風云四號：從比肩一流到領跑世界
——我國新一代靜止軌道氣象衛星成功交付的背后

□ 郭倩

風云四號：從比肩一流到領跑世界
——我國新一代靜止軌道氣象衛星成功交付的背后

□ 郭倩

9月25日至9月28日，用戶在啟動微信時，會發現一個明顯的變化——地球照片更加清晰、云層更細致，同時地球圖片由非洲大陸上空視角，變化為我國的上空視角。

▲ 風四高清效果

6年來，微信啟動頁面首次“變臉”——從以前美國航天員拍攝的圖片換成我國新一代靜止軌道氣象衛星“風云四號”的成像圖。

這一變化是為了祝賀風云四號的巨大成就。9月25日，由中國航天科技集團公司八院抓總研制的風云四號A星，在經歷9個多月的在軌測試后正式交付用戶投入使用。

這顆衛星填補了我國多項技術空白，是一顆有“跨代”意義的首發星，并因其“一個頂倆”、可以給大氣做CT、可以抓拍閃電等特點聞名于世，成為我國靜止軌道氣象衛星整體性能達到世界先進水平、部分能力達到世界領先水平的“實力擔當”。

▲ 左側微信原登錄畫面中所顯示的是非洲大陸，本次更換為“風四”拍攝的畫面，旨在向億萬微信用戶展示華夏大地的山河風貌

一顆世界一流的衛星

2017年8月23日，臺風“天鴿”來襲。短短幾天，“天鴿”從熱帶風暴連續跳級，最終升至強臺風，而這一切，被遠在36000公里外的風云四號盡收眼底。由它生成的衛星連續監測圖密切跟蹤著“天鴿”的一舉一動。

這只是風云四號在軌工作的尋常一天。在軌測試期間，它的表現堪稱完美。北方地區嚴重沙塵、華北特大暴雨、南方梅雨季降水、臺風“苗柏”“南瑪都”，甚至九寨溝發生的7.0級地震……幾類災害性天氣輪番登場，風云四號經受住了極端天氣的重重考驗。

如此完美的表現背后，是風云四號凝聚的一項項尖端科技。這顆衛星搭載了全球首個大氣垂直探測儀，在國際上首次實現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。換言之，以一顆衛星實現了兩顆衛星的功能。

▲ 2016年12月11日0點11分，我國新一代靜止軌道氣象衛星風云四號首發星在西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭成功發射升空 張文軍 攝

其中，多通道掃描成像輻射計猶如一只“千里眼”，它是迄今為止我國靜止軌道最先進的輻射成像儀，光譜通道增加到14個，全圓盤圖像觀測時間為15分鐘，空間分辨率最高可達500米，與美國發射的新一代靜止氣象衛星GOES-R相當，與第一代靜止氣象衛星風云二號相比提高了6倍。

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

氣垂直探測儀可獲取大氣溫濕度三維結構，仿佛對大氣環境作CT掃描，對不同高度的大氣進行一層層切片分析，使得對暴雨等強對流天氣的觀測更細致、更準確。

既能進行二維掃描式觀測，也能對大氣進行垂直方向的三維分層分析，風云四號將掃描成像輻射計與干涉式大氣垂直探測儀集于一身。這不僅是全球首創，也挑戰了行業慣例。

由于兩臺載荷均裝有運動部件，同時工作會對衛星平臺產生擾動。目前，歐美均未實現“合體”，歐洲計劃用兩顆衛星分別實現成像觀測和垂直探測，后者最快2022年才能發射。風云四號衛星平臺則通過圖像配準與導航和整星隔振等技術，第一個登上了“珠穆朗瑪峰”。

此外，同時搭載閃電成像儀和空間天氣監測儀為風云四號賦予另外兩只強大的“眼睛”。閃電成像儀，可以每秒鐘拍攝500張照片來捕捉閃電，跟蹤強對流天氣；空間天氣儀可以監測太陽活動、地磁環境、電離層和高層大氣環境等宇宙“天氣”。

與我國第一代衛星觀測系統相比，風云四號觀測時間分辨率提高了1倍，空間分辨率提高了6倍，在世界上同類衛星中還新增加了大氣溫度和濕度的三維結構觀測，原始觀測數據量提高160倍，產品數量增加了3倍，綜合探測能力達到國際領先水平。

這顆“風四郎”帶領我國氣象衛星由“并跑”轉向“領跑”。

▲ 風云四號微波星完成全物理仿真試驗 王田野 攝

▲ 在廠房中的風云四號衛星 顧元翔 攝

邁過一個個“技術坎”

從1988年第一顆風云一號衛星發射至2015年底，我國共發射了14顆風云衛星，分為風云一號、風云二號、風云三號3個系列。

而人類對于氣象的觀測沒有止境，伴隨著衛星觀測應用需求的多元化，對衛星探測的時間、空間和光譜分辨率要求以及定量探測精度的要求也越來越高。

2008年，風云四號的方案被正式提出，“世界一流”躍然紙上。造一顆世界一流的氣象衛星、實現我國靜止軌道氣象衛星的跨越式發展，成為了所有科研人員共同的夢想。

伴隨夢想而來的，是一個個技術難點。第一個就是衛星的穩定方式。目前正在使用的風云二號衛星采用了自旋穩定的方式，衛星在36000公里的高空像陀螺一樣高速旋轉，在保持自身穩定的同時對地球進行掃描觀測。“相對于自旋控制，三軸穩定控制可以大幅度地提高衛星對地觀測的時間和效率，也可以更大限度滿足多載荷裝載的要求?！憋L云四號工程總設計師李卿表示。

這一點正符合衛星用戶的實際需要，但由此也帶來衛星姿態控制、結構設計、熱控設計等方面一系列的難題?！叭S穩定是未來高精度靜止軌道定量遙感衛星的大方向，我們要發展自己的靜止氣象衛星，這是必須突破的前提。”李卿說。

▲ 風云四號衛星研制順利 顧元翔 攝

▲ 風云四號衛星準備交付 顧元翔 攝

在一顆衛星上解決十多顆衛星才解決的問題，難度可想而知。型號總指揮陳文強早就有了充分的準備：“我們確定了以圖像定位與配準等五個整星的重大關鍵技術為代表的技術攻關方向?！?/p>

于是，一個獨具特色的高軌三軸穩定定量遙感衛星方案躍然而出——新型的六面柱體構型、貯箱平鋪方案、雙總線體制、載荷-星敏感器共基準以及精密控溫方案、星上實時圖像導航配準技術、星上微振動抑制技術……方案一經提出，立即獲得了用戶的認可。

然而把設計圖紙變成實實在在的產品，其難度超過設計人員的想象。在一個個“技術坎”前，研制人員用了7年時間，逐一邁過。

在圖像定位與配準上，按照星地一體化的思路，研制人員提出了以星上實時補償為主、地面系統為輔相結合的配準方案。在此基礎上，研制團隊建立了一整套圖像配準的算法，并最終使衛星圖像定位與配準精度達到1個像素以內。

面對另一塊硬骨頭——微振動測量與抑制，團隊從建立星上干涉儀正常工作所需要的指標體系入手，用了1年的時間凝練形成隔振系統的設計方案，并在此基礎上，在國內率先實現了振源隔振裝置和有效載荷隔振裝置的工程化，使衛星平臺對敏感載荷的振動干擾降低到0.1mg（手輕擊桌面的振動量級約為300mg），相當于把地面的隔振平臺搬到了天上。

風云四號交付后，回想起衛星研制的7年時光，型號總設計師董瑤海笑稱基本是掐著秒表在工作?！暗珡膩頉]有覺得有啥特別的，大家的想法很簡單，就是確保衛星按時出廠發射，在軌穩定運行?！边@也是所有研制人員的心聲。

普惠百姓 造福四方

如今，風云四號已經在軌工作11個多月，星地運行穩定可靠，在數據接收、業務遙測遙控、測距、圖像導航與配準、輻射和光譜定標等方面均達到預期，支持衛星所有觀測功能的實現。

正式交付用戶后，風云四號衛星將大幅度提高我國天氣預報、氣象防災減災、應對氣候變化、生態環境監測和空間天氣監測預警能力，并廣泛應用于氣象、水利、農業、林業、環境、能源等領域，在服務我國軍民融合戰略實施、“一帶一路”建設等方面發揮重要作用。

國際上對風云四號給予高度評價。美、俄、拉美國家的媒體認為風云四號氣象衛星將提高中國氣象局的定量觀測和應用能力。歐洲氣象衛星開發組織原主席、世界氣象組織空間計劃衛星事務資深咨詢專家蒂爾曼·莫爾表示：“國際氣象界都在迫切盼望使用這種新型數據，如果最終這類探測數據的價值得到確認，干涉式大氣垂直探測儀將成為氣象衛星的重大突破，而中國氣象部門將在這一領域走在前列?！?/p>

“風云衛星的穩定運行和出色表現，使得我國在氣象衛星領域躋身世界一流，與美、歐三足鼎立，提升了國際話語權?！崩钋湔f。

與此同時，風云四號已被世界氣象組織納入全球對地觀測氣象衛星序列，有望在2017年年底具備試運行和服務能力。目前，接受和應用風云衛星資料的國家和地區多達70多個。

而在升空之前，風云四號的全球首個干涉式大氣垂直探測儀已經為世界矚目，國外已有科研機構提出申請，希望中國能開放相關探測數據，共同開發其學術價值。

中國國家航天局表示，風云四號將進一步拓展國際合作，促進開放共享，為服務“一帶一路”建設提供有力支持。

陳文強介紹，按照研制一代、預研一代、規劃一代的思路，研制團隊正在開展風云四號02星、03星研制工作，同時開展微波星預研工作，實現靜止軌道對大氣的全天候、全天時、三維探測，以進一步提升定量遙感衛星的性能。

責任編輯：吳琳