揭秘当今最先进气象卫星:“风云四号”的“独门特技”

中国气象报社 空间天气 2016-12-11

   ■搭载迄今为止我国最先进的静止轨道辐射成像仪,在赤道上方约35800公里处,可获得高时空分辨率成像资料;

  ■搭载世界首个静止轨道干涉式红外探测仪,1个小时就能完成一次对我国及周边区域大气的垂直探测;

  ■我国首次在卫星上安装静止轨道闪电成像仪,可对我国及周边区域的闪电频次和强度进行探测;

  ■能够对地球同步轨道的带电粒子辐射和磁场环境进行实时监测;

  ■首次使用全新研制的SAST5000平台,采用力矩补偿技术、星地一体化图像导航与配准技术和整星隔震系统,实现两台载荷同时工作,解决世界性难题。

  

   嘉宾:“风云四号”卫星工程总师 李卿

      “风云四号”A星地面应用系统总指挥 魏彩英

      “风云四号”A星地面应用系统总设计师 张志清

  采访人:中国气象报记者 卢健



  12月11日凌晨,驾乘“长征三号乙”改进Ⅲ型运载火箭,“风云四号”A星成功发射。这是一颗史上最先进的综合大气观测卫星,它的成功发射开启了我国新一代静止气象卫星的新时代。

  在距离地球赤道上方35800公里的高空中,等候“风云四号”A星的有几位劳苦功高的“兄弟”——“风云二号”F星、G星,还有几位实力强大的“外国朋友”——美国GOES-R、日本“葵花8号”。“风云四号”与它们一样站在静止轨道上,可谓自信满满:它能获得高时空分辨率成像资料,进行大气垂直探测,抓得住转瞬即逝的闪电,还能探测空间磁场强度。

  怀揣这几样绝技,未来,“风云四号”系列卫星数据将在天气监测与预报、气象防灾减灾、应对气候变化、生态环境监测和空间天气等领域得到广泛应用。

  

       太空“千里眼”:辐射成像仪

  500米可见光最高分辨率,15分钟完成东半球圆盘图观测

  了解一颗卫星,公众对这样的问题感兴趣:它拍出来的图片清晰吗?能看清我们小区吗?能看到我住的楼吗?

  作为一颗气象卫星,“风云四号”系列卫星最关心的拍摄对象并非是地表的建筑物,而是高空中无时无刻不处在运动状态的大气。但是,对“风云四号”系列卫星的评价同样绕不开“清晰度”这个话题。

  “风云四号”A星的可见光最高分辨率是500米,和两年多前发射的“风云三号”C星的250米分辨率相比似乎优势并非十分明显。但从太空来看这两颗卫星,就不难发现“风云四号”A星真的拥有一双“千里眼”。


  气象卫星分太阳同步轨道卫星和地球同步轨道卫星两种。

  地球同步轨道卫星,就是静止卫星,即相对于地球保持静止。当卫星轨道在赤道上方约35800公里时,卫星绕地球运转周期与地球自转周期一致,于是产生同步效应。“风云四号”A星就是一颗静止轨道气象卫星。

  太阳同步轨道卫星距离地面的高度只有大约800公里,“风云三号”系列卫星便是其中的一员。35800公里和800公里,简单对比就能发现,“风云四号”距离地球表面的距离是“风云三号”的40多倍,如果要得到同样分辨的图像,静止轨道卫星的难度可想而知。

  “风云四号”A星的500米可见光最高分辨率与今年11月19日美国发射的新一代静止气象卫星GOES-R相当,而与我国第一代静止气象卫星“风云二号”的1.25公里可见光最高分辨率相比,有了5倍的提高;红外通道的分辨率也从“风云二号”的5公里提高到了2公里和4公里。

  而这位让“风云四号”拥有更佳视力的功臣是“风云四号”四大载荷之一——先进的静止轨道辐射成像仪,它也是迄今为止我国静止轨道最先进的成像仪。

  从通道数来看,先进的静止轨道辐射成像仪在“风云二号”5通道的基础上,增加到了14通道,包括可见光、近红外和红外通道。

  除了能看得更清楚以外,“风云四号”的反应更敏捷,这与“风云四号”的三轴稳定结构密切相关。

  “风云二号”采取的是类似陀螺旋转的自旋稳定结构,技术难度相对较小,但缺点显而易见:在自转过程中,从35800公里外观测地球,只有一小部分时间可以扫描地球,其他大部分时间都在扫描太空。

  而相较于自旋稳定,三轴稳定就像把相机放在三角架上,可以24小时“凝视”地球,完成1幅圆盘图观测图由“风云二号”需要的30分钟缩短至15分钟;还可以灵活地对想要观测的区域进行高频次连拍,针对东西、南北各1千公里的区域观测时间仅需要1分钟。在实际应用中,这一性能相当“给力”,比如某个区域有突发天气状况,需要马上获取当地云图,“风云四号”A星只要1分钟就可以扫出一张区域图像。

  但如果姿态有一点点变化,获取图像时就会无可奈何地“差之千里”。所以,姿态控制对于静止气象卫星来说非常关键。


  大气“CT机”:大气垂直探测仪

  对中国及周边区域1小时完成一次垂直探测,具备现有探空系统3000倍的能力

  大气在空间分布上是三维的,其温度、湿度和压强又是随时间变化的,大气的运动和变化便是天气现象的本质,而天气预报就以大气观测数据为基础。

  大气的水平运动就是我们通常所说的风。实际上,除了水平运动之外,大气还同时一刻不停地进行着垂直运动,即大气的上升和下沉。当大气垂直运动变化剧烈时,就会生成让人谈之色变的强对流天气。摸清大气的垂直运动的“脉搏”,就能及时预报强对流天气的发生、发展。

  获取晴空大气三维结构和垂直运动信息的任务就交给了大气垂直探测仪。


  在卫星上工作的垂直探测仪在投入应用之前,有一个设备可以帮助我们获得大气温度、湿度的垂直分布情况,就是全国一百多个探空站每天上下午定时施放的探空气球。带着无线电探空仪,探空气球从地面缓缓上升至30千米至40千米的高空中,从而获得不同高度的气温、气压、空气湿度等气象数据。

  但探空气球存在地域局限性,在没有人的偏远陆地和海洋就无法通过施放探空气球来获取探空资料。有了卫星垂直探测技术以后,在理论上让在世界任何地方收集大气垂直资料成为可能。

  此前,“风云三号”系列卫星已经搭载了微波大气温湿度探测仪。虽然每颗极轨卫星只能每天两次经过地球上同一地区,但是集合全世界多颗极轨气象卫星的观测数据,就能提供全球每六小时一次的大气垂直观测数据。这些数据被同化进数值预报模式中,便可以进行全球数值天气预报。

  “风云四号”A星搭载的是世界首个静止轨道干涉式红外探测仪。这个探测仪有1600多个探测通道,就像CT切片一样,把晴空大气在垂直方向上切层,获得大气垂直方向上的精细数据。重要的是,“风云四号”A星与地球保持相对静止,1个小时就能完成一次对我国及周边区域大气的垂直探测,相较于极轨卫星多星组网探测频次和探空站的12小时一次,在时间分辨率方面强势胜出;同时,静止轨道干涉式红外探测仪的空间分辨率是16公里,大大优于探空站200公里的平均间隔,具备现有探空系统3000倍的能力,对于亟待进一步提高的精细化预报来说无疑是雪中送炭。

  静止轨道干涉式红外探测仪还有一个优势,就是通过探测晴空大气,生成大气不稳定指数。在晴朗无云天气时,该一起可以向预报员提示未来几个小时内哪些区域会发生强对流等极端天气,特别像《西游记》里孙悟空的火眼金睛,能在青天白云下看到前方有“妖怪”出没。

  值得一提的是,像先进的静止轨道辐射成像仪一样,静止轨道干涉式红外探测仪完全为我国自主研制。在世界新一代静止气象卫星中,“风云四号”A星是首个搭载静止轨道高光谱红外探测仪的卫星。


  强对流“示踪器”:闪电成像仪

  “捕捉”转瞬即逝的闪电,对强对流天气实施监测与跟踪

  闪电是发生在大气中的一种瞬时放电现象,根据科学研究,其活动和暴雨、台风、冰雹等强对流天气系统有着密切的关联性。这些强对流天气具有强度大、破坏力强、水平尺度小、生命史短等特点,长期以来,对强对流天气的监测、预报和预警一直是气象工作中的难点。强对流天气往往都伴随着强烈而密集的闪电,因而闪电监测也被人们称作是强对流天气的“示踪器”。


  鉴于闪电对强对流天气独特的指示作用,以及静止卫星观测平台突出的时空覆盖优势,近年来,发展地球静止轨道卫星闪电成像仪,以实现对闪电和强对流天气的实时、连续观测,成为国际上闪电探测的一个重要发展课题。

  “抓闪电”的想法很好,然而,闪电抓起来却绝不那么简单。一般来说,闪电持续时间很短,比人类眨眼的速度还快。“风云四号”仪器团队中抓闪电的高手就是静止轨道闪电成像仪,这也是我国首次在卫星上安装。

  闪电成像仪的主要作用是对闪电成像的观测,获取观测覆盖区范围内的闪电分布图。该仪器可对我国及周边区域的闪电频次和强度进行探测。对闪电的实时、连续观测数据与云图叠加起来,就能实现对强对流天气的监测与跟踪,进而形成闪电灾害预警。


  空间“监视器”:空间天气仪器包

  对地球同步轨道的带电粒子辐射和磁场环境进行实时监测

  空间天气仪器包,包括高能粒子探测器、三轴磁通门磁强计、卫星辐照计量仪与充电电位测量仪。


  高能粒子探测的目标是卫星轨道上来自不同方向的高能质子和高能电子的流量和能谱。磁场监测的目标是卫星轨道上的三维矢量空间磁场强度。空间天气效应监测的目标是由空间带电粒子辐射引起的卫星表面充电(差异值和绝对值)、深层充电和辐射剂量等卫星效应。

  “风云四号”A星能够对地球同步轨道的带电粒子辐射和磁场环境进行实时监测,空间天气预报员可以据此开展空间天气预报和预警;同时,对卫星空间天气效应的监测有助于对卫星异常状态进行甄别,并能对卫星防护和运行策略提供必要的参考依据。

  例如,飞机和船只导航、卫星姿态调控,辐射带环境计算等都需要精确的磁场模型。同步轨道磁场数据可以验证全球磁场模型,还可同化到磁场模型中,进行业务应用;同步轨道磁场可以用于评估地磁活动水平,增加对近地空间环境的认识,促进对地球磁场与太阳风相互作用的理解,提高空间天气的研究和应用水平。


  SAST5000卫星平台:保证四大载荷和谐相处

  如果把世界上同期发展的同类卫星做一个比较,“风云四号”A星有两个世界第一:装载了静止轨道高光谱红外探测仪和单颗卫星上装载仪器最多;还有一个世界第二:“风云四号”A星的闪电成像仪比美国发射卫星上的闪电成像仪晚了不到一个月。能实现这些目标,都是倚仗“风云四号”卫星平台的“独门特技”。

  静止卫星距地球的距离是极轨卫星的40多倍,因此,要达到准确观测地球上指定的同样目标,静止卫星三角架的晃动必须比极轨卫星三角架的晃动幅度小40多倍,需要有更好的定力。这是通过高精度姿态测量和控制来实现的。

  但控制卫星不晃动太难了!卫星上的活动部件非常多,大大小小加起来差不多有几十个:太阳能翻板要转,姿态控制的轮子在转,观测仪器的扫描镜也在工作……这些都会对卫星平台和其他载荷产生姿态上的干扰。比如,垂直探测仪实际上是一种迈克尔逊干涉仪,通过动镜相对运动与定镜之间产生光程差来产生干涉,只要有一点点扰动、一点点晃动,光谱就乱了,根本形成不了干涉。

  “风云四号”A星首次使用了全新研制的SAST5000平台,采用力矩补偿技术、星地一体化图像导航与配准技术和整星隔震系统,解决了这一世界性难题,实现了两台载荷同时工作,这样的技术达到了国际领先水平。

  遇到这样的难题,同时为了满足成像质量要求,欧洲只能无奈地将垂直探测仪器和成像观测仪器分别放在MTG-I和MTG-S两颗卫星上,避免载荷之间相互干扰导致“谁也干不了活儿”的情况。

  将两个载荷分装于两颗卫星上确实是一种解决方案。但如果能让载荷之间和谐共处,能额外获得两个收益:一方面,在先进的静止轨道辐射成像仪进行高时空分辨率成像观测的同时,静止轨道干涉式红外探测仪可以对大气进行垂直探测;另一方面,发射一颗卫星的成本是很大的,合二为一也就节约了一笔很大的资金。


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