기상관측을 목적으로 하는 인공위성. 일반적으로 모든 인공위성은 대기현상을 측정하고 밝혀주므로 기상위성이라고 할 수 있으나 정확하게 구별하면 기상관측을 주목적으로 설계하여 발사된 인공위성만을 가리킨다.

기상위성은 단기예보에 필요한 저기압 또는 전선 등의 정확한 위치와 크기 등을 파악하며, 지구로부터 우주공간으로 복사되는 복사에너지, 지구와 대기가 반사하는 태양광선의 반사량, 대기권 밖의 태양에너지 등을 관측한다. 기상위성은 극궤도기상위성과 정지기상위성 등의 두 종류로 나눈다.

이 중 극궤도 기상위성은 850 km 고도에서 지구의 남북을 회전하면서 실시간적으로 관측한 기상자료를 이용국에 제공해 주는 위성으로, 타이로스(TIROS:Television and Infrared Observation Satellite)가 대표적인 예이다. 정지기상위성은 적도 상공 약 3만 5800 km 고도에 위치하며, 이 고도상에서는 지구의 자전속도와 같은 속도로 운동하기 때문에 지구와의 상대적인 위치가 변하지 않으므로 일정한 지역에 대한 관측을 많이 할 수 있다.

일반적으로 GMS-3(Geostationary Meteorological Satellite-3)을 많이 이용하고 있다. 미국에서 개발한 타이로스는 최초의 기상위성으로, 텔레비전 카메라와 적외검지기(赤外檢知器)를 이용해서 지표면을 관측하였다. 즉, 주반구(晝半球)는 텔레비전으로 촬영하고, 야반구(夜半球)는 적외검지기로 지표면에서의 적외복사를 측정하여, 지표면의 구름의 분포를 식별하였다. 이는 미국항공우주국(NASA) 소속으로, 대기권 밖의 평화이용을 목적으로 하는 실용위성이었다.

1960년 4월 1일 케이프커내버럴기지에서 1호가 발사되어, 78일간 발신하여 사진을 찍었으나, 카메라 축이 지구자기장의 영향을 받아 흔들렸기 때문에 그 사진을 일기도 위에 대응시킬 수 없었다. 그 해 11월 1일 2호를 발사했는데, 이것은 성능이 매우 좋아서 1년 동안 발신을 계속하였다. 61년 7월 12일 3호를 발사, 그 관측효과를 전세계에 공개해서 국제기상통보로 방송하기 시작했다.

한국 기상청은 이때부터 이 방송을 수신·해독하고 있다. 3호는 촬영효과는 매우 우수했으나 약 94일 후에는 발신이 미약해졌다. 62년 2월 8일 4호가 발사되었으나 이것은 약 124일간 촬영하고 발신이 미약해졌다. 6월 19일 5호, 9월 18일 6호가 발사되었다.

타이로스는 RCA (Radio Corporation of America)가 설계·제작을 맡았는데, 그 형태가 세면기와 같고, 지름 107 cm, 높이 48 cm, 무게 130 kg의 18면 각통(角筒)이다. 윗면과 옆면에는 9,260개의 니켈-카드뮴 태양전지가 붙어 있는데, 이것이 타이로스의 전원(電源)이다. 아랫면에는 텔레비전 카메라 2대, 적외검지기 5대가 장치되어 있다. 텔레비전 카메라는 광각(廣角:104 °) 카메라 2대 또는 광각카메라 및 망원카메라 각 1대를 장치하는데, 광각 쪽이 표준장치이고, 평균고도 760 km 높이에서 나비 1,200 km의 사진을 연속하여 32장을 찍을 수 있다.

지구는 구면이므로 이를 일기도에 투영하면 너비 약 1,500 km, 길이 약 7,000 km의 긴 띠가 된다. 광각카메라가 2대인 경우는 이를 2열로 찍을 수 있다. 촬영한 사진은 비디오테이프로 회수하여 위성 안에 모아둔다. 타이로스는 중저위도 관측용으로, 1∼4호는 적도면과 대체로 58 °의 기울기를 가지는 원궤도를 그린다.

지표면에서의 높이는 평균 760 km로서, 거의 100분에 지구를 일주한다. 이 궤도를 메르카토르도법으로 표시하면 사인곡선이 되어 조금씩 어긋난다. 예를 들면, 한국의 상공을 처음에 남서에서 북동으로 향해서 날면 그 다음에는 북서에서 남동으로 날게 되어, 대체로 9번 회전한 후 최초의 위상(位相)으로 되돌아온다. 모아 놓은 사진은 신호소에 접근했을 때, 지상에서 신호를 보내어 전부 수신하고, 타이로스 안의 테이프를 끄고, 다음 촬영지를 명령한다.

이 명령은 미국 연방기상국이 타이로스의 궤도와 일기도를 비교하여 그때의 시간으로 결정하고 있다. 신호소는 왈러프스섬·캘리포니아주 포인트머그·호놀룰루에 있는데, 그 수가 많아질수록 촬영범위가 넓어지고 수신하는 시간이 단축될 수 있다. 신호소에서 수신한 자료는 동시에 텔레비전 모니터에 돌려져, 연방기상국으로 전송된다.

미국 기상국에서는 촬영시각으로부터 타이로스의 위치와 카메라 축의 방향을 결정하여, 컴퓨터에 걸어서 구면삼각법(球面三角法)의 계산을 하게 하고, 사진 위에 경위도선을 넣는다. 이러한 조작을 렉티피케이션(rectification)이라 한다. 컴퓨터에 의한 이러한 조작은 사진의 끝 쪽일 것 같으면 위도로 약 2 °(거리로 약 200 km)의 오차가 생기므로, 정밀해석이 필요할 때에는 시카고대학의 도식해법(圖式解法)이 병용된다.

렉티피케이션을 끝낸 사진은 사진에 찍혀 있는 구름의 형태로부터, 경위도 1 °마다 운량·운행·운상(雲狀:예를 들면, 소용돌이인가 전선형식인가)을 읽어내고, 구름 해석기호로 고쳐서 국제기상회선으로 송신하며, 동시에 모사전송(模寫電送)도 방송한다. 사진 그 자체의 전송도 실험되고 있으나 아직 선명하지 않아 실용화되지 못하고 있다.

타이로스는 적설이나 해빙의 사진도 선명하게 찍는다. 이것도 역시 기상청에 수신되어 해석된다. 타이로스에 장치되어 있는 5대의 적외검지기는 0.2∼5, 7∼30, 8∼12, 6.3±5 %, 0.5∼0.7 μm 파장범위에 대응하여 적외복사의 세기를 측정하며, 이를 일기도에 대응시킬 수 있다.

이것이 즉시 실용할 수 있는 단계까지는 이르지 못했지만, 많은 해석의 예가 제출되어 있고, 지표면의 복사분포로부터 육지·해면·적설·해빙·구름·수증기 등이 식별되고 있다. 뿐만 아니라, 해수면의 온도분포의 변동으로부터 해류의 1일 변동을 판별하거나, 운정(雲頂)의 온도에서 그 운정의 높이를 추정하는 등 카메라로 측정할 수 없는 중요하고 실용성이 높은 관측효과를 거둘 수 있다.

타이로스는 65년 7월 1일 발사한 10호로 끝나고, 님버스(Nimbus)·에사(Essa)·아이토스(ITOS)가 이어서 발사되었다. 님버스는 66년 5월 15일 2호를 발사하여 성공했고, 3호·4호도 계속하여 발사했다. 님버스는 적도면에 약 80 °의 기울기를 가지며, 약 100분에 지구를 일주한다.

타이로스는 적도면과의 기울기가 비교적 커서 중저위도의 주사(走査)에는 적당하지만, 양극지방의 주사에는 충분하지 않다. 이에 비해 님버스는 거의 자오면(子午面)을 따라 돌기 때문에 지구의 전체 표면을 주사할 수 있고, 한층 성능이 좋은 태양전지·텔레비전 카메라·적외검지기 등이 장치되어 있으므로, 지표면의 모든 점을 적어도 하루 한 차례씩 카메라와 검지기로 주사할 수 있다.

에사는 66년 2월 3일 1호가 발사되고, 69년 2월 26일 에사 시리즈의 마지막인 9호가 발사되었다. 에사는 최초의 본격적인 기상위성으로, APT카메라를 적재하여 자동송화(自動送畵)하는 것과, 주사한 사진을 자기테이프에 기록하여 지구로부터의 명령으로 종합하여 송신해오는 것이 있다.

아이토스는 70년 1월 23일 오스트레일리아의 오스카 5호(미국의 로켓을 사용해서 발사한 아마추어 무선용 통신위성)와 동시에 발사하였다. 이는 야간의 구름상태를 주사하여 송신하는 실용기상위성이다. 소련에서는 69년 3월 26일 최초로 메테오르 1호가 정식 기상위성으로 발사되어 지구의 구름·얼음의 상태를 주사하여 송신해 왔다. 그 후 메테오르는 계속 발사되었다.

63년 세계기상기구(WMO) 총회에서 세계 각국의 기상대·측후소에서의 지상관측·기상통신망의 강화를 도모하여, 정고도기구(定高度氣球)·로봇부이·기상위성 등을 이용해 전지구면의 전시간 기상감시를 위해 세계기상감시(World Weather Watch:WWW)가 발족되었다. 제1기(1968∼71)에는 수치예보 모델의 개선과 기상위성 기술에 효과를 거두었고, 제2기(72∼75)에 구체적 목표를 추진했다.

지구대기개발계획(GARP:Global Atmospheric Research Project)은 세계기상기구와 국제학술연합회의(ICSU)의 협력에 따라, 73∼74년의 열대기상관측실험(TROMEX) 및 75∼76년의 전 지구적 기상관측실험(GROMEX)을 하는 것으로서, 인공위성·로켓 등에 의한 대기의 준2년주기(準二年週期)의 추구, 극지구의 에너지수지(收支) 탐구, 대륙 주변의 기단변질(氣團變質) 관측 등도 계획에 포함되어 있다.

미국·소련 이외의 나라들도 기상위성 개발계획이 추진되고, 프랑스의 페오르(70년 12월 12일 발사)는 측지기상위성으로서 성공하였다.