“國家極軌業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預備項目”衛(wèi)星成功入軌

□□2011年10月28日，德爾他-2運載火箭從范登堡空軍基地成功發(fā)射了“國家極軌業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預備項目”（NPP）衛(wèi)星。NPP衛(wèi)星是美國地球觀測系統(tǒng)（EOS）計劃中的一項，也用于完成美國“國家極軌業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”（NPOESS）的技術驗證任務，為長期的氣候研究和實時的氣象預報提供數(shù)據(jù)支撐。

1 項目背景及意義

由美國航空航天局（NASA）、NPOESS綜合項目辦公室（IPO）以及美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）于1998年共同啟動了NPP任務，NPP衛(wèi)星本是NPOESS的技術驗證星，主要目的是降低NPOESS的風險，并對其重要有效載荷進行飛行驗證。

2010年2月，NPOESS項目因嚴重成本超支和延期而進行了重組，分割為民用和軍用項目，分別為“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”（JPSS）和“國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”（DWSS）。盡管如此，NPP衛(wèi)星仍將按原計劃發(fā)射升空，并作為業(yè)務運行衛(wèi)星。NPOESS項目的重組使NPP系統(tǒng)從上午軌道轉移至下午軌道，以減小天氣預報和氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的缺口，成為維系當前衛(wèi)星星座和下一代系統(tǒng)的重要角色。NPP衛(wèi)星作為EOS的一項計劃， 不但可用于保持EOS系列任務[“土”（Terra）衛(wèi)星、“水”（Aqua）衛(wèi)星和“氣” (Aura) 衛(wèi)星]和第一顆JPSS衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)連續(xù)性，其有效載荷的研制、測試和飛行經(jīng)驗將對JPSS項目具有重要意義。

2 衛(wèi)星概況

NPP衛(wèi)星采用鋁蜂窩結構，設計壽命5年，凈質(zhì)量約1400kg。它運行在軌道高度824km、傾角98.7°的太陽同步極軌道，軌道周期101min，降交點地方時為10：30，軌道重復周期為16天。

NPP衛(wèi)星采用了鮑爾宇航技術公司的BCP-2000型衛(wèi)星平臺。該平臺可搭載多種對地觀測有效載荷，具備精確的定位控制、靈活的數(shù)據(jù)傳輸鏈路以及可控的再進入功能。而平臺的數(shù)據(jù)通信采用MILSTD-1553和IEEE 1394數(shù)據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)。

NPP衛(wèi)星為三軸姿態(tài)穩(wěn)定，姿態(tài)控制系統(tǒng)（ADCS）使用4個反作用輪進行精確姿態(tài)控制。ADCS可提供10°的實時姿態(tài)敏感精度，衛(wèi)星實時定位精度為25m，姿態(tài)控制精度為36°。

NPP衛(wèi)星電源分系統(tǒng)（EPS）使用砷化鎵太陽電池，壽命末期平均功率約2kW，額定電壓為（28±6）V。衛(wèi)星每飛行1圈太陽電池陣旋轉1次，以保持一直指向太陽方向。指揮和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)（C&DHS）負責收集有效載荷的數(shù)據(jù)（最高速率為12Mbit/s）并進行星上存儲。C&DHS還可將星上數(shù)據(jù)存儲在通信系統(tǒng)，用于傳輸至地面。此外，C&DHS還能產(chǎn)生15Mbit/s的實時數(shù)據(jù)流，包括有效載荷科學和遙測數(shù)據(jù)，通過X頻段直接傳輸至地面站。

NPP衛(wèi)星在軌飛行示意圖

NPP衛(wèi)星主要參數(shù)

3 衛(wèi)星有效載荷

先進技術微波探測器（ATMS）

ATMS是由諾格公司負責研制，為下一代穿軌微波探測器，用于提供日常的全球大氣溫度、濕度和壓力測量。它將綜合目前微波溫度探測器（現(xiàn)今微波探測器AMSU-A）和微波濕度探測器（AMSU-B）的觀測能力，以減輕質(zhì)量和減少功率消耗，提高微波接收器的電子技術。ATMS還將裝載在歐洲氣象衛(wèi)星組織的下一代極軌衛(wèi)星上。ATMS繼承了AMSU-A/B的特點，但其尺寸、質(zhì)量和功率都有所降低。

ATMS具有22個微波譜段，幅寬2300km，在23GHz、31GHz、50GHz、89GHz、150GHz和183GHz光譜范圍內(nèi)具有溫度和濕度探測能力，可以獲得高空間分辨率全球溫度、濕度廓線。隨著前端微波光學技術的發(fā)展，ATMS的22個通道可分為兩組：低頻組（23～57GHz）、高頻組（88～183GHz）。低頻通道（1～15GHz）主要用于探測溫度，高頻通道（16～22GHz）主要用于探測濕度。

ATMS有效載荷外觀圖

ATMS有效載荷的數(shù)據(jù)通過MIL-STD-1553B平臺傳輸至衛(wèi)星。ATMS質(zhì)量約75.4kg，軌道平均功率約93W，數(shù)據(jù)率為20kbit/s（平均）和28kbit/s（最大）。

可見光/紅外成像輻射儀（VIIRS）

VIIRS是一個掃描輻射計，它同時綜合了極軌環(huán)境衛(wèi)星（POES）先進甚高分辨率輻射計的輻射精度和“國防氣象衛(wèi)星計劃”（DMSP）線性掃描業(yè)務系統(tǒng)的高空間分辨率（0.65km）的特點。VIIRS將具有22個通道，包括可見光和近紅外、短波和中波紅外，以及長波紅外，此外還具有海洋水色觀測專用能力。VIIRS可分為高分辨率和中分辨率兩種工作模式，高分辨率模式水平采樣間距為400～800m，幅寬為3000km，而中分辨率模式水平采樣間距是高分辨率模式的兩倍。VIIRS將提供海洋表面溫度、大氣氣溶膠、雪覆蓋、云覆蓋、表面反射率、海冰和海洋水色觀測數(shù)據(jù)。

穿軌跡跟蹤紅外探測器（CrIS）

CrIS是一個傅立葉變換光譜儀，采用邁克遜干涉探測器以甚高光譜分辨率（1300個譜段）探測3～16μm的紅外輻射，確定從地面到上層大氣的溫度、濕度和壓力的垂直分布。CrIS采用一個具有9個視場的陣列，每個視場直徑達14km，覆蓋3個紅外波段。CrIS幅寬約2200km，其數(shù)據(jù)可與無源微波遙感器數(shù)據(jù)結合，生成對流層大氣溫度廓線，溫度分辨率為1K，層高1km，同時還可生成濕度廓線，精度達到15%，層高2km。

VIIRS有效載荷結構圖

臭氧監(jiān)測與廓線配套裝置（OMPS）

OMPS主要用于收集臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算大氣層臭氧垂直和水平分布。OMPS由天底點掃描臭氧繪圖儀和臨邊掃描輻射計組成，臭氧繪圖儀的功能類似于NASA的總臭氧繪圖光譜儀（TOMS），臨邊掃描輻射計可提供臭氧廓線，垂直分辨率達到3km，而目前POES衛(wèi)星裝載的太陽后向散射紫外探測器（SBUV）分辨率只有7～10km。

云層和地球輻射能測量系統(tǒng)（CERES）

CERES是一個三信道輻射計，用于測量來自大氣層上方的太陽反射和地球輻射。另外它還可用于測定云層特性，包括數(shù)量、高度、厚度、粒子大小以及云相。熱帶降雨測量衛(wèi)星（TRMM）、Terra和Aqua上都裝有該有效載荷。

有效載荷用途

NPP有效載荷將用于驗證改進后的成像和輻射數(shù)據(jù)在短期天氣“現(xiàn)報”和預報中的效能，以及在其他海洋和陸地應用中的作用，包括監(jiān)測臭氧變化、陸地和海洋生物生產(chǎn)率、大氣浮質(zhì)濃度以及氣候系統(tǒng)的輻射平衡情況；另外還能夠探測大氣溫度和濕度、繪制云圖以及測量海洋表面溫度。

NPP衛(wèi)星有效載荷能產(chǎn)生NPOESS的59個環(huán)境數(shù)據(jù)記錄（EDR）中的29個。

NPP衛(wèi)星正在接受電磁干擾測試

CrIS主要參數(shù)

CERES技術參數(shù)

測試中的NPP衛(wèi)星

四類環(huán)境數(shù)據(jù)及圖像

CrIS和ATMS可共同進行探測，它們聯(lián)合起來可稱為“穿軌紅外微波探測組件”（CrIMSS），對大氣溫度進行全球三維探測、并產(chǎn)生濕度和壓力分布圖。

4 項目分工

IPO負責研制NPP衛(wèi)星上的3個主要效載荷： VIIRS、CrIS和OMPS。NASA戈達德空間飛行中心（GSFC）負責研制先進技術微波探測器（ATMS）。NASA蘭利大氣科學數(shù)據(jù)中心（LaRC）負責研制CERES。NASA除了負責NPP衛(wèi)星外，還提供運載火箭（德爾他-7920）。IPO負責衛(wèi)星的運行和數(shù)據(jù)處理；NASA也提供地面數(shù)據(jù)處理，以支持地球科學任務的需求。

5 衛(wèi)星地面系統(tǒng)

NPP地面段包括如下兩個部分：

· 指揮控制和通信段（C3S），IPO負責。C3S將負責NPP衛(wèi)星的運行。它還將提供數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，以發(fā)送任務數(shù)據(jù)至地面接收站。作為NPP運行的一部分，C3S將負責總任務管理以及JPSS項目運行的協(xié)調(diào)。

· 交互數(shù)據(jù)處理段（IDPS），IPO負責。IDPS將獲取原始數(shù)據(jù)和從C3S接收的遙測數(shù)據(jù)。它將處理原始數(shù)據(jù)記錄（RDRs）、傳感器數(shù)據(jù)記錄（SDRs）以及環(huán)境數(shù)據(jù)記錄（EDRs）。RDRs為全分辨率校準原始數(shù)據(jù)記錄；SDRs為全分辨率地理定位與校準遙感器數(shù)據(jù)。EDRs為全過程數(shù)據(jù)，包括環(huán)境參數(shù)或圖像。RDRs、SDRs和EDRs將用于四個美國操作處理中心（OPCs），用于對最終用戶進行處理和分發(fā)?！?/p>