輻射計由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顆衛星——FY-2F、FY-2G和FY-2H，增加03批衛星的主要目的是確保在軌運行的第一代地球靜止氣象衛星向第二代靜止氣象衛星連續、穩定地過渡。

2018年6月5日，FY-2H氣象衛星在西昌衛星發射中心由長征三號甲運載火箭發射升空,這是我國第一代靜止軌道氣象衛星風云二號的最后一顆。FY-2H星繼承了風云二號系列衛星技術成熟、運行穩定的特點，定點于79°E，與之前定點于86.5°E的FY-2E星實現業務接替并往西布局，使得風云衛星在軌布局更好地覆蓋我國天氣系統上游地區和“一帶一路”沿線國家和地區，2018年11月30日FY-2H星交付給中國氣象局，并于2019年1月1日正式投入業務運行。

到2018年為止中國已成功發射9顆地球靜止氣象衛星，目前在軌運行的第一代靜止氣象衛星有4顆，其中風云二號02批的FY-2E在2019年1月11日正式退出業務運行，開始承擔在軌備份任務。風云二號03批衛星均為業務星，FY-2G每天28副全圓盤觀測（包括4次測風觀測），即每小時觀測1次。FY-2F日常和FY-2G相同的觀測模式，應急觀測時用于安排6 min區域加密觀測任務[13]。FY-2H在28副全圓盤觀測的基礎上，增加20次北半球觀測，等效于每小時觀測我國及周邊2次。

4.2 第二代風云靜止氣象衛星

圖 4 中國靜止氣象衛星的發展 Fig. 4 The development of geostationary meteorological satellite in China

FY-4A是我國第二代靜止氣象衛星的首發星[14]，采用三軸穩定姿態控制，裝載多通道掃描成像輻射計（AGRI）、干涉式大氣垂直探測儀（GIIRS）、閃電成像儀（LMI）、空間環境監測儀器組（SEP）等4個有效載荷[15]，相比自旋穩定的風云二號氣象衛星，FY-4A衛星的功能和性能實現了跨越式的發展（表1），除新增大氣垂直探測和閃電觀測功能外[16]，裝載的多通道掃描成像輻射計和空間天氣儀器的性能也顯著提高，AGRI觀測通道由5個擴展到14個，全圓盤觀測時間由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能力，進一步提高中小尺度的天氣監測和預報水平[17-18]，空間環境檢測儀監測太陽活動和空間環境，為空間天氣預報業務和研究提供數據[19]。

FY-4A在國際靜止軌道氣象衛星中首次裝載了干涉式大氣垂直探測儀，光譜探測通道達1648個，可在垂直方向上對大氣結構實現高精度定量探測，如同對大氣進行CT掃描，進一步提高天氣預報的準確性[20]。

FY-4A自2018年5月1日正式投入業務運行以來，提供了云、輻射、溫濕度、大氣、云導風、閃電等34種數據產品，可更加精確地開展天氣監測與預報、數值預報和氣候監測。閃電儀每秒可拍500張閃電圖，在國內首次提供閃電預警。FY-4A可每3 min對臺風區域進行一次觀測[21]，彌補目前在軌衛星云圖時間分辨率不夠高的缺點，還將對災害及環境監測、人工影響天氣、空間天氣研究等提供有力支撐。風云四號02星（FY-2B）預計2019年底發射。

表1 風云四號與風云二號衛星性能的對比 Table 1 Comparison of the performance of FY-4A and FY-2

第一顆地球靜止氣象衛星FY-2A于1997年6月10日發射升空，經過20多年的發展，先后發射了三批共8顆第一代靜止氣象衛星，2016年12月11日，新一代靜止氣象衛星FY-4A成功發射，FY-4A在載荷數量、波段數目、時空分辨率、衛星壽命等方面實現跨越式提升，FY-4A兼具高頻次、高分辨率、垂直探測和機動加密觀測能力，提供的原始數據是風云二號衛星的80倍，處理生成的產品數據則是其160倍[18]，反演生成的輻射、大氣、云、地表等多種定量遙感產品可用于天氣分析、數值預報、氣象服務以及空間天氣預報預警服務，提高天氣監測和預報水平，為減少人民生命財產損失和社會發展做出了巨大的貢獻。

5 其他國家

5.1 俄羅斯

GOMS-1，也被稱為Electro1，是俄羅斯第一顆試驗性地球同步靜止氣象衛星，于1994年11月發射成功，采用三軸穩定姿態控制，設計壽命3年，搭載兩波段的掃描輻射計，最后于2000年退役，GOMS-1由于技術問題從未全面投入運行。

Electro-L是俄羅斯第二代靜止氣象衛星，計劃發射五顆（Electro-L.N1～N5），Electro-L.N1/N2分別于2011年1月、2015年11月發射成功，衛星設計壽命為10年，主要載荷有成像儀（MSU-GS）、光電地球物理儀器組（GGAK-E）、數據采樣系統（ODSS）和搜救系統（GEOSAR）。MSU-GS有10個光譜通道，包括3個可見光和7個紅外通道、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、氣象衛星INSAT-1A成功發射，INSAT-1系列主要用于印度和印度洋的氣象觀測和通信服務，由美國研制和發射。該系列衛星共發射了4 顆（1982—1990年），有效載荷包括高分辨率輻射計（VHRR）和數據收集系統（DCS），可見光分辨率為2.7 km，紅外波段為11 km。INSAT-2系列共發射5顆（1992—1999年），INSAT-2A、2B為多用途衛星，INSAT-2C和2D為專用通信衛星，NSAT-2E是第二代INSAT-2系列的最后一顆，也是INSAT-3系列的先導，搭載高分辨率輻射計和1 km分辨率的3通道CCD攝像機[22]。

INSAT-3系列是一種多用途衛星，支持通信、電視廣播、氣象和衛星輔助搜救。目前業務運行的有2顆：INSAT-3D和INSAT-3DR，搭載的儀器包括VHRR/2、CCD相機、DCS和衛星輔助搜救系統（SAS&R）。VHRR/2是搭載在INSAT-2系列上的VHRR傳統成像儀的改進型，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

2010年6月，韓國第一顆靜止氣象衛星GEOKOMPSAT-1發射成功，該衛星具備通信、海洋監測和氣象等多種功能[3]。

GEO-KOMPSAT-2是韓國新一代靜止氣象衛星，繼承GEO-KOMPSAT-1觀測天氣和海洋環境的任務，增強監測朝鮮半島周圍環境的能力。計劃發射兩顆多用途衛星：GEO-KOMPSAT-2A用于氣象任務，GEOKOMPSAT-2B用于海洋和環境監測。GEO-KOMPSAT-2A于2018年12月4日發射升空，衛星設計壽命10年，主要載荷有成像儀（AMI）和空間環境探測儀（KSEM）。成像儀AMI有16個光譜通道，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計劃于2019年發射。

6 總結與展望

靜止氣象衛星已經發展了四十多年，新一代靜止氣象衛星在觀測模式、衛星設計壽命、載荷性能等方面都有顯著提高，表2總結了不同時期各國靜止氣象衛星的發展。

相比美國、歐洲和日本，我國的靜止氣象衛星起步較晚，經過氣象工作者多年的不懈努力，我國靜止氣象衛星的技術水平已經從追趕發展到水平相當甚至領先的階段。FY-4A搭載的儀器數量和種類在同期新一代靜止氣象衛星當中是最多的。多通道掃描成像輻射計是靜止氣象衛星的主要載荷，表3總結了中國、美國、歐洲和日本新一代靜止氣象衛星多通道掃描成像輻射計波段特性，在波段設置方面，FY-4A共有14個通道，波段設置和數量上各國比較接近[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，長波紅外波段達到4 km，與ABI和AHI長波紅外波段的2 km相比，FY-4A的空間分辨率較低，主要受限于制冷器和探測儀的研制水平。FY-4A全圓盤成像時間為15 min，和ABI和AHI的10 min全圓盤成像相比略有差距；干涉式大氣探測儀在世界上首次實現了在靜止軌道的大氣垂直探測，可獲取大氣溫濕度廓線，處于國際領先水平；閃電成像儀首次實現了對亞洲、大洋洲區域的靜止軌道閃電持續觀測，國外僅美國新一代靜止軌道氣象衛星GOES-R系列衛星搭載了靜止軌道閃電成像儀對西半球美洲區域進行觀測[24]。展望未來，隨著衛星技術性能的全面升級，新一代靜止衛星實現變革性飛躍，利用三軸穩定姿態控制的大型遙感平臺，避免自旋穩定姿態工作平臺的局限性，衛星搭載多種載荷同時工作，多種環境探測能力集成發展，在FY-4后繼衛星的建設中，繼續保持我國大氣垂直探測儀的優勢，提升多通道掃描成像輻射計的時空分辨率，努力達到甚至超越國際先進水平。

表2 不同時期各國靜止氣象衛星的性能對比 Table 2 Performance comparison of geostationary meteorological satellite of different countries in different periods

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