如何制作風云二號衛星云圖

許健民

衛星氣象專家，中國工程院院士。許健民領導的研究組實現了風云二號氣象衛星圖像的像元級高精度定位，為風云二號衛星觀測數據的定量應用作出了貢獻。

氣象衛星從太空俯視地球，獲得云圖和大氣物理狀態的三度空間探測。現在的天氣預報，已經離不開來自氣象衛星得到的多種觀測資料。

風云二號是什么衛星？

風云二號是我國自主研發的自旋穩定靜止氣象衛星，靜止衛星在離地面36000千米的高度俯視地球。由于衛星圍繞地球旋轉的角速度與地球自轉的角速度相同，所以從地球上觀看，衛星似乎靜止不動，故而它可以連續地獲取地球上的云圖。從衛星上看，整個地球圓盤的張角大約只有17.4°。為了保證圖片的質量，靜止氣象衛星對地球的觀測，是通過“掃描-步進”的方式完成的。在每一個瞬間，衛星拋物面反射鏡匯聚從地球一個地點向上的輻射能量，獲得一個像元的觀測數據。掃描儀先是沿東西方向運動，獲取一條掃描線。然后鏡頭沿南北方向步進一步，觀測下一條掃描線。為了繪制一幅完整的地球圓盤圖像，衛星大約需要用25分鐘，步進2500步。在衛星獲取一幅地球圓盤圖像的25分鐘里，觀測目標物地球、觀測工具衛星、用來配準逐條掃描線的參照物天體太陽，都在運動之中。準確的圖像定位，需要在每個瞬間，對太陽、地球和衛星的位置以及衛星的姿態，都有精確的描寫。

?風云二號氣象衛星

如何逐條對齊掃描線？

可以利用太陽作為參照物。衛星的側面有一條狹縫，每自旋一周，太陽光進入狹縫一次。由于衛星的位置已知，從衛星上看太陽和地球之間的夾角，是一個天文參數，可以精確算出。從而可以把掃描線精準對齊，進而準確地拼接出地球影像圖。地球影像圖形成以后，科學家們需要對每個觀測像元點所在的地理位置進行標注。這需要知道衛星的位置和姿態。衛星的位置可以用三點測距法求出。氣象衛星地面系統在北京、烏魯木齊和墨爾本分別設有地面站。地面站按時向衛星發送和接收電磁波，根據電磁波在衛星和三個地面站之間來回的時間，可以求出衛星離三個地面站的距離，從而得到測距瞬間衛星的位置，再根據衛星的運動方程，推出衛星在任何時刻的位置。

?風云二號氣象衛星在自旋的過程中，完成掃描觀測

衛星姿態怎么求？

我們在長期觀察中注意到，從衛星上看，地球的圓盤影像存在極其有規律的南北方向的晃動和“順時針-逆時針”方向的擺動。這是由于衛星自旋軸的指向，與衛星軌道平面之間的垂直程度，存在微小的偏差造成的。理想的靜止氣象衛星，其運行軌道應該是正圓形的，并且正好在地球的赤道平面上;衛星的自旋軸則應該與地球的自轉軸完全平行;衛星自旋軸的指向和自旋速率，都不應該有抖動。如果嚴格符合這些條件，那么衛星所觀測到的圖像就是理想的，不會有任何偏差和抖動。

?從衛星上觀測到的地球影像行為規律的示意圖

實際上，這樣的條件不可能完全滿足。衛星軌道和姿態的實際值與理想值之間，存在非常微小的偏差。這些微小的偏差，對圖像的形成有不可忽視的影響。在實踐中，衛星的自旋軸與地球南北極之間的連線不可能做到嚴格的平行。設在06時和18時，衛星的自旋軸和地球的自轉軸共享一個平面。06時衛星仰視地球，地球圓盤位于觀測圖像的下部;18時衛星俯視地球，地球圓盤位于觀測圖像的上部;00時和12時衛星平視地球，地球圓盤位于觀測圖像的中部。這就造成了地球圓盤影像以一天為周期的南北晃動。

另外，在06時和18時，掃描線與星下點所在地點的緯圈是平行的。但是00時和12時，衛星的自旋軸和地球的自轉軸相互之間有歪扭：掃描線自西向東掃描時，00時略向南落下，12時略向北翹起。這就造成了地球圓盤影像在圖像上以一天為周期“順時針-逆時針”擺動。原來，衛星圖像上那些貌似不規則的偏差，是由于衛星的姿態還控制得不夠理想造成的。既然如此，那么我們就可以用數學表達式把圖像偏差與衛星姿態聯系起來，根據圖像中存在的偏差，求解出衛星的姿態，然后反過來修正圖像，使圖像更準確。

風云二號氣象衛星系列已經發射了6顆，從2005年1月以來，風云二號氣象衛星一直穩定運行，目前保持雙星工作狀態，汛期每15分鐘提供一幅云圖，非汛期每30分鐘提供一幅云圖，有重要天氣情況時每6分鐘提供一幅云圖。風云二號氣象衛星為提高中國天氣預報的準確率發揮了重要的作用。