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猎球者(www.99cx.vip):中国风云气象卫星50年:从0开始,到世界先进

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本文来自微信公众号:返朴 (ID:fanpu2019),作者:董瑶海、陈文强、杨军,题图来自:视觉中国


风云气象卫星的发展是我国改革开放、科技发展的一个缩影。通过50多年来航天人和气象人坚持不懈的奋斗和自主创新,气象卫星已成为现代气象业务和国民经济建设中必不可少的科技支撑。风云气象卫星观测资料为气象、海洋、农业、林业、水利、航空、航海和环境保护等领域提供了大量的公益性、专业性和决策性服务,产生了巨大的社会效益和经济效益。如今,风云气象卫星已成为我国民用遥感卫星效益发挥最好、应用范围最广的卫星之一。


中国气象卫星的发展历程


我国从20世纪70年代开始研制气象卫星,至今已经发展到第二代。其中风云一号卫星为中国第一代极地轨道气象卫星,风云二号卫星为中国第一代地球静止轨道气象卫星,风云三号卫星和风云四号卫星分别为中国第二代极地轨道气象卫星和地球静止轨道气象卫星。


我国自1988年9月7日发射第一颗气象卫星—风云一号极地轨道气象卫星以来,经过30多年的发展,已成功发射“2代4型”极地轨道和地球静止轨道共19颗气象卫星,截至2021年10月,共有8颗气象卫星在轨稳定运行。极地轨道气象卫星和地球静止轨道气象卫星组成了中国气象卫星监测系统,实现了组网观测业务化。中国成为继美、欧之后世界上同时拥有两种轨道气象卫星的国家,是世界气象组织天基综合对地观测网的重要支柱。


目前超过2700个国内用户及120多个国家和地区接收与利用风云气象卫星资料。风云气象卫星被世界气象组织列入国际气象卫星序列,是全球气象观测的主力卫星。


我国气象卫星从无到有、从弱到强,实现了从跟跑国外卫星到并跑再到部分领跑的跨越,现已具备高低轨组网的全球观测能力,且综合性能达世界先进水平。



第一代极地轨道气象卫星


1970年我国决定发展第一代极地轨道气象卫星,卫星研制任务由刚刚组建的上海航天基地承担。1977年,国家气象卫星方案论证会在上海召开,从此中国气象卫星的新纪元开启了。我国第一代气象卫星的研制可谓白手起家,经过10多年的攻关,1988年风云一号A星成功发射。


风云一号A星是一颗高1.2m,长、宽各为1.4m的长方体,左右两块太阳电池翼被打开以后,其跨度为8.6m。卫星重750kg,在901km高的太阳同步轨道上运行。卫星携带多光谱可见光红外扫描辐射仪,它有5个通道,用于获取昼夜可见光、红外云图、冰雪覆盖、植被、海洋水色、海面温度等,性能与当时的美国第三代极地轨道气象卫星相当。风云一号A星入轨运行不久,发现仪器散发出的水汽对红外探测器产生污染,性能指标下降。该卫星升空39天后便发生了意外,卫星遭遇强烈的太阳活动,星上计算机被太阳高能粒子击中发生翻转,传回的图像发生扭曲,卫星姿态沿飞行方向严重偏转;地面控制中心无法控制卫星姿态,风云一号A星最后彻底失控,消失在茫茫太空之中。


风云一号B星于1990年9月3日用长征四号火箭发射升空,采取了污染防护设计和防护措施,卫星在轨图像质量良好,超过预期。姿态控制系统相比于风云一号A星有明显改善,但系统的可靠性设计存在缺陷,在轨正常运行165天后,星载计算机突发故障造成卫星姿态失控,经过连续75天的抢救后恢复正常工作。但是星载计算机受到空间环境的影响,工作不稳定,卫星断续工作至1991年11月,在轨累计正常运行285天。


风云一号A星和风云一号B星让我国航天工作者第一次认识到光学遥感仪器污染、在轨空间环境影响及系统可靠性等一系列前所未有的困难。风云一号C星汲取经验教训,经过了一系列改进,卫星探测性能、空间环境适应性和系统可靠性都大幅提高。风云一号C星于1999年5月10日发射,设计寿命2年,在轨稳定运行并超期服役至2004年6月,开启了中国气象卫星长寿命、高可靠、连续稳定业务化运行的新纪元。风云一号D星于2002年发射,在轨稳定运行10年。


风云一号C星凭借其优越的性能和稳定性,荣获2001年国家科学技术进步一等奖;被列为20世纪末中国三大事件之一,铭刻在中华世纪坛上。2000年8月,世界气象组织将风云一号C星纳入全球应用气象卫星序列,成为全球综合对地观测系统(GEOSS)的重要成员。风云一号C星与欧美国家的气象卫星一起,形成了对地球大气、海洋和地表环境的全天候、立体、连续观测的卫星观测网,大大增强了人类对地球系统的综合观测能力。


相比于国外,我国气象卫星事业起步较晚,为尽快追赶国际气象卫星观测先进水平,我国航天工作者和气象工作者共同努力,提出了气象卫星研制“小步快跑”的发展理念。具体来讲,就是摒弃国外同一代卫星状态完全一致的理念,让我国的同一代卫星中每颗卫星相比前一颗卫星都进行性能提升,用一代4颗星的发展追赶欧美极地轨道5代卫星的发展成果。风云一号C星及D星性能指标相比A星及B星大幅提升,遥感仪器观测波段由5波段提高至10波段,波段数增加了一倍;卫星寿命要求由1年提高至2年,性能指标全面达到当时的国际先进水平。


面对成绩,我国的航天人和气象人的目光并没有停留于此。随着我国经济社会的快速发展,风云一号卫星上装载的遥感仪器已无法满足气象现代化的需求,于是发展我国第二代极地轨道气象卫星的议案又摆在大家面前。“装备一代、研制一代”,在研制风云一号卫星的同时,第二代极地轨道气象卫星论证开启了。


第一代地球静止轨道气象卫星


我国第一颗地球静止轨道气象卫星风云二号A星于1997年6月10日发射成功,至今已成功发射了8颗风云二号卫星。


风云二号卫星首次实现了“多星在轨、统筹运行、互为备份、适时加密”运行模式。双星联合由单星的30min获取一幅地球全圆盘图像缩短到15min,每6min进行一次中国区域观测,提高了使用效率,有力提升了对中国全境的气象综合监测能力,为我国和世界气候监测及天气预报提供了实时动态资料。


风云二号卫星装载的主要有效载荷—多通道扫描辐射计是一台光学遥感仪器。它利用卫星自西向东的自旋运动和辐射计望远镜自北向南的步进,实现对地球的二维观测,具有可见光、红外和水汽等5个波段,可同时对地球大气现象和快速变化情况进行实时、连续的观测和监视,每天获取28幅20°×20°范围的地球全景圆盘图;在(汛期)加密观测下,每天可以获取云图48时次(全景圆盘图28幅、北半球图20幅);可按灵活机动业务需求以5~6min/幅频次扫描我国及周边区域云图。


风云二号卫星在全球气象卫星观测网中占有重要的位置。过去,对整个东亚,特别是对印度洋、青藏高原区域的卫星观测是很薄弱的。风云二号卫星定位于105°E,其位置决定了它是整个地球观测系统中不可或缺的一部分,它获得的观测资料对国际的气象界乃至地球科学界都有贡献。在世界气象组织的空间计划中,风云二号卫星被列为骨干气象卫星,承担全球天气和气候观测的义务。


风云二号卫星发射历程


风云二号卫星的业务化应用,为气象、海洋、农业、林业、水利、航空、航海、环保等领域提供了大量的公益性和专业性服务,已被世界气象卫星组织纳入国际业务应用气象卫星序列,成为全球天基综合观测系统的重要组成部分,可为世界各国用户提供服务。


1997年6月我国成功发射第一颗地球静止轨道气象卫星后,2004年10月19日和2006年12月8日,我国又分别成功发射了风云二号C星和D星,首次实现了“双星运行、互为备份”,实现了地球静止轨道气象卫星的业务化运行。其中,风云二号C星及地面应用系统还荣获2007年度国家科技进步一等奖。

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风云一号卫星和风云二号卫星的发射成功,结束了我国气象预报卫星数据长期依赖国外卫星的历史。从此,我国成为同时拥有极地轨道和地球静止轨道两个系列气象卫星的国家。


第二代极地轨道气象卫星


2000年9月,国家批准风云三号卫星立项。经过长达8年的研制,中国第一颗第二代极地轨道气象卫星风云三号A星于2008年5月27日成功发射,风云三号B星也于2010年11月5日成功发射,风云三号A、B两颗试验星的成功发射和运行标志着中国第二代气象卫星全面进入业务运行阶段,风云三号卫星完全接替了风云一号卫星的对地气象观测任务。此后我国分别于2013年9月、2017年11月、2021年7月发射了风云三号的C星、D星、E星。


风云三号A星的质量为2298.5kg,采用三轴稳定姿态控制方式,搭载有可见光红外扫描辐射计、红外分光计、微波温度计、微波湿度计、中分辨率光谱成像仪、微波成像仪、紫外臭氧总量探测仪、紫外臭氧垂直探测仪、地球辐射探测仪、太阳辐射监测器和空间环境监测器共11台有效载荷,有90多种探测通道,可以不分白天黑夜,对任何气象环境进行探测。每天可对全球扫描2次,每次扫描幅宽为2900km。卫星上携带的垂直探测仪,可以对地表以上30km范围内的大气进行立体观测,大大增强了气象预报的精细水平和准确率。



风云三号 A 星创造的诸多第一


全球首颗民用晨昏轨道气象卫星风云三号E星(也称黎明星)于2021年7月5日发射,运行在830km太阳同步晨昏轨道上空,迎着黎明为全球提供气象观测数据。它的发射填补了我国晨昏轨道气象卫星技术空白,与风云三号C星、D星实现“上午轨道、下午轨道和晨昏轨道”三星组网观测。风云三号E星搭载的风场测量雷达实现了全球海面风场探测;携带的太阳观测仪器,实现了对空间天气扰动的源头—太阳的成像观测。


风云三号极地轨道气象卫星的技术指标达到了欧美最新一代气象卫星水平,实现了从二维遥感成像到三维综合大气探测,从单一光学探测到全波段宽波谱探测,从千米级观测提高到百米级观测,从国内组网接收到全球组网接收的多项跨越。风云三号卫星在监测大范围自然灾害和生态环境,研究全球环境变化、气候变化规律和减灾防灾等方面发挥了重要作用;同时也可为航空、航海等部门提供全球气象信息。世界气象组织已将其纳入新一代世界极地轨道气象卫星网。


风云三号卫星是我国第二代极地轨道气象卫星,可在全球范围内实施全天候、多光谱、三维、定量探测,主要为中期数值天气预报提供气象参数,并监测大范围自然灾害和生态环境,同时为研究全球环境变化、探索全球气候变化规律、航空航海提供气象信息。


第二代地球静止轨道气象卫星



2016年12月11日零时11分,在西昌卫星发射中心,长征三号乙运载火箭成功发射风云四号A星。风云四号A星是我国地球静止轨道气象卫星从第一代(风云二号卫星)向第二代跨越的首发星,也是我国首颗地球静止轨道三轴稳定定量遥感卫星。


风云四号A星使用全新研制的SAST5000平台,设计寿命7年。它具备对地“多光谱二维成像+高光谱三维探测+超窄带闪电探测”的气象要素实时综合观测能力,同时具备对空间粒子、辐射和磁场等空间天气的观测能力。多通道扫描成像辐射计可15min获取一幅14波段地球圆盘图像,可见光空间分辨率最高为500m,红外空间分辨率为2~4km;红外最高灵敏度0.1K,定标精度优于1K,达到国际同类型载荷先进水平。干涉式大气垂直探测仪采用迈克尔逊干涉仪,实现1650个通道的红外辐射探测,全球首次从地球静止轨道获取高频次的大气温度和湿度垂直分布信息,在轨实测光谱分辨率0.625cm-1,辐射定标精度优于1.5K,光谱定标精度优于10×10-6


闪电成像仪可以以500帧/秒高频次获取闪电探测数据,实时星上开展闪电事件探测,与地基观测数据比对,实现对雷暴系统的实时、连续监测和跟踪。辐射计、探测仪、闪电仪在轨实现联合观测强对流聚集伴随明显的天气事件,辐射计观测到的强对流云细微结构和纹理特征,与闪电事件、探测仪晴空区域感测数据联合,对区域性灾害天气提前预警,提高强对流天气、灾害天气的预报精度具有重要价值。风云四号A星综合探测能力达到国际先进部分领先水平。


风云四号A星投入使用后,我国更加精确地开展了天气监测与预报预警、数值预报、气候监测。卫星装载的闪电成像仪1s能拍500张闪电图,探测区域范围内的闪电频次和强度,在国内首次提供闪电预警。辐射计每3min对台风区域进行观测,弥补了在轨卫星云图时间分辨率不高的缺点,对灾害及环境监测、人工影响天气、空间天气研究等提供了有力支撑。


2021年6月3日,我国成功发射风云四号B星,风云四号A、B两颗卫星实现了更为灵活的双星组网观测,带来高频次天气观测能力的跃升。风云四号B星在国际上首次实现了地球静止轨道250m空间分辨率、中小尺度(2000km×2000km)1min频次观测,为强对流天气监测、重大活动气象保障提供了高频次、高清晰度的观测数据。人们看到风云四号B星云图后都不禁感叹道:“地球从未如此清晰。”


纵观国际,风云四号卫星带领中国高轨气象卫星赶超欧美,抢占国际制高点,在世界上首次实现了地球静止轨道的大气垂直探测,大幅提高了天气预报准确率和精细化水平,同时其图像定位精度达到了国际一流水平。



作者简介


董瑶海:上海航天技术研究院科技委常委、型号总设计师,主要从事气象卫星的研制与发展战略研究工作。历任我国风云三号、风云四号气象卫星总设计师,主持第二代极轨气象卫星和地球静止轨道气象卫星的研制工作。“新世纪百千万人才工程”国家级人选,首届上海青年科技英才。获国家科技进步奖一等奖1项、二等奖1项,省部级奖励及荣誉7项。


陈文强:上海航天技术研究院科技委型号总指挥,主要从事气象卫星的研制和项目管理工作。历任我国风云二号气象卫星副总指挥、风云四号气象卫星总指挥,完成多颗风云二号气象卫星以及风云四号A、B气象卫星的研制、发射任务。获国家科技进步奖一等奖1项,省部级奖励及荣誉1项。


杨军:中国气象局工程办公室主任、工程总师,风云气象卫星工程常务副总指挥,卫星气象学委员会主任委员长期从事风云气象卫星及应用发展研究。国家“百千万人才工程”人选。获国家科技进步奖一等奖1项、二等奖1项,省部级奖励及荣誉8项。


本文经授权节选自《星耀中国:我们的风云气象卫星》(人民邮电出版社,2022年8月版)第四章《气象卫星的“前世今生”》。


本文来自微信公众号:返朴 (ID:fanpu2019),作者:董瑶海、陈文强、杨军

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