12月11日,搭載風(fēng)云四號衛(wèi)星的運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空。新華社發(fā)

　　原標(biāo)題:天氣預(yù)報準(zhǔn)確度將大幅提高

　　記者 潘珊菊

　　昨日,記者從國防科工局、國家航天局獲悉,當(dāng)天凌晨,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭成功發(fā)射風(fēng)云四號衛(wèi)星。風(fēng)云四號衛(wèi)星將對我國及周邊地區(qū)的大氣、云層和空間環(huán)境進行高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率的觀測,大幅提高天氣預(yù)報和氣候預(yù)測能力。

　　風(fēng)云四號衛(wèi)星到底有多牛?

　　新技術(shù)在36000公里外“明察秋毫”

　　如果將太陽同步軌道衛(wèi)星比喻為圍繞著地球轉(zhuǎn)動“流動巡邏的警察”,靜止軌道衛(wèi)星則好比“定點站崗的警察”。風(fēng)云四號的“崗位”位于距離地球36000公里的高空,在如此遙遠的太空對地球上風(fēng)云變幻“明察秋毫”,得益于成功突破了代表國際先進水平的高精度圖像定位與配準(zhǔn)、微振動測量與抑制、定量化遙感等20余項關(guān)鍵技術(shù)。

　　高精度的圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù),是各國靜止軌道衛(wèi)星正在全力攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。這一技術(shù)能讓衛(wèi)星的“眼睛”從幾萬里之外的太空,精準(zhǔn)地看到地球上任何想看的地方,并在拼接圖像時做到零誤差。為了突破這一技術(shù),美國歷時11年、經(jīng)過5顆衛(wèi)星的持續(xù)改進,在GOER-N上才取得突破,在剛剛發(fā)射的GOES-R衛(wèi)星實現(xiàn)了定位精度達到1公里。

　　中國航天科技集團八院風(fēng)云四號研制團隊經(jīng)過十多年的技術(shù)攻關(guān),先后攻克了衛(wèi)星高精度姿態(tài)確定方法、熱變形在軌辨識和建模技術(shù)以及姿態(tài)、軌道和熱變形補償技術(shù)等技術(shù)瓶頸,衛(wèi)星圖像導(dǎo)航配準(zhǔn)精度達到“1像元”,即在36000公里高空對地拍照誤差控制在1公里之內(nèi),補償效率達到98.8%,與美國剛剛發(fā)射的GOES-R衛(wèi)星相當(dāng)。

　　新平臺

　　實現(xiàn)對地球24小時“凝視”

　　今后,在長達7年的設(shè)計壽命期間,風(fēng)云四號將接替風(fēng)云二號“上崗”,成為全球?qū)Φ赜^測業(yè)務(wù)衛(wèi)星序列的重要一員。每天24小時、共計2555天的“執(zhí)勤”期間,不能有絲毫差錯,更不能“因病請假”,這對衛(wèi)星“身體素質(zhì)”提出了極高的穩(wěn)定性與可靠性要求。

　　中國航天科技集團八院科研團隊專門為風(fēng)云四號“量身定制”了一個角秒級測量和控制精度的高軌三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺——SAST5000平臺,平臺采用六面柱體構(gòu)型、單太陽翼、三軸穩(wěn)定控制方案,并采用了雙總線體制、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),可實現(xiàn)對地球24小時“凝視”。

　　太陽電池翼是衛(wèi)星的關(guān)鍵部位之一。傳統(tǒng)衛(wèi)星的太陽翼都是雙翼構(gòu)型,分布在衛(wèi)星的兩側(cè),好像兩只展開的“翅膀”。風(fēng)云四號卻只有一側(cè)裝有太陽翼,研究團隊專門設(shè)計了一款“T”構(gòu)型的太陽翼,大大縮短了太陽翼質(zhì)心與衛(wèi)星的距離。一旦太陽翼發(fā)生晃動或抖動,對衛(wèi)星的干擾將大大減少。

　　風(fēng)云四號上的數(shù)管計算機和數(shù)據(jù)處理器,是衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理的核心部件,相當(dāng)于整顆衛(wèi)星的“心臟”,一刻也不能停頓。而風(fēng)云四號衛(wèi)星載荷成像精度高、數(shù)據(jù)量大,如何確保數(shù)據(jù)處理器、數(shù)傳系統(tǒng)高速穩(wěn)定運行,且能靈活配置數(shù)據(jù)路由,將大量數(shù)據(jù)及時傳回地面,在關(guān)鍵時刻不“卡殼”,也是研制團隊面臨的一大難題。

　　通過不斷討論、驗證,最終采用了SpaceWire和高低速總線相結(jié)合的模式,突破了靜止軌道氣象衛(wèi)星大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)钠款i。同時采用了嚴(yán)格的空間防靜電設(shè)計、光學(xué)部件的防污染設(shè)計、多活動部件的可靠性與壽命設(shè)計等,大大提高了衛(wèi)星的“身體素質(zhì)”。

　　新載荷

　　把地面隔振平臺“搬到”太空

　　風(fēng)云四號“最牛”的地方不僅在于搭載了許多先進的觀測儀器,更在于將一種對觀測環(huán)境要求極為“嚴(yán)苛”的儀器,與其他儀器一起搭載在同一顆衛(wèi)星上,這就是干涉式大氣垂直探測儀。

　　干涉式大氣垂直探測儀是一種類似于給大氣“做CT”的先進儀器,但使用起來也極為“嬌貴”。一個細小的振動——哪怕只是在衛(wèi)星邊上吹一口氣,就會導(dǎo)致產(chǎn)生無法甄別或消除的譜線,使得光譜性能退化。因此,該儀器在地面上使用,需專門為它建造一個超靜隔音的地下室。在開放的太空使用,為了防止其他儀器振動和噪音干擾,歐洲計劃專門為它發(fā)射一顆衛(wèi)星。

　　在國際上,風(fēng)云四號首次在單星上同時搭載多通道掃描成像輻射計和干涉式大氣垂直探測儀,首次同時實現(xiàn)二維成像觀測和大氣垂直分層三維觀測,實現(xiàn)國外兩顆星達到的功能。

　　為克服微振動的影響,研制團隊對風(fēng)云四號上的10多個轉(zhuǎn)動部件的振動特性與傳遞路徑,進行了深入分析和試驗,提出了微振動測量與抑制的方法。并在此基礎(chǔ)上,在國內(nèi)率先實現(xiàn)了振源隔振裝置和有效載荷隔振裝置的工程化,使衛(wèi)星平臺對敏感載荷的振動干擾,降低到0.1mg(用手輕輕擊桌面的振動量級約為300mg)。這相當(dāng)于把地面的隔振平臺,直接“搬到”了太空。

　　此外,衛(wèi)星裝載的我國自主研制的閃電成像儀一秒鐘可拍攝500張閃電圖,對強對流天氣進行監(jiān)測與跟蹤,提供閃電災(zāi)害預(yù)警。

　　衛(wèi)星云圖對天氣預(yù)報到底有何用?

　　根據(jù)方程運算獲取未來天氣預(yù)報

　　記者從航天科技集團公司八院獲悉,氣象衛(wèi)星主要是通過衛(wèi)星裝載的各種探測儀器獲得不同的衛(wèi)星氣象云圖與遙感數(shù)據(jù),然后通過云圖反演出其他參數(shù),并應(yīng)用到天氣預(yù)報模式中,再根據(jù)方程的運算得到未來的天氣。

　　衛(wèi)星云圖在天氣預(yù)報中常常被使用說明天氣情況,花花綠綠的衛(wèi)星云圖為識別不同天氣系統(tǒng),確定他們的位置,判別天氣系統(tǒng)的發(fā)展階段及其未來的演變趨勢,如估計臺風(fēng)中最大風(fēng)速,以及估計對流云的降水強度等基礎(chǔ)。這些衛(wèi)星云圖都是由氣象衛(wèi)星從太空不同的位置對地球表面進行拍攝,并通過衛(wèi)星將大量的觀測數(shù)據(jù)傳回地面站,然后將這些數(shù)據(jù)合成精美的云圖照片。

　　例如,中央電視臺氣象預(yù)報的衛(wèi)星云圖,就是風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星攝取的。每天大家看到的衛(wèi)星云圖天氣預(yù)報動畫是由過去12幅衛(wèi)星云圖組成,每隔半小時或一小時一幅,通過圖像動畫讓觀看者更清楚地了解云團的移動變化。

　　風(fēng)云四號衛(wèi)星正式投入業(yè)務(wù)運行后,將逐步接替風(fēng)云二號衛(wèi)星提供更加及時和高精度的觀測數(shù)據(jù),進一步提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率。而目前在軌運行的風(fēng)云三號衛(wèi)星則為全球氣候變化和大氣環(huán)境監(jiān)測提供了重要觀測數(shù)據(jù)。

　　據(jù)統(tǒng)計,風(fēng)云氣象衛(wèi)星的云圖每年被數(shù)以億計的引用,成為了國內(nèi)最大的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫,全球90多個國家和地區(qū)使用風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)。隨著風(fēng)云衛(wèi)星的發(fā)展,我國天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率從上世紀(jì)70年代的約50%,提高到了現(xiàn)在的90%。

　　氣象衛(wèi)星服務(wù)天氣預(yù)報的難點何在?

　　考驗定量探測和連續(xù)業(yè)務(wù)運行技術(shù)

　　“風(fēng)云系列衛(wèi)星的穩(wěn)定運行和出色效能,奠定了中、美、歐氣象衛(wèi)星三足鼎立局面,提高了中國在國際上的話語權(quán)。”航天科技集團公司八院介紹,風(fēng)云系列衛(wèi)星也作為全球綜合地球觀測系統(tǒng)的重要成員,與歐美等國的氣象衛(wèi)星一起,形成了對地球大氣、海洋和地表環(huán)境的全天候、立體、連續(xù)觀測的衛(wèi)星觀測網(wǎng)。

　　當(dāng)前國際上氣象衛(wèi)星這種僅在少數(shù)幾個國家發(fā)展的局面,這得從天氣預(yù)報對氣象衛(wèi)星定量探測和連續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的要求說起。

　　首先是定量探測。氣象衛(wèi)星是現(xiàn)在天氣預(yù)報的基石。而數(shù)值天氣預(yù)報求解大氣環(huán)境的動力學(xué)方程的初始條件是精確的大氣觀測參數(shù),這對衛(wèi)星提出了很高的定量化應(yīng)用需求。就拿剛剛發(fā)射的風(fēng)云四號衛(wèi)星來說,衛(wèi)星選擇以青海湖為定標(biāo)場,風(fēng)云四號衛(wèi)星需要在36000公里之外的赤道上空對湖水溫度的測量絕對誤差小于1度,同時,當(dāng)湖水溫度變化0.1度時能夠準(zhǔn)確感知出來。

　　為實現(xiàn)定量化,風(fēng)云四號衛(wèi)星進行了大量的儀器定標(biāo)方法研究,研制了一套完整的在軌定標(biāo)設(shè)備和定標(biāo)方法。但天氣是如此的復(fù)雜,預(yù)報天氣的要素除了溫度,還包含濕度、壓強、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)云四號衛(wèi)星正式投入業(yè)務(wù)運行后,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,產(chǎn)品種類、數(shù)量,以及定量化指標(biāo)均較之前衛(wèi)星產(chǎn)品有顯著提升。

　　第二個是連續(xù)業(yè)務(wù)運行。所謂連續(xù)業(yè)務(wù)運行就是氣象衛(wèi)星不允許出現(xiàn)任何差錯,全年365天24小時當(dāng)班,每天都要報出晴雨、溫度、風(fēng)力等相同的數(shù)據(jù),這是近乎嚴(yán)苛的運行要求,要求衛(wèi)星具有極高的可靠性與時效性。

　　氣象衛(wèi)星云圖每天通過中央電視臺氣象預(yù)報欄目等平臺傳播到數(shù)億的直接或間接觀看者,如果哪天衛(wèi)星不能提供云圖,將造成的影響是不可估量的。