1.引言
1966年，美国宇航局（NASA）在原主要用于通信试验的“应用技术卫星”（ATS）上测试了将卫星送入地球同步轨道的可行性，并在ATS卫星上装载了气象观测设备——自旋扫描云照相机[1]。ATS卫星在地球静止轨道成功运行，促使了美国发展专门用于气象业务的“地球静止环境业务卫星”。1975年首颗第1代业务静止气象卫星GOES-1发射成功。
GOES系列由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）管理，由于其具有对地球指定地区作高时间分辨率连续观测的特征以及高光谱、高空间分辨率和高精度的遥感探测能力，使得GOES成为动态连续监测暴雨、闪电、强风暴、海岸过程、中尺度天气、洋流系统、海洋赤潮、火山爆发、地震、林火、大气微量气体演化、环境污染和地球系统辐射收支等过程的有效手段[2]。主要用于天气预报、强风暴跟踪和气象学研究，尤其是灾害性中尺度天气过程、雾、降水、雪覆盖和冰盖运动以及气候监测。
自1975年发射GOES-1，GOES一直是美国的基本天气监测及预报工具。截至目前正在服役的GOES-13（东GOES）和GOES-15（西GOES），GOES卫星一直采用双星运行（图1），即在轨同时运行两颗卫星，其中一颗位于135°W，称西GOES，另一颗位于75°W，称东GOES，覆盖范围为20°W—165°E，可24小时连续对西半球上空进行气象观测，同时还可收集和转发数据收集平台的气象观测数据。此外，为避免因GOES-13,15突发事故，导致监测数据丢失，NOAA还部署了处于待命状态的GOES-12,14在轨准备[3]。
2.美国静止气象卫星的发展历程
2.1 GOES计划的由来
1966年12月6日，是卫星气象学发展史上值得纪念的一天，这一天，美国宇航局（NASA）第一次向地球静止轨道发射“应用技术卫星”（ATS-1），以测试将卫星送入地球同步轨道实现定点连续观测指定地区气象状况的可行性。ATS-1携带的气象观测设备——自旋扫描云照相机——由威斯康星大学的Verner Suomi教授和Robert教授共同研发，能够每20分钟提供一张地球及其云层覆盖的可见光圆盘图。1972年，美国国家强风暴预报中心（NSSFC）在预报业务中第一次使用了ATS图像，标志着地球静止卫星图像开始成为国家预报中心开展预报业务的重要数据来源[1]。
气象监测试验在ATS系统卫星上取得的成功，促使NASA设计并发展了在同步轨道运行的大气观测卫星——同步气象卫星（Synchronous Meteorological Satellite，SMS）。1974年5月和1975年2月SMS-1、SMS-2先后成功发射。此后，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）与NASA开始共同合作，发展民用静止轨道气象卫星系列——“地球静止环境业务卫星（Geostationary Operational Environment Satellite, GOES）计划。1975年10月16日，GOES计划的第一颗业务卫星GOES-1发射升空，投入使用[4,5]。
2.2 GOES业务卫星的发展历程
美国第1代业务静止气象卫星包括：GOES-1,2,3。均为自旋稳定卫星，装载的主要遥感仪器为可见光/红外自旋扫描辐射仪（VISSR）。
第2代静止气象卫星——GOES-4,5,6,7，分别于1980年、1981年、1983年和1987年发射，仍为自旋稳定卫星，但在功能上增加了对大气不同垂直高度的温、湿度进行连续探测的功能，这一重大进步使得即便是无云条件，依然可清晰观测大气的运动状态，为人类进一步认识全球大气环流的内在机理，提供了有效手段。其装载的主要遥感仪器为一体式大气垂直探测仪可见光/红外自旋扫描辐射(VISSR)/VAS。值得一提的是，首颗对大气湿度进行探测的静止气象卫星是欧洲气象卫星应用组织发射的Meteosat-1卫星，1977年Meteosat-1拍摄了第一张水汽图像，但与第二代GOES卫星相比，Meteosat-1卫星不具备连续分析的能力[1]。
第3代静止气象卫星——GOES-I系列，即GOES-8,9,10,11,12，它们分别于1994年、1995年、1997年、2000年和2001年发射。与前2代静止气象卫星相比，这一代卫星有了重大突破。首先，卫星姿态由自旋稳定式改为三轴稳定；其次，将一体式VISSR/VAS仪改进为单独的成像仪和大气测深仪，可同时进行成像扫描和大气探测。此外，GOE-12还加装了太阳X射线成像仪（solarx-rayimager,SXI），可对太阳耀斑进行连续观测，获得的信息有助于精确预报地磁风暴和太阳辐射风暴。第三，可与自由气球、浮标以及远程自动数据采集站进行数据传输[4]。
第4代GOES-N系列，包括GOES-13,14,15三颗卫星，分别于2006年、2009年和2010年发射。这代卫星与第三代相比，虽然装载的遥感仪器无根本变化，但在各方面性能上仍有不少改进。如：增强空间环境监测系统(space environment monitoring,SEM)的稳定性和功能，为遥感仪器更新升级预留接口；以低速率信息传输（LRIT）的方式取代气象传真（WEFAX），并为异常气象信息管理网络（EMWIN）提供新的专用信道；增加远紫外多光谱辐射仪（EUVS）；利用星跟踪器改进图像导航和配准信息；采用高效双结镓-砷太阳电池和镍氢池作为能量系统等。表1列出了截止目前，发射的GOES系列卫星的服役时间和主要载带的遥感仪器[6,7]。
3.美国新一代GOES业务卫星
3.1 GOES-R项目
即将服役的第5代静止气象卫星——GOES-R，计划将于2016年发射第一颗卫星，随后还将发射3颗卫星。该系列卫星可在更短时间、以更高空间分辨率和光谱分辨率提供更多的环境信息，以满足对大气、海洋、气候、太阳和空间进行连续观测的要求。与前几代卫星相比，GOES-R在卫星技术及有效载荷上均有重大突破[8]，表2为GOES-R与目前服役的GOES-N卫星的性能对比。首先，GOES-R卫星的服役时间由之前的7年增长至10年，在西GOES卫星的位置选择上，用137°W取代目前的135°W，以避免与附近其他卫星C频段通信干扰。其次，在系统结构上，GOES-R采用分布式空间体系，即：用两颗卫星替换目前双星运行中的一颗卫星，两颗为一组，分别作为西GOES和东GOES，在一组中的两颗卫星上，分别装载不同的遥感仪器。第三，GOES-R系列计划装载的遥感仪器有许多属于新仪器，目前已确定的GOES-R系列卫星将载带的遥感仪器包括：先进基线成像仪（Anvanced Baseline Imager,ABI）、静止卫星闪电成像仪（Geostationary Lightning Mapper,GLM）、磁力计、太阳紫外成像仪（Solar Ultraviolet Imager,SUI）、空间环境原位监测组件（Space Environmental In-SituSuite,SEISS）及远紫外/X射线辐射遥感器（Extreme Ultraviolet/X-Ray Irradiance Seneor,EXIS）[9]。表3列出了这些仪器的主要功能。
与目前的GOES-N卫星系统相比，GOES-R卫星系统的多光谱、空间和时间分辨率均有较大提高，数据传输速率也有较大提升；此外，GOES-R还可获取西半球所有闪电活动的实时数据和太阳X射线通量的动态范围，且分辨率与敏感度也有提高。
GAO在评估报告的结论部分写道，GOES-R项目在核心技术方面，还存在众多缺陷，如果这些缺陷无法被及时识别和解决，GOES-R的发射时间可能再次推后。而2015年GOES-N系列卫星的服役期即将期满，如果GOES-R无法如期发射，那么时间上，这两代卫星的交替可能导致卫星覆盖空白期的风险（图3，2015年4月，原备份卫星GOES-14将替代目前服役的业务卫星GOES-13，届时起，直至GOES-R成功发射并顺利度过6个月的测试期，将无备份卫星在轨运行）。
4.新一代GOES卫星系统发展的特点[8]
推进GOES全面更新换代。新一代GOES卫星系统重点着眼于卫星技术性能的全面升级，在设计概念、系统结构、遥感仪器配置等方面都有很大的改进，系统能力将实现变革性飞跃。从功能上看，GOES-R卫星系统在探测通道数量、分辨率、全盘成像时间等方面均有大幅提升，增强了海洋区域的信息探测能力，并初步具有自适应成像的能力。
多种环境探测能力集成发展的特点趋势明显。由于大气与海洋过程是多种因素作用的综合过程，一个状态变量通常是多个参变量的函数，很难由一种遥感仪器测量众多参变量，需要多种遥感仪器配合测量。因此，美国GOES-R卫星系统采用了集大气、海洋和空间环境等多种探测能力于一体的发展模式，以进一步实现多种探测能力的高度集成。
大量新的技术概念不断涌现并逐步发展成熟。新一代的GOES卫星系统非常注重新的技术概念和技术手段的探索和验证，根据任务需求和系统发展中所遇到的技术难题，不断提出新的技术概念和创新思路。例如：针对目前运行的GOES系统只装有可见光红外探测器，只能获取无云区域和云层以上的探测数据，严重影响了GOES数据在数字气象预报中的有效应用的现状，NASA喷气推进实验室（JPL）在发展静止轨道微波探测能力方面，提出了“静止轨道合成稀疏孔径辐射计”（GeoSTAR）的概念。目前JPL已完成GeoSTAR样机的研制，正在进行性能测试。这些技术概念和试验技术的发展成熟，将极大提升现有对地观测卫星系统能力。
参考文献
1.Gary Davis,History of the NOAA Satellite Program[R].NOAA Satellite and Information Service (Silver Spring,2011).
2.徐建平,张志清.各国静止气象卫星的发展[J].气象科技,2001,2:11-20.
3.Wikipedia:Geostationary Operational Environmental Satellite.http://en.wikipedia.org/wiki/Geostationary_Operational_Environmental_Satellite
4.黎光清.GOES的过去、现在和未来：我国静止气象卫星发展战略探索[J].气象科技,1998,1:1-7
5.占佳.美国GOES领导静止气象卫星新潮流[J].国际太空,2002,8:13-14
6.周旋,周晓中,吴耀平.美国气象卫星的现状与发展[J].中国航天,2006,130-33.:
7.徐建平.美国地球静止环境业务卫星-N、R系列卫星[J].国际太空,2006,8:14-15.
8.龚燃.美国下一代静止气象卫星[J].国际太空,2013,9:20-26。
9.周润松,葛榜军.美国新一代气象卫星系统发展综述[J].2008,17(4):91-98.
10.United States Government Accountability Office, GEOSTATIONARY WEATHER SATELLITES Launch Date Nears but Remaining Schedule Risks Need to be Addresse[R].