12月11日發(fā)射的風(fēng)云四號(hào)不僅實(shí)現(xiàn)了我國高軌氣象衛(wèi)星的升級(jí)換代，而且成功突破了高精度圖像定位與配準(zhǔn)、微振動(dòng)測(cè)量與抑制、定量化遙感等20余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

12月11日凌晨，我國首顆高軌三軸穩(wěn)定氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)科研試驗(yàn)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射成功。作為我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星的首發(fā)星，風(fēng)云四號(hào)不僅實(shí)現(xiàn)了我國高軌氣象衛(wèi)星的升級(jí)換代，進(jìn)一步提升了衛(wèi)星氣象觀測(cè)能力和水平，而且衛(wèi)星成功突破了高精度圖像定位與配準(zhǔn)、微振動(dòng)測(cè)量與抑制、定量化遙感等20余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了多項(xiàng)國內(nèi)技術(shù)空白，使我國靜止軌道定量遙感衛(wèi)星達(dá)到世界先進(jìn)水平。

科研人員在發(fā)射場進(jìn)行風(fēng)云四號(hào)的合練

這顆“上海造”超級(jí)氣象“智慧星”究竟有哪些“獨(dú)門絕技”？解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾呔痛瞬稍L了上海航天技術(shù)研究院相關(guān)專家，一一作答。

千里之外“指哪拍哪”

氣象云圖是是氣象觀測(cè)的重要手段，而靜止軌道氣象衛(wèi)星運(yùn)行于地球赤道上方36000公里的高空，在這樣的高度拍攝圖像，可不是件容易的事，衛(wèi)星“鏡頭”的絲毫偏移，相對(duì)地面可能就是幾十乃至上百公里的差別，真正是“差之毫厘，失之千里”。

風(fēng)云四號(hào)吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)

風(fēng)云四號(hào)總設(shè)計(jì)師董瑤海說，“衛(wèi)星掃描成像是類似打印機(jī)的原理，圖像是通過掃描一行一行拼接而成。為了確保衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的精確，這就要求衛(wèi)星在拍攝圖像時(shí)，即要做到‘瞄得準(zhǔn)’，也要做到‘對(duì)得上’。”“瞄得準(zhǔn)”就是要求衛(wèi)星的相機(jī)能始終準(zhǔn)確定位同一個(gè)地理位置；“對(duì)得上”就是要求衛(wèi)星拍攝的相鄰圖像的相對(duì)位置關(guān)系配準(zhǔn)精確。“定位與配準(zhǔn)的精度將直接影響衛(wèi)星產(chǎn)品的定量應(yīng)用。”

前一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號(hào)上，采取的是云圖傳回后在地面進(jìn)行配準(zhǔn)的方法，但風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星指標(biāo)精度大幅提高，星上實(shí)時(shí)配準(zhǔn)的效果要優(yōu)于地面配準(zhǔn)，圖像導(dǎo)航與配準(zhǔn)技術(shù)也就成為衛(wèi)星必須突破的重大關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖像定位與配準(zhǔn)就是通過對(duì)衛(wèi)星上關(guān)系載荷掃描成像的各種影響因素進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和補(bǔ)償，消除偏差影響，實(shí)現(xiàn)“無姿態(tài)偏差、無軌道偏差、無熱變形偏差”的“完美”成像，提高圖像的精度。這也是的當(dāng)前世界新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星的核心技術(shù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，風(fēng)云四號(hào)研制團(tuán)隊(duì)歷時(shí)10余年攻關(guān)，先后攻克了衛(wèi)星高精度姿態(tài)確定方法、熱變形在軌辨識(shí)和建模技術(shù)以及姿態(tài)、軌道和熱變形補(bǔ)償技術(shù)等技術(shù)瓶頸。

經(jīng)過地面試驗(yàn)驗(yàn)證，風(fēng)云四號(hào)定位精度可達(dá)到1像元。什么概念？“衛(wèi)星在36000公里對(duì)地球進(jìn)行掃描拍照時(shí)，衛(wèi)星載荷鏡頭對(duì)地面的指向精度偏差不大于5個(gè)角秒，也就是時(shí)鐘的秒針滴答一下、每秒轉(zhuǎn)過角度的1/4320，保證了衛(wèi)星對(duì)地成像的精準(zhǔn)度，做到‘指哪拍哪’。”上海航天技術(shù)研究院衛(wèi)星專家周徐斌說，這與國外最新的高軌氣象衛(wèi)星處于同一起跑線上，進(jìn)一步提高了我國靜止軌道定量遙感衛(wèi)星的研制能力。

克服“一口氣”的振動(dòng)

攝影愛好者都知道，要拍攝出一幅精美的照片，不僅要對(duì)焦準(zhǔn)確，還要保持相機(jī)的穩(wěn)定，如今，功能強(qiáng)大的防抖技術(shù)也是各相機(jī)廠家的重要賣點(diǎn)。

風(fēng)云四號(hào)正在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試

與此類似，衛(wèi)星在軌道上觀測(cè)地球，也要考慮振動(dòng)對(duì)載荷的影響。衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，星上活動(dòng)部件比如飛輪、制冷機(jī)等的正常工作，不可避免會(huì)給衛(wèi)星帶來細(xì)小的振動(dòng)。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星工程總師李卿說，“而風(fēng)云四號(hào)配置的干涉式大氣垂直探測(cè)儀，因其工作機(jī)制對(duì)外界微小振動(dòng)干擾極其敏感，一個(gè)細(xì)小的振動(dòng)——哪怕只是在衛(wèi)星邊上吹一口氣，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生無法甄別或消除的譜線，使得光譜性能退化。同時(shí)，振動(dòng)也會(huì)造成探測(cè)儀以及輻射計(jì)掃描機(jī)構(gòu)掃描控制精度下降，直接影響載荷的性能指標(biāo)。”

根據(jù)對(duì)比，風(fēng)云四號(hào)與美國前不久發(fā)射的GOES-R衛(wèi)星和歐洲正在研制的MTG衛(wèi)星在成像觀測(cè)能力方面相當(dāng)。“但美、歐由于技術(shù)、經(jīng)費(fèi)等方面的因素，把成像輻射計(jì)和干涉式垂直大氣探測(cè)儀，分別裝在兩顆衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)成像觀測(cè)和垂直探測(cè)，以避免兩臺(tái)大型光學(xué)儀器運(yùn)動(dòng)部件帶來的動(dòng)力學(xué)干擾等技術(shù)問題，影響到圖像中每個(gè)像素的配準(zhǔn)和圖像的定位精度。”李卿說。

“之所以能將這兩種載荷同時(shí)裝載到風(fēng)云四號(hào)上，因?yàn)槲覀兘鉀Q了衛(wèi)星平臺(tái)微振動(dòng)測(cè)量和抑制等核心關(guān)鍵技術(shù)。”李卿透露，為了克服微振動(dòng)影響，研制團(tuán)隊(duì)在對(duì)衛(wèi)星10余個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的振動(dòng)特性與傳遞路徑的分析、試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了微振動(dòng)測(cè)量與抑制的方法，并在工程上成功實(shí)現(xiàn)了振源隔振裝置和有效載荷隔振裝置的研制。“這相當(dāng)于給單機(jī)坐上‘軟沙發(fā)’，成功隔絕平臺(tái)微小的振動(dòng)影響，微振動(dòng)抑制效率達(dá)到90%以上，為探測(cè)儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了良好力學(xué)環(huán)境。”

36000公里高空“明察秋毫”

為了提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已成為當(dāng)前制作日常天氣預(yù)報(bào)的主要方法，而數(shù)值預(yù)報(bào)的前提是精確的大氣觀測(cè)參數(shù)，以為復(fù)雜的大氣環(huán)境動(dòng)力學(xué)方程提供初始條件。氣象衛(wèi)星又被叫做定量遙感衛(wèi)星，除了獲取云圖外，更重要的功能就是獲取準(zhǔn)確的、定量化的大氣和地表觀測(cè)信息，為后續(xù)的應(yīng)用提供服務(wù)。董瑤海打比方說，“當(dāng)?shù)孛娴臏囟扔?℃的變化，氣象衛(wèi)星就要在36000公里的高空感測(cè)出來，提供科研人員進(jìn)行分析。”

試驗(yàn)廠房內(nèi)的風(fēng)云四號(hào)側(cè)面

針對(duì)越來越高的定量遙感需求，風(fēng)云四號(hào)裝載的多通道掃描成像輻射計(jì)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀和閃電成像儀，在性能上比之前的衛(wèi)星有大幅的提升。

衛(wèi)星裝載的多通道掃描成像輻射計(jì)擁有14個(gè)輻射成像通道，覆蓋可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段，接近美國的GOSE-R的16通道，同時(shí)星上輻射定標(biāo)精度達(dá)到1K、靈敏度0.1K。“舉例來說，青海湖的溫度是20℃，風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星可以做到對(duì)其溫度的測(cè)量誤差小于1℃，同時(shí)，當(dāng)湖水溫度變化0.1℃時(shí)，衛(wèi)星就能夠準(zhǔn)確感知出來。”董瑤海表示，此外還可以通過不同光譜通道的觀測(cè)，對(duì)全國植被覆蓋、糧食畝產(chǎn)等做出預(yù)估，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益巨大。

衛(wèi)星裝載的干涉式大氣垂直探測(cè)儀，其光譜探測(cè)通道達(dá)到1700個(gè)，光譜分辨率0.625cm-1，可在垂直方向上對(duì)大氣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度定量探測(cè)。“相當(dāng)于對(duì)大氣進(jìn)行CT掃描，這也是國際上靜止軌道氣象衛(wèi)星的首次裝載，獲取的高光譜大氣數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。”周徐斌說。

另據(jù)透露，衛(wèi)星裝載的我國自主研制，也是國內(nèi)首次應(yīng)用的閃電成像儀，一秒鐘可以拍攝500張閃電圖，探測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的閃電頻次和強(qiáng)度，這可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)與跟蹤，提供閃電災(zāi)害預(yù)警。

不過，董瑤海也表示，天氣預(yù)報(bào)是一件極其復(fù)雜的工作，除了溫度外，還包含濕度、壓強(qiáng)、風(fēng)很多指標(biāo)，涉及溫濕度、導(dǎo)風(fēng)、閃電、輻射、云和氣溶膠、大氣成分等數(shù)十個(gè)種類衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用。據(jù)悉，風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行后，將提供包括云、輻射、溫濕度、大氣、導(dǎo)風(fēng)、閃電等34種數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

打造超豪華高軌衛(wèi)星平臺(tái)

氣象衛(wèi)星與其他衛(wèi)星不同，要求提供連續(xù)穩(wěn)定的業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，也就是一天24小時(shí)、全年365天得天天當(dāng)班，每天都要報(bào)出晴雨、溫度、風(fēng)力等數(shù)據(jù)，這就要求衛(wèi)星具有極高的可靠性與時(shí)效性。

我國是世界氣象組織的重要成員，風(fēng)云系列衛(wèi)星也是全球?qū)Φ赜^測(cè)業(yè)務(wù)衛(wèi)星序列的重要成員，除了大家每天收到的天氣預(yù)報(bào)，還要為世界其他國家提供氣象數(shù)據(jù)，目前全球有90多個(gè)國家和地區(qū)使用風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)，風(fēng)云衛(wèi)星受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

上海航天技術(shù)研究院科研三部部長路同山說，為了提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的業(yè)務(wù)服務(wù)，科研人員為風(fēng)云四號(hào)量身打造了一個(gè)角秒級(jí)測(cè)量和控制精度的高軌三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺(tái)——SAST5000平臺(tái)，該平臺(tái)首次采用了六面柱體構(gòu)型，具有承載能力大、質(zhì)心低、力學(xué)響應(yīng)小、對(duì)地面大等特點(diǎn)，除了前面提到的國內(nèi)首創(chuàng)的星上實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)母呔葓D像定位配準(zhǔn)技術(shù)和微振動(dòng)抑制測(cè)量技術(shù)外，衛(wèi)星還采用了雙總線體制、高性能AOS技術(shù)、大功率電源、整星防靜電技術(shù)、整星防污染技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命7年之久，發(fā)射重量5400公斤，壽命末整星功率3200瓦，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

資料顯示，“十二五”期間，我國24小時(shí)晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較“十一五”提高了2個(gè)百分點(diǎn)，溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高了13個(gè)百分點(diǎn)，24小時(shí)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差縮小了66公里，全國平局每年因氣象災(zāi)害造成的死亡任務(wù)也較“十一五”下降一半以上，氣象衛(wèi)星透出產(chǎn)出效益比高達(dá)1:40。

隨著風(fēng)云四號(hào)科研試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射和應(yīng)用，以及地面應(yīng)用系統(tǒng)40多項(xiàng)衛(wèi)星氣象產(chǎn)品的開發(fā)，它將使我國衛(wèi)星氣象事業(yè)有一個(gè)質(zhì)的飛躍，我國的遙感衛(wèi)星技術(shù)也將跨上嶄新的臺(tái)階。

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