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厲害了!沒錢的歐美造不出中國風雲4號衛星

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36000公里高空指哪拍哪 風雲四號是如何做到的?


12月11日發射的風雲四號不僅實現了我國高軌氣象衛星的升級換代,而且成功突破了高精度圖像定位與配準、微振動測量與抑製、定量化遙感等20餘項關鍵技術。

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12月11日淩晨,我國首顆高軌三軸穩定氣象衛星風雲四號科研試驗星在西昌衛星發射基地發射成功。作為我國新一代靜止軌道氣象衛星的首發星,風雲四號不僅實現了我國高軌氣象衛星的升級換代,進一步提升了衛星氣象觀測能力和水平,而且衛星成功突破了高精度圖像定位與配準、微振動測量與抑製、定量化遙感等20餘項關鍵技術,填補了多項國內技術空白,使我國靜止軌道定量遙感衛星達到世界先進水平。


這顆「上海造」超級氣象「智慧星」究竟有哪些「獨門絕技」?解放日報·上觀新聞記者就此採訪了上海航天技術研究院相關專家,一一作答。


千里之外「指哪拍哪」


氣象雲圖是是氣象觀測的重要手段,而靜止軌道氣象衛星運行於地球赤道上方36000公里的高空,在這樣的高度拍攝圖像,可不是件容易的事,衛星「鏡頭」的絲毫偏移,相對地面可能就是幾十乃至上百公里的差別,真正是「差之毫厘,失之千里」。


風雲四號總設計師董瑤海說,「衛星掃描成像是類似印表機的原理,圖像是通過掃描一行一行拚接而成。為了確保衛星遙感數據的精確,這就要求衛星在拍攝圖像時,即要做到『瞄得準』,也要做到『對得上』。」「瞄得準」就是要求衛星的相機能始終準確定位同一個地理位置;「對得上」就是要求衛星拍攝的相鄰圖像的相對位置關係配準精確。「定位與配準的精度將直接影響衛星產品的定量應用。」

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前一代靜止氣象衛星風雲二號上,採取的是雲圖傳回後在地面進行配準的方法,但風雲四號衛星指標精度大幅提高,星上實時配準的效果要優於地面配準,圖像導航與配準技術也就成為衛星必須突破的重大關鍵技術之一。


圖像定位與配準就是通過對衛星上關係載荷掃描成像的各種影響因素進行實時計算和補償,消除偏差影響,實現「無姿態偏差、無軌道偏差、無熱變形偏差」的「完美」成像,提高圖像的精度。這也是的當前世界新一代靜止軌道氣象衛星的核心技術。


根據設計要求,風雲四號研製團隊歷時10餘年攻關,先後攻克了衛星高精度姿態確定方法、熱變形在軌辨識和建模技術以及姿態、軌道和熱變形補償技術等技術瓶頸。


經過地面試驗驗證,風雲四號定位精度可達到1像元。什麼概念?「衛星在36000公里對地球進行掃描拍照時,衛星載荷鏡頭對地面的指向精度偏差不大於5個角秒,也就是時鐘的秒針滴答一下、每秒轉過角度的1/4320,保證了衛星對地成像的精準度,做到『指哪拍哪』。」上海航天技術研究院衛星專家周徐斌說,這與國外最新的高軌氣象衛星處於同一起跑線上,進一步提高了我國靜止軌道定量遙感衛星的研製能力。

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克服「一口氣」的振動


攝影愛好者都知道,要拍攝出一幅精美的照片,不僅要對焦準確,還要保持相機的穩定,如今,功能強大的防抖技術也是各相機廠家的重要賣點。


與此類似,衛星在軌道上觀測地球,也要考慮振動對載荷的影響。衛星在軌運行期間,星上活動部件比如飛輪、製冷機等的正常工作,不可避免會給衛星帶來細小的振動。風雲四號衛星工程總師李卿說,「而風雲四號配置的干涉式大氣垂直探測儀,因其工作機製對外界微小振動干擾極其敏感,一個細小的振動哪怕隻是在衛星邊上吹一口氣,就會導致產生無法甄別或消除的譜線,使得光譜性能退化。同時,振動也會造成探測儀以及輻射計掃描機構掃描控製精度下降,直接影響載荷的性能指標。」

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根據對比,風雲四號與美國前不久發射的GOES-R衛星和歐洲正在研製的MTG衛星在成像觀測能力方面相當。「但美、歐由於技術、經費等方面的因素,把成像輻射計和干涉式垂直大氣探測儀,分別裝在兩顆衛星上實現成像觀測和垂直探測,以避免兩台大型光學儀器運動部件帶來的動力學干擾等技術問題,影響到圖像中每個像素的配準和圖像的定位精度。」李卿說。


「之所以能將這兩種載荷同時裝載到風雲四號上,因為我們解決了衛星平台微振動測量和抑製等核心關鍵技術。」李卿透露,為了克服微振動影響,研製團隊在對衛星10餘個轉動部件的振動特性與傳遞路徑的分析、試驗的基礎上,提出了微振動測量與抑製的方法,並在工程上成功實現了振源隔振裝置和有效載荷隔振裝置的研製。「這相當於給單機坐上『軟沙發』,成功隔絕平台微小的振動影響,微振動抑製效率達到90%以上,為探測儀器的正常運轉提供了良好力學環境。」


36000公里高空「明察秋毫」


為了提高天氣預報的準確性,數值天氣預報已成為當前製作日常天氣預報的主要方法,而數值預報的前提是精確的大氣觀測參數,以為複雜的大氣環境動力學方程提供初始條件。氣象衛星又被叫做定量遙感衛星,除了獲取雲圖外,更重要的功能就是獲取準確的、定量化的大氣和地表觀測信息,為後續的應用提供服務。董瑤海打比方說,「當地面的溫度有1℃的變化,氣象衛星就要在36000公里的高空感測出來,提供科研人員進行分析。」


針對越來越高的定量遙感需求,風雲四號裝載的多通道掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀和閃電成像儀,在性能上比之前的衛星有大幅的提升。

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衛星裝載的多通道掃描成像輻射計擁有14個輻射成像通道,覆蓋可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段,接近美國的GOSE-R的16通道,同時星上輻射定標精度達到1K、靈敏度0.1K。「舉例來說,青海湖的溫度是20℃,風雲四號衛星可以做到對其溫度的測量誤差小於1℃,同時,當湖水溫度變化0.1℃時,衛星就能夠準確感知出來。」董瑤海表示,此外還可以通過不同光譜通道的觀測,對全國植被覆蓋、糧食畝產等做出預估,經濟社會效益巨大。

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衛星裝載的干涉式大氣垂直探測儀,其光譜探測通道達到1700個,光譜解析度0.625cm-1,可在垂直方向上對大氣結構實現高精度定量探測。「相當於對大氣進行CT掃描,這也是國際上靜止軌道氣象衛星的首次裝載,獲取的高光譜大氣數據,可進一步提高天氣預報的準確性。」周徐斌說。


另據透露,衛星裝載的我國自主研製,也是國內首次應用的閃電成像儀,一秒鐘可以拍攝500張閃電圖,探測區域範圍內的閃電頻次和強度,這可以用來實現對強對流天氣的監測與跟蹤,提供閃電災害預警。


不過,董瑤海也表示,天氣預報是一件極其複雜的工作,除了溫度外,還包含濕度、壓強、風很多指標,涉及溫濕度、導風、閃電、輻射、雲和氣溶膠、大氣成分等數十個種類衛星遙感數據產品的應用。據悉,風雲四號衛星正式投入業務運行後,將提供包括雲、輻射、溫濕度、大氣、導風、閃電等34種數據產品。


打造超豪華高軌衛星平台


氣象衛星與其他衛星不同,要求提供連續穩定的業務運行數據,也就是一天24小時、全年365天得天天當班,每天都要報出晴雨、溫度、風力等數據,這就要求衛星具有極高的可靠性與時效性。


我國是世界氣象組織的重要成員,風雲系列衛星也是全球對地觀測業務衛星序列的重要成員,除了大家每天收到的天氣預報,還要為世界其他國家提供氣象數據,目前全球有90多個國家和地區使用風雲衛星數據,風雲衛星受到國內外廣泛關注。

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上海航天技術研究院科研三部部長路同山說,為了提供優質穩定的業務服務,科研人員為風雲四號量身打造了一個角秒級測量和控製精度的高軌三軸穩定衛星平台SAST5000平台,該平台首次採用了六面柱體構型,具有承載能力大、質心低、力學響應小、對地面大等特點,除了前面提到的國內首創的星上實時補償的高精度圖像定位配準技術和微振動抑製測量技術外,衛星還採用了雙匯流排體製、高性能AOS技術、大功率電源、整星防靜電技術、整星防汙染技術等一系列關鍵技術,衛星設計壽命7年之久,發射重量5400公斤,壽命末整星功率3200瓦,達到國際先進水平。

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資料顯示,「十二五」期間,我國24小時晴雨預報準確率較「十一五」提高了2個百分點,溫度預報準確率提高了13個百分點,24小時颱風路徑預報誤差縮小了66公里,全國平局每年因氣象災害造成的死亡任務也較「十一五」下降一半以上,氣象衛星透出產出效益比高達1:40。隨著風雲四號科研試驗衛星的發射和應用,以及地面應用系統40多項衛星氣象產品的開發,它將使我國衛星氣象事業有一個質的飛躍,我國的遙感衛星技術也將跨上嶄新的台階。


隨著風雲四號科研試驗衛星的發射和應用,以及地面應用系統40多項衛星氣象產品的開發,它將使我國衛星氣象事業有一個質的飛躍,我國的遙感衛星技術也將跨上嶄新的台階。

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