气象卫星
气象卫星系列
二、轨道类型
气象卫星的轨道有低轨和高轨两种。目前多数气象卫星属于低轨道卫星,也叫近极地太阳同步轨道气象卫星,它们每天一般只能获得两次观测资料,其飞行高度为800,15OOkm,它的优点是:?可获得全球观测资料并有利于使用;?提高了图像的空间分辨率与探测资料的精度;?每天拍摄时得到了必需的照明条件,保证了图像质量;?卫星上的太阳能电池可得到足够的太阳照射,供给星内设备使用。
高轨道卫星飞行高度近36000km,轨道圆形,周期为24小时,其轨道平面一般与赤道平面重合,有些也存在倾角,但始终与地球转动同步。其优点是:?卫星能连续进行不间断的观测,按照现有水平,每隔20多分钟就可获得一次观测资料(对小范围可缩短为3,5分钟);?星载仪器能观测到地球面积的1,4,纬度在南北6O?以内,经度横跨:140?左右。如果有4,5颗这种卫星,就能对全球的中、低纬度地区进行观测。但是在极地区获取的数据不如极轨卫星理想,所以高、低轨道卫星的组合观测是一种理想的方式。
气象卫星均采用圆形轨道,由此获取的资料处理时不需要对高度的变化进行纠正,并且图像具有相同的面积尺寸,星下点能等速地在地面上运动,这就使图像定位大为简化,同时便于轨道预报。
三、低轨气象卫星
(一)美国的泰罗斯卫星系列
2(轨道特征
泰罗斯卫星系列轨道为非太阳同步椭圆轨道,轨道高度为680,2967km,轨道倾角为48?,60 ? 。
3(传感器
主要传感器有窄角、中角、广角电视摄像机以及高级甚高分辨率辐射计(Advanced Very High Resolution Radiometer,AVHRR)。
(二)美国的雨云卫星系列
1964年8月28日至1978年1O月24日,美国发射了7颗雨云(NIMBUS)卫星。雨云卫星与Landsat系列卫星的形状、运行轨道都十分相似(实际上Landsat-1、2、3号即由雨云卫星改装而成)。雨云卫星为椭圆形或近圆形太阳同步轨道,轨道倾角为98.6?,104.9?,近地点在487,1248km之间,远地点在955,1354km之间。雨云卫星能获取地球局部的、大范围地区的可见光和红外卫星云图,NIMBUS-7还搭载海岸带水色扫描仪(Coastal Zone Color
Scanner,CZCS),可进行海洋光学遥感。
(三)美国的艾萨卫星系列
1966年2月3日至1969年2月2 6日,美国共发射艾萨(Environmental Science Service
Administration Satellites,ESSA)卫星9颗。艾萨卫星轨道为近圆形太阳同步轨道,近地点在800-1662km之间,远地点在965,1730km之间,轨道倾角在97.9?,102?之间,轨道上同时保持两颗卫星,地面站每隔6 min 收到一张云图,云图星下点分辨率为4km。上述三种卫星系列的旋转周期在98--120min之间。
(四)美国的诺阿卫星系列
2(诺阿卫星搭载的传感器
诺阿卫星上搭载的主要传感器有甚高分辨率扫描辐射计(AVHRR)和泰罗斯垂直分布探测仪(TIROS Operational Vertical Sounder,TOVS)。
(1)诺阿卫星所载甚高分辨率扫描辐射计(AVHRR)(表6(7)是一种旋转平面镜式光学-机械扫描仪。全视场角为?56?,地面扫描宽度为2700km。
AVH RR的通道1为黄-红谱段,通道2为深红-近红外短波谱段,通道3为中红外谱段,
通道4和5为远红外谱段。
从NOAA-K开始,高级甚高分辨率辐射计(AVHRR)通道从5个增加到6个,谱段的情况也有所改变。由表6(8可见,2通道变窄,消除水汽吸收,使植被指数更准确;3通道的A用于白天,B用于夜间;提高1和2通道低反照度地面的亮度分辨率,以增强对气溶胶的探测能力。白天可提供云覆盖和冰雪覆盖图像,夜晚可提供云覆盖和海面温度等的图像,它的高分辨率图像传输系统(HRPT)有1(1km的星下点分辨率,自动图像传输系统(APT)有4km的无畸变分辨率。
AVHRR的一个像元的面积相当于200个MSS像元之和或1340个TM像元的面积之和,因此,在地面处理时可大大节约时间。这样,在对大范围资源环境作宏观监测预报时,AVHRR既经济实惠又节省时间。由两颗诺阿卫星组成的双星系统,每天可对同一地区获得4次观测数据。
(2)泰罗斯垂直分布探测仪(TOVS)是HRIS(High Resolution IR Sounder)高分辨率红外测深仪、SSU(Stratospheric Sounding Unit)平流层垂直测深仪、MSU(Microwave Sounding Unit)微波垂直测深仪的总称,是测量大气中气温及湿度垂直分布的多通道分光计。另外,诺阿卫星装备的其他仪器还有DCS(Data Collection System)数据收集系统、SEM(Space Environment
Moniter)空间环境监测仪、SBUV(Solar Backscatter UV Experiment)太阳紫外背向散射仪、ERB(Earth Radiation Budget)地球辐射预测仪、AMSU(Advanced Microwave Sounder)高级微波测深仪和ACZCS(Advanced Coastal Zone Color Scanner)高级海岸带彩色扫描仪等。 (五)风云一号卫星系列
1(概况
第一代气象卫星风云-1(A和B)是太阳同步轨道近极地卫星。
风云一号C星于1999年5月10日由长征-4乙运载火箭从太原卫星发射中心发射升空,主要功能是用于天气预报、气候研究及环境监测。当天地面站接收到七个通道的可见光云图资料,6月1O日接收到三个通道的红外云图资料。
风云-1C星简称(FY-1C),是我国的第一颗三轴稳定太阳同步极地轨道业务气象卫星。我国各地地面站通过接收FY-1C的CHRPT数据,可以每天两次获取当地的观测资料。资料处理中心通过接收星上存储的数据,可以每天获取一次全球资料。FY-1C的高分辨率实时广播资料CHRPT、免费向全球开放。
2(轨道特征
FY-1A和FY-1B均采用近圆形、近极地、太阳同步轨道,高度900 km,倾角约99?,偏心率小于O.005?,旋转周期约102min,卫星一天绕地球飞行14圈,卫星姿态为3轴稳定对地定向,各轴指向精度均控制在1?以内。FY-1C为三轴稳定太阳同步极地轨道,轨道高度870 km,倾角98.85 ?,偏心率小于O.005 ?,轨道周期102.3min。 3(传感器
FY-I(A、B)上装有2台甚高分辨率扫描辐射计,其性能与美国NOAA卫星上的AVHRR很相似,这两台仪器在轨道上可以通过遥控指令切换工作,互为备份。
甚高分辨率扫描辐射计是该卫星的主要探测仪器,共有五个通道,其光谱覆盖范围为0.58,12.5μm,波段宽50,2000 nm,各谱段特性见表6(9。其中1,2,5波段用于拍摄可见光和红外云图供天气预报之用,1和2通道的测量数可提供植被指数,区分云和雪。3雨1 4通道用于海洋水色观测,获取中、高浓度海洋叶绿素的分布图。扫描辐射计的红外探测通道,具有飞行中辐射响应校正能力,能定量测量目标(如海洋、云顶等)的等效黑体温度,其图像数据还可用于监测积雪、海冰、大面积的洪涝灾害等。
扫描辐射计随同卫星运行时,仪器扫描镜以360转,分的速率沿地球扫描,每条扫描线采样2048个扫描点,地面覆盖的宽度约32OO km。辐射计5个通道的瞬时视场都是1.2毫弧度,对应的星下点地面分辨率为1.1 km。
FY-1C的主要探测仪器为多通道可见红外扫描辐射计(MVIRS),其通道数由风云一号A星的5个增加到10个,表6.10列出FY-1C可见红外扫描辐射计各通道特性。多通道可见光红外扫描辐射计的视场范围为1.2微弧,星下点分辨率为1.1 km,扫描速度为每秒6条扫描线,每条线有2O48个像素点。
4(数据的发送与接收处理
FY-1卫星发送数据的方式有三种,即高分辨率图像传输(HRPT)、自动图像传输(APT)和延时图像传输(DPT)。HRPT和APT传输的信息特性和信息格式与NOAA卫星基本相同。因此,世界各地凡是可以接收NOAA卫星HRPT和APT信号的用户都可实时接收FY-1的相应数据。卫星每天绕地球l4圈,可见光,近红外探测通道每天24小时覆盖全球一次,热红外通道覆盖周期为12小时。DPT仅向中国的气象卫星地面站发送,它是由星上磁带机存贮而回放的云图。FY-1现在还不具备获取全球云图的能力,但是可任意选择以获取全球任一局部地区的云图。
广州和乌鲁木齐接收的数据,通过国际通信卫星电路传递至数据处理中心,北京地面站接收的数据,通过微波电路直接传递至数据处理中心。数据处理中心汇集来自三个地面站的气象卫星数据,以及从北京气象中心传递来的常规气象数据与卫星轨道参数,通过处理在预定时间内生成各种图像和图形产品、定量数据和专业服务产品,传送给北京气象中心和其他用户,并向全国发送。
中心接收到地面站发送来的原始数据后,通过比特同步器、帧同步器和缓冲存贮器送至输入,输出系统的I,O主机形成文件,在磁盘中存贮主机系统磁盘中的各种原始数据文件一般要进行预处理,将各种数据分类编辑、质量检验和格式变换,形成中间数据集文件。对于卫星数据,要处理定标系数和地理定位,在每条扫描线中加入质量标记、定标系数、太阳天顶角和地理经纬度,形成“1A.5”格式的数据集,以供处理时应用。
数据预处理之后所进行的处理,大致可分为图像处理和气象参数处理两类。处理结果,用一定格式形成磁盘文件,以便按不同方式输出。
经处理所形成的图像和图形产品,除了可提供传真图和等值线图等硬拷贝外,本地用户可通过交互式图像和图形处理设备作终端显示。对于外地用户,可通过中央电视台的气象信息节目,接收卫星气象中心制作好的图像和图形。此外,还将通过短波无线电传真广播发送云
分析
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图,通过气象通信专用电路向省气象局发送传真图。
气象参数定量数字产品,则采用世界气象组织的
标准
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电码,由北京气象中心通过气象通信电路发送,或可通过磁带、软盘和数字打印等方式,提供给用户。FY-1C的高分辨图像传输仪称为CHRPT。凡具备接收处理NOAA之HRPT资料的系统,只要稍加改造就可接收处理CHRPT。MVIRS的扫描速度为每秒6条扫描线,每个通道数据为2048个字,这样l0个通道的数据是20480个字,再加上同步码等辅助信息,每条扫描线就是2218
0字
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,每字为1O比特,码速率为1.3308Mbps,是NOAA,HRPT的两倍。CHRPT的调制方式是PCM-PSK,分相码。传输频率为1700.4MHz,数据格式与NOAA,HRPT、大体相同。
5(FY-1的产品
风云卫星的主要产品多种多样,见表6.11。其中第6,8项应用了热红外通道。另外,3、4通道可制作海洋水色图。
四、高轨静止气象卫星
高轨静止气象卫星与地球自转同步运转,因此与地面保持相对静止状态,又称地球同步气象卫星。只有美国、日本、俄罗斯、欧洲空间局、中国和印度发射过这类卫星,其中美国研制和发射最早、数量最多。
(一)美国的地球同步气象卫星系列——SMS,GOES系列
该系列有三代:第一代为SMS,GOES,第二代为GOES—D、E、F、G、H,第 三代为GOES—I、J、K、L、M。其中,第三代为三轴稳定型卫星,采用太阳帆,使辐射冷却器的热输入最小。第三代有五通道成像仪和大气垂直分布探测器,目前正在天空工作。此系列用于天气预报、气象学研究、温湿度剖面提取及暴雨和热带飓风的监测等。GOES—D,H与GOES—I,M两代GOES卫星性能比较见(表6(1 2。
(二)日本的葵花气象卫星系列
葵花气象卫星系列(GMS系列)自1977年7月14日起到1995年3月止,共发射了5颗卫星。
1(轨道特征
GMS系列卫星定位于东经140?上空,高约35800km,倾角为O,每分钟自旋100周,每天绕地球一圈。
2(传感器
GMS系列卫星上载有可见光一红外自旋扫描辐射计(成像)和空间环境监测仪。
3(卫星产品
GMS系列可提供以下图像:全景圆形图像、日本邻区局部放大图像、分割圆形为7扇形图像、极地立体投影图像、墨卡托图像。各种图像均有可见光、红外的等温、分层等图像。地面站还可以提供放大、缩小、数字图像处理、附加及投影变换。
(三)俄罗斯的ELECTRO GOMS N1静止气象卫星
该卫星成功发射于1994年l1月,主要用于气象、水文、冰雪、陆地表面、灾害预警、云与地表的连续观测。轨道高36000km,绕地球旋转周期为24小时。
(四)我国的风云2 卫星
1997年6月1O日,我国在西昌发射中心用长征-3运载火箭发射了第二代气象卫星风云-2(FY-2),并于6月17日最后定点于东经105?赤道上空35800km处。成为一颗地球静止轨道气象卫星,卫星设计寿命为三年。FY-2卫星经过160多天的测试和试用后,性能良好,达到了20世纪9O年代国际同类卫星的水平,于1997年12月1日正式交付国家卫星气象中心使用。
FY-2载有三通道可见光、红外和水汽自旋扫描辐射计、云图广播和数据收集转发器等仪器。辐射计的可见光通道(0.55,1.05μm)可得到白天云和地表反射的可见光信息,热红外通道(10.5,12.5μm)可得到昼夜的云和地表发射的热红外信,水汽通道(06.2,O.76μm)可得到
对流层中上部水汽分布信息。
82 FY-2辐射计覆盖视场角大,可达20×2O ?,能够覆盖以我国为中心的约1X10km的地球表面,即亚洲、大洋洲及非洲和欧洲的一部分;FY-2每隔半
小时可出一幅云图,可连续监测我国及周边地区的云、温度、水气、风场等气象要素的动态变化,较大地提高了对影响我国的多尺度天气系统的监测能力,所获云图资料可填补我国西部和西亚、印度洋上的大范围气象资料的空白。为进行中长期天气预报和灾害预报起重要作用。
图6.1O中列出了覆盖全球的一些地球静止卫星:
GOES 美国 79.5?,139.5 ?W
GMS 日本 140?E
GOMS 前苏联 70?E
METEOSAT 欧洲 O ?
INSAT 印度 74?E
FENGYUN 中国 105?E