Az első meteorológiai célokra tervezett műholdat (TIROS, Television Infrared Observation Satellites) 1960. áprilisában állította a NOAA Föld körüli kvázipoláris pályára. A következő műhold, melyet 1978-ban környezeti kutatási céllal bocsátottak fel, a TIROS-N nevet viselte, s egyben prototípusként szolgált egy több évtizedet átölelő műholdcsaládhoz. A NOAA és a NASA közösen indította egykor, és bocsátja pályájukra még ma is ezt a sorozatot, melynek első tagja a NOAA-6 volt 1979-ben, utolsó tagja pedig a NOAA-N’ lesz, várhatóan 2008-ban.

A NOAA és a NASA közös kvázipoláris kutató műholdjai

A NOAA-8 műhold volt az első tagja annak a továbbfejlesztett TIROS-N sorozatnak (ATN), mely több műszerrel lett felszerelve, mint elődjei. Ezek a műszerek a sorozat tagjainak fedélzetén egészen a NOAA-14 műholdig bővítés nélkül megmaradtak. Újabb fejlesztések eredményeként jött létre a NOAA-15 műholdtól kezdődően a NOAA KLM műholdsorozat, melyről a következő alfejezetben részletesebben olvashatunk. A NOAA-8 műholdtól kezdődően a műholdakat ellátták egy ún. SAR (Search And Rescue) nevű berendezéssel is, mely a bajba jutott és vészjelzést leadó hajósok és pilóták földrajzi felderítését és megmentését segíti.

A műholdak neve a sikeres pályáraállítás után változik betűről számmá. Például a NOAA-M műhold 2002. június 24. óta a NOAA-17 nevet viseli. A sikeresen pályára állított műholdak átlagos keringési magassága 833 és 870 km között váltakozik. Így a TIROS-N műhold 870 km magasan kering a Föld körül, az utoljára fellőtt NOAA-17 műhold magassága pedig 833 km. Föld körüli keringésük iránya retrográd, a pontos inklináció (a Föld egyenlítői síkjával bezárt szöge) műholdanként változó, értékük kb.: 98°-99°. Magasságuknak megfelelően 14-szer kerülik meg a Földet egy nap, keringési idejük 101,3 és 102,2 perc, mely idő alatt a Föld forgásából adódóan mintegy 25°-kal keletre haladnak a Föld adott szélességi körén. Egy adott térség fölé 12 óra elteltével érkezik vissza a műhold, de ellentétes irányból, mint az előző áthaladáskor.

A NOAA kvázipoláris műholdak tervezett élettartama két év, így megközelítőleg kétévenként bocsátották fel a soron következő műholdat. A felbocsátások közötti két év az óriási költségek (műholdanként kb. 300 millió USD) és egy esetlegesen meghibásodó műholddal járó kockázat kompromisszumaként állt elő. A kisebb-nagyobbfajta meghibásodások ellenére, a felbocsátott műholdak többségének élettartama a várható két évet jóval meghaladta, mely egyrészt a műszerek megbízhatóságának, másrészt a széles körű és alapos laboratóriumi teszteléseknek köszönhető.
Az aktív műholdakból álló rendszer tagjai más-más funkciókat töltenek be. A két legfiatalabb működőképes műhold tölti be mindig az elsődleges műholdak szerepét úgy, hogy közülük az egyik – napjainkban a NOAA-17 – délelőtti pályára állítva, a másik pedig – jelenleg a NOAA-16 – délutáni pályára állítva kering a Föld körül. Az alapján, hogy egy műhold nappal egy adott földrajzi pont felé közeledve helyi idő szerint mikor lépi át először az Egyenlítőt beszélünk délelőtti, vagy délutáni műholdról. A konkrét időpontok megválasztása a különböző szempontok optimalizálásával történik úgy, hogy a különféle adatok felhasználhatósága minél jobb legyen. A két operatív műhold segítségével naponta négyszer kapunk szinte teljes lefedettségű képet bolygónkról.

A NOAA KLM műholdsorozat

A KLM sorozat első tagját, a NOAA-15 műholdat 1998 májusában állították föld körüli pályájára, s rá két-két évvel fellőtték a NOAA-16 és a NOAA-17 műholdakat is. Már évekkel a felbocsátásukat megelőzően kialakult ennek a háromelemű sorozatnak a koncepciója, melyeket a soron következő betűkkel, K-val, L-lel, és M-mel jelöltek. A NOAA és a NASA közös újabb kvázipoláris műholdjuknak, a NOAA-N műholdnak a fellövését 2005 februárjára tervezik, így addig a NOAA-17 műhold marad a legfiatalabb.

A sorozatot a korábbi műholdak műszereinek részben továbbfejlesztet változatával szerelték fel. Ezekkel a műszerekkel méréseket végeznek a Föld légkörére, felszínére, felhőzetére vonatkozóan.

A NOAA KLM kvázipoláris műholdakon megtalálható fontosabb
mérőműszerek és adatátjátszó berendezések

A mérésekből olyan mennyiségek származtathatóak le, mint a felszín és felhőzet albedója és hőmérséklete, a légköri ózon és az aeroszolok mennyiségi és térbeli eloszlása, a vertikális hőmérsékleti és nedvességi profilok, proton és elektron fluxusok a műhold magasságában.

A műholdak által mért adatok kétféleképpen juthatnak el a műholdról a felhasználókhoz:
(1) A műholdon lévő háttértáron az adatok egy bizonyos része elmentésre kerül egészen addig, amíg egy a lekérdezésre jogosult állomás ezeket le nem kéri a műholdról. Két ilyen jogosultsággal rendelkező állomás (Command and Data Acquisition Station) létezik: az alaszkai Fairbanks, és a virginiai Wallops-szigetek. Az így lekért adatok lehetnek globális (GAC, Global Area Coverage) és lokális (LAC, Local Area Coverage) gyűjtésűek. A GAC típusú adatok egyrészt a műhold működéséről tartalmaznak információt, másrész két műszer méréseit tartalmazzák: az AVHRR/3 3,27 km × 5,45 km-es felbontású képeit és az AMSU vertikális szondázó műszer mért adatait. A műhold háttértára korlátozott méretű, így ebből a fajta adatokból kb. 115 percnyi tárolható. A LAC típusú adatok eredeti felbontású, maximálisan 11,5 perces AVHRR/3 méréseket tartalmaznak egy adott területről, melyet az egyéni felhasználók kérésére rögzítenek.
(2) Közvetlen rádióvétellel a műhold által mért műszerek eredményei azonnal elérhetőek a műhold pillanatnyi adókörzetén belül. Ennek a közvetlen rádióvételnek három módja van:
(2a) Az ún. nagy felbontású képtovábbítással (HRPT, High Resolution Picture Transmission) megfelelő vevőberendezéssel azonnal elérhetőek a műhold paraméterei és a mérőműszerek teljes felbontású adatai, ha a műhold az adott földrajzi ponthoz képesti horizont felett helyezkedik el, vagyis rádióadása fizikailag vehető. Ekkor a vevőantenna a műhold látókörében (ún. footprintjében) fekszik. A műhold mindig az utoljára mért adatokat sugározza ki folyamatos adatáram formájában (melynek adatátviteli sebessége 665400 bit/másodperc), így csak azok az adatok érhetők el egy adott vevőantenna segítségével, melyeket a műhold műszerei a horizonttól horizontig tartó pályájuk során mértek. A horizonttól horizontig ívelő pályán maximum 15,5 perc alatt halad végig a 833 km magasan keringő műhold, és maximum 16 perc alatt a 870 km magasan keringő. A maximum értékek arra az esetre vonatkoznak, amikor a műhold pontosan a vevőantenna felett halad át. A HRPT-vel érkező adatáram tartalmazza az AVHRR/3 sugárzásmérő adatait, az AMSU vertikális szondázó egység méréseit, és a TIROS információ-feldolgozó egység (TIP, TIROS Information Processor) adatait. Ez utóbbi a méréshez tartozó pontos időpontból, a műhold helyzetére és működésére vonatkozó adatokból, a HIRS/3, a SEM/2, az SBUV/2 műszerek mért adataiból, és a DCS/2 adatgyűjtő továbbított adataiból áll. A WMO felmérése alapján világszerte 628 HRPT vevőállomás volt 2000-ben (NOAA, 2002).
(2b) Ún. közvetlen nagyfrekvenciás adatátvitellel (DSB, Direct Sounder Broadcasting) külön elérhető a HIRS/3, a SEM/2 és a DCS/2 adatai anélkül, hogy a költségesebb és komplikáltabb HRPT vevőberendezést telepíteni kellene.
(2c) Az automatizált képtovábbítással (APT, Automated Picture Transmission) érkező adatokhoz szükséges a legkevésbé költséges és legegyszerűbb vevőállomás, ezért igen elterjedt: világszerte 4097 ilyen vevőállomást regisztráltak 2000-ben (NOAA, 2002). Az így elérhető adatok azonban csak az AVHRR/3 műszer által mért látható és infravörös képből készült csökkentett felbontású (4 km × 4 km) képek, melyek szintén csak akkor vehetőek, ha a műhold a horizont felett tartózkodik.