風(fēng)云四號(hào)：守望人間“冷暖”

張琳

風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星是目前世界上最先進(jìn)的靜止氣象衛(wèi)星，綜合體現(xiàn)了中國(guó)氣象與航天科技水平，是“智慧氣象”的重要成果之一。這顆承載了幾代人心血和夢(mèng)想的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了多個(gè)“世界之最”：全球首次在靜止軌道實(shí)現(xiàn)了干涉式高光譜大氣垂直探測(cè)，全球首次將成像輻射計(jì)、大氣垂直探測(cè)儀、閃電成像儀等多個(gè)載荷裝載在一顆衛(wèi)星上。

“風(fēng)云衛(wèi)星”家族史

說起風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星，就需要給大家介紹一下中國(guó)氣象衛(wèi)星“風(fēng)云衛(wèi)星”的家族史。眾所周知，氣象衛(wèi)星按照運(yùn)行軌道主要分為兩類：極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星。極軌氣象衛(wèi)星是繞著地球南北兩極飛行的衛(wèi)星，風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星軌道高度在800千米左右，可以獲得全球的觀測(cè)資料，是我們派出國(guó)際的“巡邏兵”—遍查世界范圍風(fēng)云變幻;靜止氣象衛(wèi)星則是在赤道上空35 800千米的靜止軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，可以對(duì)地球1/3面積實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的觀測(cè)，是駐守在我們祖國(guó)上空的“觀察哨”—關(guān)注華夏大地陰晴冷暖。我們的風(fēng)云氣象衛(wèi)星也分為極軌和靜止兩個(gè)系列，風(fēng)云一號(hào)、三號(hào)是極軌衛(wèi)星，風(fēng)云二號(hào)、四號(hào)是靜止衛(wèi)星。

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星作為我國(guó)的第二代靜止衛(wèi)星，采用三軸穩(wěn)定工作方式，這種方式可以保證衛(wèi)星的觀測(cè)儀器長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)對(duì)地觀測(cè)，相對(duì)于風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星的自旋穩(wěn)定工作方式，大大提高了觀測(cè)效率。簡(jiǎn)單來說，就是風(fēng)云二號(hào)像一個(gè)在太空中不斷旋轉(zhuǎn)的“陀螺”，轉(zhuǎn)一圈用時(shí)600毫秒，對(duì)地球的有效觀測(cè)時(shí)間是33毫秒;而風(fēng)云四號(hào)則像在太空中支起了一個(gè)“三腳架”，可以一直對(duì)準(zhǔn)地球進(jìn)行觀測(cè)。然而這種工作方式的改變，背后卻包含著大量技術(shù)難關(guān)的攻克。

在太空中，太陽(yáng)的光壓和帶來的輻射溫度的變化對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行有著非常重要的影響，自旋的“陀螺”可以通過旋轉(zhuǎn)均勻受熱，保證衛(wèi)星的熱量均衡和姿態(tài)穩(wěn)定。而到了三軸穩(wěn)定的三腳架，太陽(yáng)照射的一面和背對(duì)太陽(yáng)的一面溫度差異高達(dá)幾百攝氏度，巨大的熱形變給衛(wèi)星平臺(tái)工作和圖像定位配準(zhǔn)帶來了超乎想象的困難。美國(guó)在發(fā)射第一顆三軸穩(wěn)定靜止衛(wèi)星時(shí)，就曾因技術(shù)難題一再推遲發(fā)射時(shí)間。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星和地面應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了獨(dú)特的星地一體化技術(shù)路線，突破了關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于測(cè)量的高精度實(shí)時(shí)圖像導(dǎo)航和配準(zhǔn)，在軌運(yùn)行的結(jié)果驗(yàn)證顯示，完全達(dá)到了預(yù)計(jì)指標(biāo)要求。

“四大天王”威力無窮

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星除了姿態(tài)穩(wěn)定方式上的進(jìn)步外，最重要的就是搭載了四個(gè)先進(jìn)的觀測(cè)儀器，這“四大天王”就是多通道掃描成像輻射計(jì)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀、閃電成像儀和空間天氣監(jiān)測(cè)儀。其中掃描成像輻射計(jì)的通道數(shù)量由風(fēng)云二號(hào)的5個(gè)增加到14個(gè);觀測(cè)時(shí)間分辨率提高1倍，可每15分鐘實(shí)現(xiàn)一次全圓盤掃描，最快可以每1分鐘生成一次區(qū)域觀測(cè)圖像;最高空間分辨率較風(fēng)云二號(hào)提高近6倍，達(dá)到500米。

干涉式大氣垂直探測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了靜止軌道晴空大氣的高精度溫度、濕度廓線探測(cè)，其觀測(cè)能力是現(xiàn)有地面測(cè)空系統(tǒng)的上千倍，將為提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和精細(xì)化水平提供重要助力。簡(jiǎn)單來說，成像輻射計(jì)和大氣垂直探測(cè)儀就像照相機(jī)和CT儀，成像計(jì)是對(duì)大氣拍照片，觀測(cè)快速運(yùn)動(dòng)的大氣;垂直探測(cè)儀則是對(duì)晴空大氣做CT掃描，實(shí)現(xiàn)大氣垂直結(jié)構(gòu)上的切片觀測(cè)，可謂是“看穿大氣的天眼”。

閃電成像儀首次實(shí)現(xiàn)了亞太地區(qū)衛(wèi)星閃電成像觀測(cè)，可對(duì)中國(guó)及周邊區(qū)域閃電分布進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，為強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和跟蹤提供全新的觀測(cè)手段，提高對(duì)雷電和暴雨等災(zāi)害預(yù)警水平。

空間天氣探測(cè)儀精度較風(fēng)云二號(hào)有顯著提高，通道數(shù)量和探測(cè)要素大幅增加，此外，風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星也是中國(guó)首顆同時(shí)搭載空間環(huán)境和效應(yīng)探測(cè)儀器的靜止軌道衛(wèi)星，將進(jìn)一步增強(qiáng)中國(guó)空間天氣監(jiān)測(cè)能力。

在軌測(cè)試期間，風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星對(duì)臺(tái)風(fēng)、沙塵、暴雨強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害天氣和藍(lán)藻水華、霾等環(huán)境生態(tài)問題進(jìn)行了實(shí)時(shí)有針對(duì)性的應(yīng)用監(jiān)測(cè)。此外，風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星還在“一帶一路”國(guó)際合作高峰論壇、金磚國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人會(huì)晤等重大活動(dòng)氣象保障服務(wù)中發(fā)揮了重要作用，顯著提升了遙感應(yīng)用服務(wù)效果。

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)歷史上投資最多、研制時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)難度最大的對(duì)地遙感衛(wèi)星，也是中國(guó)氣象衛(wèi)星在世界氣象衛(wèi)星領(lǐng)域從跟跑、并跑轉(zhuǎn)向領(lǐng)跑的實(shí)現(xiàn)者和見證者。

2017年9月25日是中國(guó)新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)在軌交付的日子。為了慶祝風(fēng)云四號(hào)取得的巨大突破，微信啟動(dòng)頁(yè)首次“變臉”，展示風(fēng)云四號(hào)拍攝到的祖國(guó)畫面。endprint