中國航天發(fā)展史（四）

杜駿豪

氣象衛(wèi)星的軌道

在談氣象衛(wèi)星前，我們首先來聊聊兩種人造地球衛(wèi)星的軌道——太陽同步軌道（SSO）與地球靜止軌道（GEO），氣象衛(wèi)星大都運行在這兩種軌道上。

太陽同步軌道是經(jīng)地球南北兩極的近圓形軌道，所以又被稱為“極軌”。“太陽同步”四個字準(zhǔn)確地描述了這種軌道的特征：衛(wèi)星每次飛越同一地點上空時，太陽照射該地的角度均相同。換句話說，運行在這條軌道上的衛(wèi)星每天幾乎都在同一時刻觀測同一個地方，因此拍攝的地面圖像有相同光照條件，有利于數(shù)據(jù)的獲取與處理。風(fēng)云一號和風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星就屬于極軌衛(wèi)星。

地球靜止軌道位于地球赤道上空35786千米且軌道傾角為0度處。在此軌道運行的衛(wèi)星繞地球運動的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，與地面保持相對靜止，可以連續(xù)對地觀測與通信。風(fēng)云二號和風(fēng)云四號運行在這一軌道上。

簡單概括就是太陽同步軌道衛(wèi)星每天都在同一時間飛臨你的頭頂，而地球靜止軌道衛(wèi)星則一直高懸在你的頭頂上空不動。

風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星目前共發(fā)展了兩代，風(fēng)云一號與風(fēng)云二號屬于第一代，風(fēng)云三號與風(fēng)云四號屬于第二代。每一代都既包含太陽同步軌道衛(wèi)星，也包含地球靜止軌道衛(wèi)星，它們各司其職，分工協(xié)作，為地面的氣象工作者提供了各種寶貴的氣象信息。

風(fēng)云一號

1969年，一次始料未及的冰凌災(zāi)害席卷了大半個中國，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)和生活的同時，還造成了大范圍的通信中斷。造成這次災(zāi)害的天氣情況實際上已經(jīng)在國外氣象衛(wèi)星的云圖上有所顯示，但當(dāng)時我國獲取這些資料還非常困難，因此周總理高瞻遠(yuǎn)矚地提出：“要搞我們自己的氣象衛(wèi)星。”“面壁十年圖破壁”，1977年11月，在氣象衛(wèi)星工程第一次總體方案論證會上，中國氣象衛(wèi)星工程被確定為“七一一”工程，我國的氣象衛(wèi)星正式定名“風(fēng)云”，包含了“風(fēng)”與“云”這兩大自然現(xiàn)象，這注定了風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星的不凡使命。1985年10月，風(fēng)云一號氣象衛(wèi)星工程被列入“七五”期間衛(wèi)星型號發(fā)展的重點項目，我國第一代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號的研制工作正式開始。

風(fēng)云一號總共研制了兩個批次，共計四顆。風(fēng)云一號A星與B星是試驗型衛(wèi)星，風(fēng)云一號C星與D星是總結(jié)經(jīng)驗提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)后的業(yè)務(wù)型衛(wèi)星。我國也由此定下了“先發(fā)試驗星，后發(fā)業(yè)務(wù)星”的順序，這成為我國發(fā)射氣象衛(wèi)星的傳統(tǒng)。

1988年9月7日，風(fēng)云一號A星發(fā)射成功，從此我國有了自己的氣象衛(wèi)星。A星入軌后14分鐘，廣州氣象衛(wèi)星地面站率先收到部分信號，并實時傳送到了國家衛(wèi)星氣象中心，得到了我國第一幅衛(wèi)星云圖。不過就在衛(wèi)星發(fā)射后的第39天，衛(wèi)星姿態(tài)失穩(wěn)，導(dǎo)致整星失效。雖然A星只正常工作了一個多月，但它的成功發(fā)射卻標(biāo)志著我國已有能力獨自研制、發(fā)射和運行氣象衛(wèi)星，具有劃時代意義。

1990年9月3日，風(fēng)云一號B星成功發(fā)射。B星攜帶了兩臺分辨率1100米的可見光-紅外掃描儀，有拍攝云圖、植被、作物、水域、積雪并測量海平面溫度等功能。但是，B星正常運行165天后，由于星載計算機(jī)發(fā)生故障，也發(fā)生了姿態(tài)失穩(wěn)，后經(jīng)搶救依舊沒有完全恢復(fù)正常，未能達(dá)到一年的設(shè)計考核壽命。

在深刻總結(jié)A星、B星姿態(tài)失穩(wěn)的原因后，研究團(tuán)隊攻堅克難，設(shè)計制造了風(fēng)云一號C星。C星于1999年5月10日成功發(fā)射，它的設(shè)計壽命為兩年，但最終卻正常服役了近五年，研究團(tuán)隊打了一個漂亮的翻身仗！由于C星優(yōu)良的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，它成為中國第一顆被納入世界氣象業(yè)務(wù)的衛(wèi)星，為很多國家免費提供了大量的氣象數(shù)據(jù)。

在繼承C星成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國對風(fēng)云一號D星相關(guān)技術(shù)做了進(jìn)一步的優(yōu)化。青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，2002年5月成功發(fā)射后，D星正常運行了十年之久，超額完成任務(wù)，為我國的氣象事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。

風(fēng)云二號

風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星是我國自主研制的第一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，與風(fēng)云一號太陽同步軌道氣象衛(wèi)星相得益彰。

風(fēng)云二號總共研制了三個批次，共計八顆。與風(fēng)云一號相似，第一批次的A星與B星也是試驗型衛(wèi)星。我國第一顆地球靜止軌道氣象衛(wèi)星——風(fēng)云二號A星于1997年6月10日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號運載火箭成功發(fā)射，一周后定點于東經(jīng)105°的赤道上空。受技術(shù)水平所限，三個月后A星開始斷斷續(xù)續(xù)地出現(xiàn)故障，只能間歇性工作。三年后，風(fēng)云二號B星成功發(fā)射，正常運行八個月后也出現(xiàn)了故障。雖然這兩顆試驗型衛(wèi)星出現(xiàn)了故障，未能達(dá)到三年的設(shè)計考核壽命，但是它們都為后續(xù)的業(yè)務(wù)型衛(wèi)星積累了寶貴的經(jīng)驗。

風(fēng)云二號第二批次也是業(yè)務(wù)型衛(wèi)星，有C星、D星和E星三顆。相比于試驗型衛(wèi)星，業(yè)務(wù)型衛(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)有所提高，其中C星做出了256項技術(shù)改進(jìn)，于2004年10月成功發(fā)射，并定點于東經(jīng)105°的赤道上空，總計在軌工作超過十年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過三年的設(shè)計使用壽命，達(dá)到同期國際先進(jìn)水平。D星、E星分別于2006年12月、2008年12月升空，都有一定的技術(shù)升級，主要是提升了觀測能力，最終均在軌運行了近十年。這三顆衛(wèi)星互為備份，進(jìn)一步增強(qiáng)了我國天氣系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警能力。

為了向第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號進(jìn)行技術(shù)過渡，我國設(shè)計制造了風(fēng)云二號的第三批次，也是業(yè)務(wù)型衛(wèi)星，包括F星、G星和H星，分別于2012年1月、2015年1月和2018年6月發(fā)射升空。相比第二批衛(wèi)星，第三批衛(wèi)星做出了84項技術(shù)升級，對地觀測能力更加強(qiáng)大。截至2021年9月底，這三顆衛(wèi)星依然在軌工作。其中H星目前定點于東經(jīng)79°的印度洋上空，大部分“一帶一路”沿線的友邦均可覆蓋，有效增強(qiáng)了這些國家和地區(qū)在天氣預(yù)報、災(zāi)害預(yù)警方面的能力。

風(fēng)云三號

風(fēng)云三號是我國的第二代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，但卻并非是在風(fēng)云一號的基礎(chǔ)上做的簡單升級，而是一次脫胎換骨的蛻變。從探測載荷上看，風(fēng)云一號只搭載了一種遙感儀器，而風(fēng)云三號足足搭載了十一種儀器，不僅有可見光和紅外波段探測能力，還有紫外和微波段探測能力;在信號傳輸方式方面，風(fēng)云三號也有很大提升，整體能力達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

風(fēng)云三號的研制和生產(chǎn)共計三個批次，第一批次有A星、B星兩顆試驗型衛(wèi)星。風(fēng)云三號A星于2008年5月在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號丙運載火箭成功發(fā)射，當(dāng)年恰逢北京奧運會，因此這顆衛(wèi)星也被稱為“奧運星”，現(xiàn)在我們還在接收著“奧運星”傳回的觀測數(shù)據(jù)呢！B星于2010年11月成功發(fā)射，與A星組網(wǎng)運行，使同一地區(qū)的觀測間隔從12小時縮短到4.5小時，天氣預(yù)報精度提高了約3%。

此后我國分別在2013年和2017年成功發(fā)射第二批次的兩顆業(yè)務(wù)型衛(wèi)星——風(fēng)云三號C星和D星，它們繼承了“前輩”的成熟技術(shù)，核心遙感儀器的性能有了進(jìn)一步的提升。

風(fēng)云三號的第三批次包含E星、F星、G星和H星四顆業(yè)務(wù)型衛(wèi)星，其中E星已于2021年7月5日成功發(fā)射，是風(fēng)云衛(wèi)星家族里的首顆晨昏軌道氣象衛(wèi)星。俗話說“朝霞不出門，晚霞行千里”，在早晨和傍晚進(jìn)行觀測可以為天氣預(yù)報提供十分重要的信息，但包括之前的風(fēng)云三號其他批次衛(wèi)星在內(nèi)的全世界的太陽同步軌道氣象衛(wèi)星都是上午星或下午星。風(fēng)云三號E星是世界首顆在早晨5點至7點進(jìn)行觀測的氣象衛(wèi)星，可以有效提升天氣預(yù)報的精度，讓風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星的國際影響力進(jìn)一步提升。風(fēng)云三號后續(xù)三顆衛(wèi)星還在研制過程中，計劃分別作為上午、下午和降水測量衛(wèi)星。我國的天氣預(yù)報能力隨著一顆顆衛(wèi)星上天，正在一步一個腳印地成長！

風(fēng)云四號

風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星是我國第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，它的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于“前輩”風(fēng)云二號，將會逐漸挑起我國地球靜止軌道氣象衛(wèi)星的大梁。

與其他風(fēng)云氣象衛(wèi)星都研制了兩顆試驗型衛(wèi)星不同，風(fēng)云四號僅設(shè)計制造了一顆試驗型衛(wèi)星——風(fēng)云四號A星。它于2016年12月11日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號乙運載火箭成功發(fā)射，于2016年12月17日成功定點于東經(jīng)99.5°的赤道上空，獲取了世界上第一幅靜止軌道地球大氣高光譜圖，這標(biāo)志著地球靜止軌道上的大氣觀測由二維平面圖像升級成了三維立體圖像。風(fēng)云四號如同具有火眼金睛，不論是南海上空的巨大臺風(fēng)，還是青藏高原星羅棋布的湖泊，抑或是大興安嶺層層疊疊的積雪，甚至云層中轉(zhuǎn)瞬即逝的閃電，風(fēng)云四號都能“看”得層次豐富、紋理清晰、一目了然。

隨后，我國在2021年6月3日成功發(fā)射了風(fēng)云四號首顆業(yè)務(wù)型衛(wèi)星——風(fēng)云四號B星，與A星并肩戰(zhàn)斗，進(jìn)一步滿足我國及“一帶一路”沿線國家和地區(qū)的天氣預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)等服務(wù)需求，這標(biāo)志著我國的氣象衛(wèi)星技術(shù)在國際范圍內(nèi)實現(xiàn)了領(lǐng)跑！

未來展望

截至目前，我國已有19顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星直抵浩瀚蒼穹，其中9顆衛(wèi)星正常在軌運行，組成了獨具中國特色的風(fēng)云衛(wèi)星家族，使我國成為世界上同時擁有地球靜止軌道和太陽同步軌道氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的三個國家之一。我國的氣象衛(wèi)星事業(yè)從一開始的落后追趕，再到奮力趕超，直到現(xiàn)在處于領(lǐng)跑位置，這些偉大的成就離不開所有人員篳路藍(lán)縷、手胼足胝的艱苦奮斗，這才讓我們能更加從容地面對明天未知的風(fēng)起云涌。薪火相傳，箕裘不墜，接下來我國還將發(fā)展第三代風(fēng)云氣象衛(wèi)星——風(fēng)云五號與風(fēng)云六號。可以預(yù)見的是，中國的氣象衛(wèi)星將會繼續(xù)在世界舞臺上扮演越來越重要的角色！