我國首顆第二代靜止氣象衛星風云-4升空

張志清董瑤海2丁雷3王淦泉3方翔張效信黃富祥

（1 國家衛星氣象中心，2 上海航天技術研究院，3 中國科學院上海技術物理研究所）

我國首顆第二代靜止氣象衛星風云-4升空

China's First Second-generation FY-4 Meteorological Satellite Launched

張志清1董瑤海2丁雷3王淦泉3方翔1張效信1黃富祥1

（1 國家衛星氣象中心，2 上海航天技術研究院，3 中國科學院上海技術物理研究所）

2016年12月11日，我國第二代靜止軌道氣象衛星的首發星風云—4由長征—3B運載火箭發射升空。它采用三軸穩定控制，接替采用自旋穩定的風云—2，其連續性、穩定性可大幅度提高我國靜止氣象衛星探測水平。衛星的輻射成像通道由風云-2的5個增加到14個，接近歐美第三代靜止氣象衛星的16個通道。風云—4還配備了有912個光譜探測通道的干涉式大氣垂直探測儀，可在垂直方向上對大氣結構實現高精度定量探測，這是歐美第三代靜止氣象衛星所不具備的。

1 任務概述

風云-4是我國第二代靜止氣象衛星，采用大型三軸穩定姿態控制平臺，裝載多種有效載荷，包括先進的靜止軌道輻射成像儀、靜止軌道干涉式紅外探測儀、閃電成像儀和空間天氣監測儀器等。其中，干涉式紅外探測儀是國際上第一臺裝載在靜止軌道氣象衛星上使用的同類儀器；閃電成像儀是國內首次裝載在衛星上，可實現對大氣中發生的閃電進行連續監測；輻射成像儀的性能是我國靜止軌道氣象衛星攜帶的同類儀器中最先進的。首發星為科研試驗衛星風云-4A，其主要任務是：①獲取地球表面和云的多光譜、高精度定量觀測數據和圖像，特別是高頻次的區域圖像。全面提高對地球表面和大氣物理參數的多光譜、高頻次、定量探測能力。②實現大氣三維結構探測，獲得垂直分辨率和精度更高的溫度和濕度參數。③實現閃電成像觀測，獲取觀測覆蓋區范圍內的閃電分布圖。④利用星載轉發器進行衛星圖像和產品的廣播分發和自然災害警報信息發布。⑤利用數據收集系統自動收集多種地球環境參數資料。⑥監測太陽活動和空間環境，為空間天氣預報業務和研究提供觀測數據。

2 主要特點

風云-4與國際同期先進靜止氣象衛星，如美國2016年11月19日新發射的首顆新一代靜止氣象衛星—地球靜止環境業務衛星-R（GOES-R）以及歐洲氣象衛星組織的“第三代靜止氣象衛星”（MTG）相比，處于相當的水平，但在紅外大氣探測方面處于領先地位。風云-4衛星具有以下特點：

1）多。風云-4單顆靜止軌道氣象衛星裝載有效載荷最多。歐洲“第三代靜止氣象衛星”分為成像衛星（MTG-I）和探測星（MTG-S）兩種衛星，分別裝載靈活組合成像儀和大氣紅外探測儀。美國“地球靜止環境業務衛星”裝載先進的基線成像儀、閃電成像儀和空間天氣監測儀器包。而風云-4靜止氣象衛星單顆衛星就裝載4種有效載荷。不僅如此，為了驗證毫米波亞毫米波準光學分光等微波探測關鍵技術，衛星還搭載了微波探測儀試驗載荷，是同類衛星裝載有效載荷種類和數量最多的。

2）精。風云-4是我國靜止軌道衛星中姿態測量與控制、觀測儀器指向鏡角度測量及控制精度最高的；衛星的測距、定軌精度也是我國靜止軌道遙感衛星中最高的。由于氣象衛星主要是對大氣進行觀測，而地球的云覆蓋率約為1/3，特別是區域的臺風和雨天，觀測得到的幾乎都是云的圖像，云圖應用的基礎之一是將每個觀測的像素在地球上進行準確地定位處理，所以在靜止軌道上對地成像的分辨率越高，需要衛星的姿態測量和觀測儀器掃描鏡角度測量及控制精度越高。衛星的空間位置是圖像定位的主要參數，是靠地面測距進行確定的。風云-4采用了雙頻、多站測距的技術方案，可以實現快速測距和定軌，定軌精度比風云-2提高1個量級。圖像定位精度和輻射定標精度都達到國際先進水平。

3）新。在風云-4衛星上裝載了通道最多、成像最快的輻射成像儀，它有14個光譜通道（目前風云-2上的掃描輻射成像儀為5個通道），全圓盤成像時間為15min（風云-2為30min）。國際上首次在靜止軌道氣象衛星上裝載了干涉式紅外探測儀，光譜通道達到1600個，可以實現對大氣的溫濕度結構的三維探測。我國首次在衛星上裝載閃電成像儀，能實現全天時對發生在大氣中的總閃電（云內閃、云間閃和云地閃）分布進行實時監測。同時，我國首次在衛星上裝載了磁通門磁強計，用于對空間磁場進行探測。

4）靜。風云-4衛星裝載的干涉式紅外探測儀是光譜測量載荷，其正常工作時不僅需要物像間有嚴格的對應關系，而且要求確定光譜位置和干涉圖的對比度變化。在風云-4衛星平臺上運動部件多，如動量輪、掃描機構、驅動機構、制冷機等，它們產生的振動或振蕩叫微振動。微振動會誘發干涉儀動鏡傾斜或動鏡運動系統共振，造成光程差超差，導致光譜圖無法反演或出現“鬼線”，其高頻頻率成分會直接進入分析光譜內，混淆真實譜線。分析和試驗表明，在探測儀動鏡模態頻率附近1mg的微線振動就會導致其光譜性能的明顯退化，在特定頻段內，20mrad/s2量級的角振動就能使載荷的掃描鏡控制精度明顯下降。所以，微振動抑制是一項關鍵技術，經過針對性的微振動抑制設計和措施，使微振動在探測儀動鏡模態頻率附近達到小于0.1mg，全頻段的角振動量小于10mrad/s2，完全滿足星載儀器的正常工作要求。

3 平臺簡介

風云-4衛星采用六面柱體構型、貯箱平鋪方案，具有對地面積大、質心低等優點，可保證載荷對安裝面積更大的要求，同時降低發射過程中載荷的振動響應；采用單太陽電池翼方案，預留完整的對應一側用作載荷輻射制冷器的散熱面，保證高精度定標需求；采用三軸穩定姿態控制，與自旋穩定方式相比可明顯增加對地掃描成像和探測的時間；采用雙總線體制，星務管理由低速1553B總線實現，載荷觀測數據采用空間線（SpaceWire，一種專門用于航天器高速數據傳輸的總線標準）傳輸，配置靈活、可靠性高。風云-4衛星設計壽命7年，發射質量5400kg。

風云-4衛星平臺包括結構、熱控、姿軌控、推進、電源、測控、數管、總體電路、數傳、轉發、數據收集等分系統。

風云—4靜止氣象衛星總裝狀態

4 有效載荷

風云-4裝載了多種先進有效載荷。

先進的靜止軌道輻射成像儀

先進的靜止軌道輻射成像儀是我國第一臺在三軸穩定的靜止軌道氣象衛星上裝載的全譜段可見光/紅外成像載荷。與風云-2掃描輻射計相比，其光譜通道數量大幅增加，空間分辨率和時間分辨率成倍提高，溫度分辨率明顯提高，光譜分辨率顯著提高，輻射定標精度進一步提升。載荷具有靈活的區域成像功能，可獲取地球表面和云的多光譜、高精度定量觀測數據和圖像，包括晝夜的地球全圓盤圖像、高頻次的區域圖像，可全面提高對地球表面和大氣物理參數的多光譜、高頻次、定量探測能力。它采用雙掃描鏡結合三反射光學系統、線列陣探測器和輻射制冷器的掃描成像技術方案，成像時東西掃描鏡和南北掃描鏡分別進行線性掃描和步進掃描，東西方向是從東到西、從西到東往復式掃描，南北方向是從北到南步進掃描；采用高精度掃描控制系統確保圖像配準精度和成像分辨率。其主要性能為：14個探測通道，覆蓋可見光至長波紅外譜段范圍(0.45～13.8μm)；空間分辨率按通道分別為0.5km、1km、2km、4km；可見光/近紅外通道信噪比優于150～400dB；紅外通道溫度靈敏度優于0.05～0.3K；輻射制冷工作溫度達到80K；全圓盤成像時間分辨率15min；恒星敏感-6等星信噪比大于16；掃描鏡靜態指向不確定度優于2″（3σ），成像段動態指向不確定度優于1.5″（3σ）；該載荷具有在軌全光路、全譜段的定標功能，實現紅外優于1K、反射波段優于5%的定標精度。

先進的靜止軌道輻射成像儀

靜止軌道干涉式紅外探測儀

閃電成像儀

靜止軌道干涉式紅外探測儀應用邁克爾遜干涉原理進行高光譜測量，并通過傅里葉變換獲得探測目標的紅外吸收光譜，同時具有光譜分辨率高和探測靈敏度高的優勢，能高頻次地對被觀測區域進行大氣的溫濕度廓線和痕量氣體含量的高精度探測，實現大氣溫度和濕度參數的三維垂直結構觀測，為數值天氣預報提供輸入數據，為災害性天氣監視和大氣化學成份探測服務，這是遙感領域紅外光譜技術的一次躍升。該載荷是世界上首臺在靜止軌道上對大氣進行高光譜觀測的紅外儀器，具有獨創性。采用二維掃描鏡配合離軸主望遠光學系統收集大氣能量、通過機械制冷機冷卻面陣探測器和輻射制冷器冷卻后光路、動鏡式傅立葉干涉儀進行探測的總體設計方案。機械制冷機實現60K的制冷溫度，冷卻長波32×4焦平面陣列光導探測器到65K溫區、中波32×4焦平面陣列探測器到75K溫區。它由兩塊平面掃描鏡、掃描機構、高精度角度傳感器、掃描控制及驅動裝置組成掃描系統，在東西和南北兩個方向上作步進-駐留掃描。其主要性能為：探測4.44～6.06μm和8.85～14.3μm譜區的中長波紅外輻射光譜分布；光譜分辨率達到0.625cm-1；中波紅外波段靈敏度優于0.1mW/m2·sr·cm-1，長波紅外波段靈敏度優于0.5mW/m2·sr·cm-1；星下點空間分辨率為16km；可實現5000km×5000km區域“小時”級的探測。該載荷同時具有空間分辨率為2km的可見光凝視成像能力，進行云檢測；為確保穩定探測，指向不確定度優于±1″。

靜止軌道干涉式紅外探測儀

閃電成像儀

我國首次研制的星載閃電成像儀，能夠對覆蓋區域的閃電進行實時、連續不間斷的觀測。它主要由光學系統、聚焦平面陣、實時事件處理器、格式編排器和電子控制等4部分組成。光學系統鏡頭有一個帶寬為1nm的窄帶濾光片，確保777.4nm波長的閃電光譜信號通過。由于閃電成像高達500幀/秒，數據量巨大，不可能將全部的原始數據實時傳輸至地面，所以將在星上進行實時處理后得到的閃電事件傳回地面。與此同時，為了驗證星載算法的正確性，以及為了獲得最優算法參數再上注衛星，可以選擇一個小區域原始閃電數據下傳至地面，這是我國閃電成像儀的一個技術特點。閃電成像儀星下點空間分辨率為7.8km，與國際同類衛星基本相同。

空間天氣監測儀器

風云-4靜止氣象衛星不僅是對地球大氣觀測的優選平臺，也是對空間天氣和空間環境進行監測的理想平臺。風云-4衛星上的空間環境監測儀器中包含有高能粒子探測器、磁強計和空間天氣效應探測器。

1）高能粒子探測器。它包括高能質子探頭和高能電子探頭，可測量高能質子（能量范圍為0.4～4 M e V）和高能電子（能量范圍：1～165MeV和大于165MeV），并且在三軸穩定平臺的多個方向上安裝了粒子探頭，可進行粒子的多方向流量探測。

2）磁強計。它可測量地球矢量磁場，測量范圍±400nT，由2個磁通門探頭和一些電子學設備組成。磁場探測儀的電子學設備安裝在衛星內部，探頭則安裝在衛星艙外6m長的伸桿上，采用雙探頭差分探測，可以得到衛星周圍空間環境磁場。

3）空間天氣效應探測器。它包括輻射總劑量探測器、表面電位探測器和深層充電探測器，這是我國首次在靜止軌道衛星上同時搭載有空間環境和效應探測儀器。

數據和產品轉發器

高能粒子探測器和輻射總劑量探測儀

磁強計、表面電位探測器和深層充電探測器

風云-4衛星攜帶有L頻段轉發器，實現經地面處理的觀測數據實時廣播。靜止氣象衛星在國際上常被稱為天氣衛星，這是由于其運行的軌道特點，可以對所觀測覆蓋區域的天氣及變化進行實時、連續、高頻次的監測，這些數據對于天氣分析的時效性十分重要，要求數據實時傳輸到氣象臺站。美國新一代靜止氣象衛星設計了直接數據廣播鏈路（GOES-R ReBroadcast，GRB），廣播數據速率達到31Mbit/s。我國風云-4直接廣播包括高速數據傳輸和低速數據傳輸，其中高速數據廣播傳輸速率達到20Mbit/s，以滿足不同的用戶。

數據收集轉發器

風云-4繼續兼容風云-2的數據收集功能。通過放置在海洋、海島、湖泊、高山、沙漠、森林、移動物體等處的數據收集平臺，可采集的多種地球環境信息發送到衛星，通過衛星轉發回地面接收站，進行實時、連續的數據收集。

災害警報廣播轉發器

靜止氣象衛星轉發器天線方向圖覆蓋幾乎1/3的地球，使用國際電信聯盟全球劃分給靜止氣象衛星業務的L頻段，具有無雨衰的得天獨厚的優點。利用靜止氣象衛星廣播災害警報信息，具有及時、可靠、覆蓋面廣的優勢。

5 應用前景

風云-4靜止氣象衛星是世界上先進的氣象衛星，此次設計建設的地面應用系統是迄今最為復雜的地面系統。在衛星發射入軌后，由空間段的衛星和地面應用系統共同構成我國新一代的靜止氣象衛星觀測系統，衛星的原始觀測數據是現在運行的風云-2的80倍，處理生成的產品數據則是其160倍，用于天氣預報和服務的資料要實時分發給氣象預報中心、臺站與政府決策部門。充分體現了星地協同，穩定可靠，自動高效，發揮效益的特殊性。

風云-4靜止氣象衛星高時空分辨率成像資料、閃電監測資料、大氣三維溫濕度探測資料和空間天氣監測資料，將在天氣監測與預報、防災減災、應對氣候變化、生態環境監測和空間天氣監測預警等領域得到廣泛應用，為氣象、農業、水利、林業、環境、能源、航天航空、海洋和科技等提供更多的服務，為減少人民生命財產損失和社會發展做出更多的貢獻。

天氣監測與預報預警

利用衛星上干涉式紅外探測儀數據反演得到的高頻次大氣溫濕度廓線及其派生的大氣不穩定指數，可以提前有效監測到暴雨系統發生前環境條件的變化，在還是晴朗無云的大氣中提前發現極端天氣的蛛絲馬跡。利用風云-4高時空分辨率成像儀資料，可以提前檢測到小尺度但快速發展的初生對流。融合這些資料，在臨近預報中可實現對初生對流的判識，以及對成熟對流系統的識別、追蹤和外推預報。閃電是對流系統發展的示蹤信號，閃電成像儀對閃電的實時監測，為監測對流系統的發展提供重要信息。這些觀測能力的提升必將提高對暴雨、強對流天氣的短時臨近預報和預警的能力。

在臺風分析和預報方面，能夠每分鐘對東西、南北各1000km的臺風覆蓋區域觀測1次，高頻次的500m分辨率圖像可以提供臺風云結構及其演變的精細化動態信息，特別是對臺風眼區的監測，可彌補目前在軌衛星云圖時空分辨率不夠高的缺點，為臺風定位、定強提供更精細的觀測資料，將是監測和預報其發生、發展、演變和消亡整個生命史的有力工具。

數值預報應用

世界上首次在靜止衛星上裝載的干涉式紅外探測儀將實現對我國及周邊地區1小時1次、間隔僅16km的密集的大氣溫濕分布的垂直探測，彌補陸地探空站間隔約200km，每天探測兩次的嚴重不足；成像儀資料可以提供高密度云導風資料，水汽等高精度定量監測產品，這些資料被同化進數值天氣預報模式中，可提高數值天氣預報特別是區域數值預報的精度，進一步提高短時臨近預報的精度。

氣候預測與氣候資源利用

厄爾尼諾／拉尼娜是氣候預測的強信號之一，風云-4衛星觀測范圍覆蓋西太平洋和印度洋海域，可密切監測海表溫度的變化，為氣候監測和預測提供有效的觀測依據；可以對亞洲季風區多時間尺度對流活動進行實時監測，如季風環流、季風降水以及亞洲夏季風開始和結束時間、推進過程和強度等。另外，更加精細的可見光資料、云產品、入射太陽輻射產品是太陽能資源評估的重要參數。

災害及環境監測

試驗中的風云-4衛星

風云-4具備高時空分辨率的特點，可以在諸如森林草原火災、洪澇、霧霾、藍藻水華等災害和環境監測中發揮重要作用，除了可對災害進行判識之外，還可以掌握其時變特征，監測災害發生的全過程。它還有一個特色，專門設置的高溫目標中波紅外探測通道，對地表高溫信息敏感，可以對快速發展的中小面積火點進行識別和監測。

高光譜分辨率成像儀資料可以反演大氣氣溶膠光學厚度，進而得到PM10和PM2.5濃度值，可以監測大氣污染的時空變化，為污染監測及防控提供重要數據。

人工影響天氣

一方面，綜合利用風云-4、地面雷達、常規和數值預報資料，可在人影作業臨近時間，判識作業目標的云系屬性和發展狀況，包括層狀云和對流云的演變情況，輔助確定作業方案。另一方面，將風云-4觀測與人影作業配合，可對作業效果進行云頂觀測分析和評估。

航空

風云-4靜止氣象衛星觀測系統提供航空關注的云類型、云相態、對流、火山灰、閃電、高空湍流（對流層頂折疊）等監測產品，可以用于飛行安全保障。

支持大氣科學前沿性探索

大氣科學的發展離不開觀測技術的提高，新的觀測數據將支持大氣科學的前沿性研究。比如快速發展對流的研究；利用3～4層不同高度云的相對移動可研究局地垂直風切變；對中尺度對流系統云頂重力波分布進行研究等。

空間天氣應用

風云-4空間環境探測器數據可用于災害性空間天氣事件的監測，并對太陽活動、地磁環境、電離層和高層大氣環境以及衛星運行環境開展預報服務。如高能粒子探測數據可直接用于預警一些潛在空間天氣威脅，太陽高能質子（大于10MeV）事件實時監測預警；高能電子（大于2MeV）流量數據可用于計算衛星儀器發生充放電現象的概率，為衛星儀器正常運行監測提供服務；而粒子的投擲角分布則有助于進一步了解同步軌道粒子的動力學過程，提高對輻射帶環境的理解和認識；地球同步軌道的磁場探測數據不僅可以驗證全球磁場模型，同化到磁場模型中支持高精度磁場模型構建，還可以用于評估地磁活動水平，估算衛星是否穿越磁層頂和舷激波，或者為一些空間天氣數值預報模型提供輸入，促進對太陽風-磁層相互作用過程的科學理解；可以獲得衛星充電、單粒子事件、輻射劑量和碎片等預警和預報指數，并在衛星或載荷狀態異常時進行綜合分析，甄別是否由空間天氣事件引起，為衛星在軌安全運行提供保障等。