風(fēng)云四號(hào)：從比肩一流到領(lǐng)跑世界
——我國(guó)新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星成功交付的背后

□ 郭倩

風(fēng)云四號(hào)：從比肩一流到領(lǐng)跑世界
——我國(guó)新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星成功交付的背后

□ 郭倩

9月25日至9月28日，用戶在啟動(dòng)微信時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)明顯的變化——地球照片更加清晰、云層更細(xì)致，同時(shí)地球圖片由非洲大陸上空視角，變化為我國(guó)的上空視角。

▲ 風(fēng)四高清效果

6年來，微信啟動(dòng)頁(yè)面首次“變臉”——從以前美國(guó)航天員拍攝的圖片換成我國(guó)新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號(hào)”的成像圖。

這一變化是為了祝賀風(fēng)云四號(hào)的巨大成就。9月25日，由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司八院抓總研制的風(fēng)云四號(hào)A星，在經(jīng)歷9個(gè)多月的在軌測(cè)試后正式交付用戶投入使用。

這顆衛(wèi)星填補(bǔ)了我國(guó)多項(xiàng)技術(shù)空白，是一顆有“跨代”意義的首發(fā)星，并因其“一個(gè)頂倆”、可以給大氣做CT、可以抓拍閃電等特點(diǎn)聞名于世，成為我國(guó)靜止軌道氣象衛(wèi)星整體性能達(dá)到世界先進(jìn)水平、部分能力達(dá)到世界領(lǐng)先水平的“實(shí)力擔(dān)當(dāng)”。

▲ 左側(cè)微信原登錄畫面中所顯示的是非洲大陸，本次更換為“風(fēng)四”拍攝的畫面，旨在向億萬微信用戶展示華夏大地的山河風(fēng)貌

一顆世界一流的衛(wèi)星

2017年8月23日，臺(tái)風(fēng)“天鴿”來襲。短短幾天，“天鴿”從熱帶風(fēng)暴連續(xù)跳級(jí)，最終升至強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，而這一切，被遠(yuǎn)在36000公里外的風(fēng)云四號(hào)盡收眼底。由它生成的衛(wèi)星連續(xù)監(jiān)測(cè)圖密切跟蹤著“天鴿”的一舉一動(dòng)。

這只是風(fēng)云四號(hào)在軌工作的尋常一天。在軌測(cè)試期間，它的表現(xiàn)堪稱完美。北方地區(qū)嚴(yán)重沙塵、華北特大暴雨、南方梅雨季降水、臺(tái)風(fēng)“苗柏”“南瑪都”，甚至九寨溝發(fā)生的7.0級(jí)地震……幾類災(zāi)害性天氣輪番登場(chǎng)，風(fēng)云四號(hào)經(jīng)受住了極端天氣的重重考驗(yàn)。

如此完美的表現(xiàn)背后，是風(fēng)云四號(hào)凝聚的一項(xiàng)項(xiàng)尖端科技。這顆衛(wèi)星搭載了全球首個(gè)大氣垂直探測(cè)儀，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單星上同時(shí)搭載多通道掃描成像輻射計(jì)和干涉式大氣垂直探測(cè)儀。換言之，以一顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了兩顆衛(wèi)星的功能。

▲ 2016年12月11日0點(diǎn)11分，我國(guó)新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)首發(fā)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射升空 張文軍 攝

其中，多通道掃描成像輻射計(jì)猶如一只“千里眼”，它是迄今為止我國(guó)靜止軌道最先進(jìn)的輻射成像儀，光譜通道增加到14個(gè)，全圓盤圖像觀測(cè)時(shí)間為15分鐘，空間分辨率最高可達(dá)500米，與美國(guó)發(fā)射的新一代靜止氣象衛(wèi)星GOES-R相當(dāng)，與第一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號(hào)相比提高了6倍。

500米意味著什么？這樣的精度相當(dāng)于在幾公里之外點(diǎn)燃幾個(gè)燭光，任意時(shí)刻想要看到哪個(gè)就能看到哪個(gè)。而14個(gè)光譜通道意味著風(fēng)云四號(hào)可以通過14種顏色的眼鏡看地球，如此一來，地球大氣的物理性質(zhì)難逃其“法眼”。另一方面，干涉式大

氣垂直探測(cè)儀可獲取大氣溫濕度三維結(jié)構(gòu)，仿佛對(duì)大氣環(huán)境作CT掃描，對(duì)不同高度的大氣進(jìn)行一層層切片分析，使得對(duì)暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣的觀測(cè)更細(xì)致、更準(zhǔn)確。

既能進(jìn)行二維掃描式觀測(cè)，也能對(duì)大氣進(jìn)行垂直方向的三維分層分析，風(fēng)云四號(hào)將掃描成像輻射計(jì)與干涉式大氣垂直探測(cè)儀集于一身。這不僅是全球首創(chuàng)，也挑戰(zhàn)了行業(yè)慣例。

由于兩臺(tái)載荷均裝有運(yùn)動(dòng)部件，同時(shí)工作會(huì)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)生擾動(dòng)。目前，歐美均未實(shí)現(xiàn)“合體”，歐洲計(jì)劃用兩顆衛(wèi)星分別實(shí)現(xiàn)成像觀測(cè)和垂直探測(cè)，后者最快2022年才能發(fā)射。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)則通過圖像配準(zhǔn)與導(dǎo)航和整星隔振等技術(shù)，第一個(gè)登上了“珠穆朗瑪峰”。

此外，同時(shí)搭載閃電成像儀和空間天氣監(jiān)測(cè)儀為風(fēng)云四號(hào)賦予另外兩只強(qiáng)大的“眼睛”。閃電成像儀，可以每秒鐘拍攝500張照片來捕捉閃電，跟蹤強(qiáng)對(duì)流天氣；空間天氣儀可以監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)、地磁環(huán)境、電離層和高層大氣環(huán)境等宇宙“天氣”。

與我國(guó)第一代衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)相比，風(fēng)云四號(hào)觀測(cè)時(shí)間分辨率提高了1倍，空間分辨率提高了6倍，在世界上同類衛(wèi)星中還新增加了大氣溫度和濕度的三維結(jié)構(gòu)觀測(cè)，原始觀測(cè)數(shù)據(jù)量提高160倍，產(chǎn)品數(shù)量增加了3倍，綜合探測(cè)能力達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

這顆“風(fēng)四郎”帶領(lǐng)我國(guó)氣象衛(wèi)星由“并跑”轉(zhuǎn)向“領(lǐng)跑”。

▲ 風(fēng)云四號(hào)微波星完成全物理仿真試驗(yàn) 王田野 攝

▲ 在廠房中的風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星 顧元翔 攝

邁過一個(gè)個(gè)“技術(shù)坎”

從1988年第一顆風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射至2015年底，我國(guó)共發(fā)射了14顆風(fēng)云衛(wèi)星，分為風(fēng)云一號(hào)、風(fēng)云二號(hào)、風(fēng)云三號(hào)3個(gè)系列。

而人類對(duì)于氣象的觀測(cè)沒有止境，伴隨著衛(wèi)星觀測(cè)應(yīng)用需求的多元化，對(duì)衛(wèi)星探測(cè)的時(shí)間、空間和光譜分辨率要求以及定量探測(cè)精度的要求也越來越高。

2008年，風(fēng)云四號(hào)的方案被正式提出，“世界一流”躍然紙上。造一顆世界一流的氣象衛(wèi)星、實(shí)現(xiàn)我國(guó)靜止軌道氣象衛(wèi)星的跨越式發(fā)展，成為了所有科研人員共同的夢(mèng)想。

伴隨夢(mèng)想而來的，是一個(gè)個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。第一個(gè)就是衛(wèi)星的穩(wěn)定方式。目前正在使用的風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星采用了自旋穩(wěn)定的方式，衛(wèi)星在36000公里的高空像陀螺一樣高速旋轉(zhuǎn)，在保持自身穩(wěn)定的同時(shí)對(duì)地球進(jìn)行掃描觀測(cè)。“相對(duì)于自旋控制，三軸穩(wěn)定控制可以大幅度地提高衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的時(shí)間和效率，也可以更大限度滿足多載荷裝載的要求。”風(fēng)云四號(hào)工程總設(shè)計(jì)師李卿表示。

這一點(diǎn)正符合衛(wèi)星用戶的實(shí)際需要，但由此也帶來衛(wèi)星姿態(tài)控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱控設(shè)計(jì)等方面一系列的難題。“三軸穩(wěn)定是未來高精度靜止軌道定量遙感衛(wèi)星的大方向，我們要發(fā)展自己的靜止氣象衛(wèi)星，這是必須突破的前提。”李卿說。

▲ 風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星研制順利 顧元翔 攝

▲ 風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星準(zhǔn)備交付 顧元翔 攝

在一顆衛(wèi)星上解決十多顆衛(wèi)星才解決的問題，難度可想而知。型號(hào)總指揮陳文強(qiáng)早就有了充分的準(zhǔn)備：“我們確定了以圖像定位與配準(zhǔn)等五個(gè)整星的重大關(guān)鍵技術(shù)為代表的技術(shù)攻關(guān)方向。”

于是，一個(gè)獨(dú)具特色的高軌三軸穩(wěn)定定量遙感衛(wèi)星方案躍然而出——新型的六面柱體構(gòu)型、貯箱平鋪方案、雙總線體制、載荷-星敏感器共基準(zhǔn)以及精密控溫方案、星上實(shí)時(shí)圖像導(dǎo)航配準(zhǔn)技術(shù)、星上微振動(dòng)抑制技術(shù)……方案一經(jīng)提出，立即獲得了用戶的認(rèn)可。

然而把設(shè)計(jì)圖紙變成實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)品，其難度超過設(shè)計(jì)人員的想象。在一個(gè)個(gè)“技術(shù)坎”前，研制人員用了7年時(shí)間，逐一邁過。

在圖像定位與配準(zhǔn)上，按照星地一體化的思路，研制人員提出了以星上實(shí)時(shí)補(bǔ)償為主、地面系統(tǒng)為輔相結(jié)合的配準(zhǔn)方案。在此基礎(chǔ)上，研制團(tuán)隊(duì)建立了一整套圖像配準(zhǔn)的算法，并最終使衛(wèi)星圖像定位與配準(zhǔn)精度達(dá)到1個(gè)像素以內(nèi)。

面對(duì)另一塊硬骨頭——微振動(dòng)測(cè)量與抑制，團(tuán)隊(duì)從建立星上干涉儀正常工作所需要的指標(biāo)體系入手，用了1年的時(shí)間凝練形成隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)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(tái)對(duì)敏感載荷的振動(dòng)干擾降低到0.1mg（手輕擊桌面的振動(dòng)量級(jí)約為300mg），相當(dāng)于把地面的隔振平臺(tái)搬到了天上。

風(fēng)云四號(hào)交付后，回想起衛(wèi)星研制的7年時(shí)光，型號(hào)總設(shè)計(jì)師董瑤海笑稱基本是掐著秒表在工作。“但從來沒有覺得有啥特別的，大家的想法很簡(jiǎn)單，就是確保衛(wèi)星按時(shí)出廠發(fā)射，在軌穩(wěn)定運(yùn)行。”這也是所有研制人員的心聲。

普惠百姓 造福四方

如今，風(fēng)云四號(hào)已經(jīng)在軌工作11個(gè)多月，星地運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在數(shù)據(jù)接收、業(yè)務(wù)遙測(cè)遙控、測(cè)距、圖像導(dǎo)航與配準(zhǔn)、輻射和光譜定標(biāo)等方面均達(dá)到預(yù)期，支持衛(wèi)星所有觀測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。

正式交付用戶后，風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星將大幅度提高我國(guó)天氣預(yù)報(bào)、氣象防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對(duì)氣候變化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，并廣泛應(yīng)用于氣象、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域，在服務(wù)我國(guó)軍民融合戰(zhàn)略實(shí)施、“一帶一路”建設(shè)等方面發(fā)揮重要作用。

國(guó)際上對(duì)風(fēng)云四號(hào)給予高度評(píng)價(jià)。美、俄、拉美國(guó)家的媒體認(rèn)為風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星將提高中國(guó)氣象局的定量觀測(cè)和應(yīng)用能力。歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織原主席、世界氣象組織空間計(jì)劃衛(wèi)星事務(wù)資深咨詢專家蒂爾曼·莫爾表示：“國(guó)際氣象界都在迫切盼望使用這種新型數(shù)據(jù)，如果最終這類探測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值得到確認(rèn)，干涉式大氣垂直探測(cè)儀將成為氣象衛(wèi)星的重大突破，而中國(guó)氣象部門將在這一領(lǐng)域走在前列。”

“風(fēng)云衛(wèi)星的穩(wěn)定運(yùn)行和出色表現(xiàn)，使得我國(guó)在氣象衛(wèi)星領(lǐng)域躋身世界一流，與美、歐三足鼎立，提升了國(guó)際話語權(quán)。”李卿說。

與此同時(shí)，風(fēng)云四號(hào)已被世界氣象組織納入全球?qū)Φ赜^測(cè)氣象衛(wèi)星序列，有望在2017年年底具備試運(yùn)行和服務(wù)能力。目前，接受和應(yīng)用風(fēng)云衛(wèi)星資料的國(guó)家和地區(qū)多達(dá)70多個(gè)。

而在升空之前，風(fēng)云四號(hào)的全球首個(gè)干涉式大氣垂直探測(cè)儀已經(jīng)為世界矚目，國(guó)外已有科研機(jī)構(gòu)提出申請(qǐng)，希望中國(guó)能開放相關(guān)探測(cè)數(shù)據(jù)，共同開發(fā)其學(xué)術(shù)價(jià)值。

中國(guó)國(guó)家航天局表示，風(fēng)云四號(hào)將進(jìn)一步拓展國(guó)際合作，促進(jìn)開放共享，為服務(wù)“一帶一路”建設(shè)提供有力支持。

陳文強(qiáng)介紹，按照研制一代、預(yù)研一代、規(guī)劃一代的思路，研制團(tuán)隊(duì)正在開展風(fēng)云四號(hào)02星、03星研制工作，同時(shí)開展微波星預(yù)研工作，實(shí)現(xiàn)靜止軌道對(duì)大氣的全天候、全天時(shí)、三維探測(cè)，以進(jìn)一步提升定量遙感衛(wèi)星的性能。

責(zé)任編輯：吳琳