极轨气象卫星及其AVHRR介绍 

极轨气象卫星及其AVHRR介绍

极轨气象卫星是围绕太阳同步轨道运行的卫星，其携带的可见光、红外遥感仪器可以在较低的轨道上以较高的地面分辨率对全球进行监测。 目前在轨运行的业务极轨气象卫星主要有美国的 NOAA系列（NOAA12、NOAA14、NOAA16和NOAA17）和中国的“风云一号”（FY-1）系列（FY1C和FY1D）。

“风云一号”（FY-1）系列极轨气象卫星是由中国自行设计研制的，此系列卫星目前为止共发射了4颗，即FY-1A、FY-1B、FY-1C、FY-1D，其中FY-1A(1998年9月发射)，FY-1B（1990年9月发射）与NOAA卫星兼容，均属于实验性质卫星，现都已经退出业务运行。FY-1C（1999年5月发射）及其接替卫星FY-1D（2002年3月发射）是改进型的极轨气象卫星，它的多通道可见光红外扫描辐射计是MVISR，其通道数为10个，包括4个可见光通道，1个短红外，2个近红外通道，1个中波红外通道和2个长波红外，它的高分辨率图像传输仪称为CHRPT。

NOAA系列卫星是美国第三代太阳同步轨道气象环境监测业务卫星，即TIROS-N和NOAA-A～J。第一颗卫星TIROS-N于1978年10月13日发射并投入业务运行。自1978年至今，NOAA-A～J卫星相继发射，卫星发射前命名为NOAA-A、B、C、……，入轨运行后改为数字标号，例如：1984年12月12日发射的NOAA-F投入业务运行后更名为NOAA-9，1993年8月9日发射的NOAA-I，转入业务运行后将更名为NOAA-13。NOAA系列卫星分为两种类型：5颗TIROS-N型的，即TIROS-N和NOAA-A～D，6颗改进TIROS-N型（ATN），即NOAA-E～J。 卫星携带了两部对气象业务预报非常有用的仪器：一部是甚高分辨率辐射仪（AVHRR），用以获得图像资料；另一部是泰罗斯垂直业务探测器（TOVS），用以得到温度垂直探测资料。AVHRR辐射仪有5个波段的辐射，即5个通道，星下点地面分辨率约为1公里。具有这种分辨率的大量数据资料由高分辨率图像传输设备（HRPT）实时传送。此外 星上还携带有资料收集系统（DCS）和空间环境监测仪（SEM）。改进的TIROS-N型卫星，逐步加强了仪器的功能，NOAA-8卫星增加了探索搜救系统（SARSAT），NOAA-9和NOAA-10增加了地球辐射收支实验器（ERBE），NOAA-9卫星还增加了太阳紫外后向散射辐射计（SBUV）。 NOAA系列后期的卫星星载改进的甚高分辨率扫描辐射仪（AVHRR）是具有5个观测通道，对可见光、近红外和红外光谱“窗区”波段敏感的扫描仪。NOAA系列前几颗卫星使用4个通道的扫描辐射仪，第五通道重复第四通道的信息。在后续的卫星上，增加了第五通道。NOAA-11以前一般是双序号卫星携带四通道扫描辐射仪，单序号卫星携

带五通道扫描辐射仪，自NOAA-12开始，AVHRR均改为五通道。

NOAA系列卫星运行参数为：NOAA系列卫星是双星组成的极地轨道卫星，三轴稳定，对地定向观测，平均轨道高度约为 850km，卫星倾角98.739度，运行周期102分钟。卫星每天绕地球飞行14.2圈，能够实现每24小时可见光通道覆盖全球一次，红外通道覆盖全球2次。每条轨道经过赤道的经度随着地球的自转发生变化。FY1C、D星运行参数为：轨道高度870km，轨道倾角98.85度，偏心率<0.005，轨道周期102.3分钟。

NOAA系列卫星携带有甚高分辨率辐射仪（AVHRR），用以获得图像资料。AVHRR辐射仪有5个波段的辐射，即5个通道，星下点地面分辨率约为1公里。具有这种分辨率的大量数据资料由高分辨率图像传输设备（HRPT）实时传送。 FY-1C及其接替卫星FY-1D是改进型的极轨气象卫星，它的多通道可见光红外扫描辐射计（MVISR），其通道数为10个。它的高分辨率图像传输仪英文简写为CHRPT。

NOAA系列后期的卫星星载的改进的甚高分辨率扫描辐射仪（AVHRR）是具有五个观测通道，对可见光、近红外和红外光谱“窗区”波段敏感的扫描仪。 NOAA-D～J星载AVHRR各通道光谱特性如表1所示：

表 1 NOAA-D～J通道编号、波长范围及其主要用途 通道号 1 2 3 4 5

注： 为了改进对气象、海洋、水文和环境的监测， AVHRR采用了多光谱测量法，它可以获取昼夜云图，通过可见光、近红外通道的测量，可以鉴别云、陆地和水的边界，可以计算植被指数，监测作物生长状况，可以判定冰雪覆盖范围等。通过中红外通道的测量，可以监测森林火灾的发生和发展，可以监测火山的活动。通过红外窗区通道的测量，可以计算云的分布，测定云顶、地表亮温，计算海面温度，计算射出长波辐射等。随着遥感应用的不断深入，AVHRR资料的应用范围越来越广泛。。。

波长（ um） 0.58~0.68 0.725~1.1 3.55~3.93 10.3~11.3 11.5~12.5 主要用途 白天云层、冰、雪、植被 白天云层、植被、水、水汽 白天云层、冰、雪、植被 白天云层、植被、水 白天云层、冰、雪、植被 FY1系列卫星在功能与性能上均与NOAA系列卫星相近。FY1系列卫星中后期的

FY-1C、D星多通道可见光红外扫描辐射计（MVISR）在光谱辐射通道数目上比较NOAA系列卫星优越，其MVISR的通道数目比NOAA系列卫星AVHRR多出1倍，能够获得更多的地球遥感信息。10个通道中包括4个可见光通道，2个近红外，1个短红外，1个中波红外和2个长波红外。星上记录数据量化位数也由NOAA和FY-1A、FY-1B的8bit扩大到10bit。FY-1C、D星用星载10通道可见光和红外扫描辐射计，获取全球陆面、洋面和大气成分及云面的可见光及红外辐射资料，与静止气象卫星互相补充。 FY-1C、D星载MVISR的各通道光谱特性及用途如表2所示：

表 2 FY-1C、D通道编号、波长

范围及其主要用途

通道号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 波长（ um） 0.58~0.68 0.84~0.89 3.55~3.95 10.3~11.3 11.5~12.5 1.58~1.64 0.45~0.48 0.48~0.58 0.53~0.58 0.90~0.96 主要用途 白天云层、冰、雪、植被 白天云层、植被、水 白天云层、冰、雪、植被 白天云层、植被、水 白天云层、冰、雪、植被 土壤温度、云雪识别 海洋水色 海洋水色 海洋水色 水汽 注： 通道 1、2的探测波段分别处于植被反射的低谷和高峰，利用两者的差值可以计算出各种植被指数，以反映农作物、森林、草场的生长情况、病虫害及缺水情况，并能进行农作物估产。这个通道还可以做判识水陆边界，河口泥沙海冰等。通道3处在红外短波窗口区，它对监测地面高温热源很有效。通道4、5处在红外窗区，用以测量地面温度。这两个通道相结合的目的在于对海面温度反演中对大气削弱进行订正，计算得到的地表和海表温度在农业、渔业、洋流、城市热岛等方面有广泛的应用。通道6对雪的反射率较低，与其他通道结合有助于云、雪的判识，同时此通道对土壤湿度比较敏感，有助于干旱监测。通道7、8、9是海洋水色通道，海洋水色反映海洋中叶绿素的含量，它还可以反映海洋浊度和海洋污染以及赤潮等情况。通道10是低层水汽通道，用于大气修正和大气透过率的计算。算。

AVHRR的扫描方式是垂直于轨道方向，从右向左扫描，其地面分辨率在星下点为

1.1km。一条扫描线对应地面扫描宽度约为3000km（每条扫描线2048个象素点）。卫星观测的AVHRR资料，经过星载键控信息速率处理机（MIRP）处理以后，可用全球区域覆盖（GAC）和局地区域覆盖（LAC）资料、低分辨率自动图像传输（APT）、高分辨率图像传输（HRPT）三种方式发送给地面接收。其中，经过星载处理机处理后的HRPT数据包括全分辨率（1.1km）5个通道AVHRR、TOVS（TIP）、SEM、DCS和卫星遥测信息。在卫星运行过程中，HRPT资料通过S波段发射机实时地传输给全球所有的地面接收站。传输频率为1698.0和1707.0MHZ。

HRPT采用三个子帧构成一个主帧的格式，在三个子帧中都包含同样的TIP数据。AVHRR转速为6转/秒，每转一周获取一条扫描线（即一个子帧），子帧数率为6帧/秒，主帧数率为2帧/秒。AVHRR的每条扫描线（一个子帧）的每一通道取样点为2048，每个取样点为10bit的字，五个通道共有10240个10bit字（2048×5＝10240取样点＝10240字），这是AVHRR对地球进行一次扫描期间所获的数据（一个子帧）。

在微机接收处理系统中，所接收并存盘的 HRPT数据格式与HRPT子帧格式完全相同，只是为了资料处理方便，在计算机系统存盘时将HRPT的10bit字存为16bit（2 Byte）。

MVISR传感器的视场范围为1.2微弧度，星下点分辨率为1.1km。MVISR的扫描速度每秒6条扫描线，每条线共2048个象素点。每个通道数据为2048个字，这样10个通道的数据加起来就是2048个字，再加上同步码等辅助信息，每条扫描线就是22180个字，每个字也是10bit。CHRPT码速率为1.330Mbps，是HRPT（NOAA）的2倍。CHRPT的调制方式是PSK，分相码，传输速率为1700.5MHz，数据格式与HRPT（NOAA）相同。

FY-1观测数据也按照三种方式发送：高分辨率图像传输（CHRPT），自动图像传输（APT）和延迟图像传输（DPT）。对于CHRPT和APT，卫星运行期间可提供直接广播服务，数据格式与NOAA卫星一样。DPT数据作为选择地区的图像，只供国内接收使用。凡是具备接收处理 HRPT（NOAA）资料的系统，只要稍加改造就可以接收处理CHRPT。

极轨气象卫星获取的 HRPT云图资料是监测和预报灾害性天气的重要手段，它对洪涝、干旱、冰雪、台风、森林以及草原的火灾等大范围自然灾害的监测和预报的能力已被近年来的实践所证实；它对植被生长的状况和作物估产、冰雪覆盖、水资源和病虫害等地表特征的有效监测，是安排农业生产、作物管理、防灾减灾等的重要依据；它对海冰、海温和海洋环境的监测，在渔业生产、港口建设和远洋航运等方面也具有重要意义；对我国的长期气候和环境的研究和监测，也是重要的工具和手段。

美国NOAA气象观测卫星

NOAA是美国国家海洋大气局的第三代实用气象观测卫星，

第一代称为“泰罗斯” (TIROS)系列(1960-1965年)， 第二代称为“艾托斯”(ITOS)／NOAA系列(1970-1976年)，

其后运行的第三代称为TIROS-N／NOAA系列，从1978年10月发射了第一颗TIROS-N，到1993年底

已发射了14颗。

NOAA卫星的轨道是接近正圆的太阳同步轨道，轨道高度为870KM及833KM，轨道倾角为98.9度和98.7度，周期为101.4分。NOAA卫星的应用目的是日常的气象业务，平时有两颗卫星在运行。由于用一个卫

星每天至少可以对地面同一地区进行2次观测，所以两颗卫星就可以进行4次以上的观测。 The orbits are timed to allow complete global coverage twice per day, per satellite (normally a daytime

and a nighttime view of the earth) in swaths of about 2,600 km in width NOAA卫星上携带的探测仪器主要有高级甚高分辨率辐射(AVHRR/2)和

泰罗斯垂直分布探测仪TOVS AVHRR/2是以观测云的分布,地表(主要是海域)的温度分布等为目的的遥感器，TOVS是测量大气中气温及温度的垂直分布的多通道分光计，由高分辨率红外垂直探测仪(HIRS/2)、平流层垂直探测仪(SSU)和微波垂直探测仪(MSU)组成。AVHRR/2数据还可以用于非气象的遥感，其主要

特点是宏观快速、廉价。在农业、海洋、地质、环境、灾害等方面都有独特的应用价值。

目前，NOAA运行着5颗极轨卫星：

NOAA-14 (1994年12月)， NOAA-15（1998年5月）， NOAA-16（2000年9月 21） NOAA-17（2002年6月24），

NOAA-12作为备用星仍然在传送HRPT资料，而NOAA-15和NOAA-16则是业务星。 目前，NOAA运行着5颗静止轨道气象卫星，他们是GOES-8和GOES-10(GOES-9作为GOES-8或者GOES-10的轨道备份星) GOES-11在2000年5月3日发射，而GOES-12则在2001年7月23发射。这两颗星都作为

GOES-8或者GOES-10失败后的备份替代星系统。

The AVHRR/3 sensor on NOAA-15, 16, 17, 18 and 19 measures in six bands though only five are

transmitted to the ground at any time.

NOAA Polar-orbiting Operational Environmental Satellites obtain global imagery daily. These data are transmitted to the Command and Data Acquisition (CDA) stations. The CDA stations relay the data to the National Environmental Satellite, Data and Information Service (NESDIS), located in Suitland, Maryland,

for processing and distribution.

NOAA每天的数据传送到CDA接收站，然后转发到NESDIS进行处理分发

NOAA/AVHRR参数及应用：

NOAA气象卫星是近极地、与太阳同步的卫星，高度为833km～870km，轨道倾角98.7°，成像周期12小

时。