风云四号将对中国环境进行高光谱分辨率观测

  12月11日0时11分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射风云四号卫星。该星实现了中国静止轨道气象卫星升级换代和技术跨越，将对中国及周边地区的大气、云层和空间环境进行高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率的观测，大幅提高天气预报和气候预测能力。
 风云四号将对中国环境进行高光谱分辨率观测　　　　风云四号卫星使用全新研制的SAST5000平台，设计寿命7年，成功突破了代表国际前沿的高精度图像定位与配准、微振动测量与抑制等20余项核心关键技术，装载4种先进有效载荷，整体性能达到国际先进水平。　　　　风云四号卫星的研制者介绍，同时在高轨气象卫星装载多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪，为国际首次。　　　　既全面提高对地球表面和大气物理参数的多光谱、高频次、定量探测能力，还可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测。　　　　此外，卫星装载的中国自主研制的闪电成像仪，一秒钟可拍摄500张闪电图，对强对流天气进行监测与跟踪，提供闪电灾害预警。　　　　卫星应用部门代表说，“风云四号”投入使用后，可以更加精确地开展天气监测与预报预警、数值预报、气候监测。在台风分析和预报方面，能够每3分钟对台风区域进行观测，特别是对台风眼区的监测可弥补目前在轨卫星云图分辨率不够高的缺陷。　　　　风云四号卫星工程由国防科工局组织实施，卫星主用户为中国气象局。　　　　卫星、运载火箭分别由中国航天科技集团公司上海航天技术研究院、中国运载火箭技术研究院研制。　　　　此次发射是长征系列运载火箭的第242次发射。　　　　两大绝招给地球拍照提供最稳“三脚架”　　　　4亿像素、15分钟成像，这是风云四号给地球“拍照”的质量与速度。　　　　伴随着11日中国新一代静止轨道气象卫星首发星风云四号的成功发射，中国气象卫星给地球“拍照”水平将大大提升，达到世界先进水平。　　　　中国航天科技集团公司八院的专家揭晓了其中两大关键技术。　　　　在风云四号图像定位与配准主任设计师吕旺看来，风云四号气象卫星在宇宙的成像，与在地面使用相机拍照颇有几分相似，“地面用长焦距的相机拍照，需要三脚架;而风云四号气象卫星‘焦距’有3米多，悬浮在空中，没有三脚架，还有各种因素干扰‘拍照’。”　　　　吕旺说，如果没有一定的修正技术，这样给地球拍出来的“写真”并不准确。　　　　“有多不准呢？我们分析，如果不通过校正，图像错位和偏移程度可能达到几十公里的量级，比如预报在上海浦东机场下的一场雨，有可能实际是下在上海虹桥机场”，吕旺说。　　　　再打个比方，他说，如果要给整个地球拍一幅4亿像素的照片，并不是“咔嚓”一次就拍出来了，“因为没有这么大的画幅，就算有，目前也没有这么高的分辨率”。　　　　吕旺说，风云四号的“拍照”过程是通过一个扫描机构，“像一个小刷子一样，将整个地球一点点刷完，一共预估要刷15分钟。”他解释，在刷的过程中，由于误差干扰的原因，刷的路径就会歪。　　　　因此，为了让气象卫星给地球的照片能够尽量真实，风云系列气象卫星均采用了一项特有的关键技术——图像定位与配准技术。与风云二号采取云图传回后，在地面进行处理的方式不同，风云四号对技术进行了升级，能在卫星上实时完成对扫描路径的校正，保证下传的图像直接实现定位配准。　　　　“图像定位与配准，与开车时所用的GPS导航类似，如果定位与配准系统感知外界影响因素导致刷子刷歪了，会发出信号直接对载荷进行校正，让它偏回来”，吕旺解释，这样一来，采样数据可以更完整地保存下来，避免以往依靠地面处理而导致的辐射精度损失，同时提高工作效率。”　　　　据悉，风云四号的卫星图像定位与配准精度达到1像元，即在36000公里高空对地“拍照”误差控制在1公里之内，补偿效率到达98.8%，与美国发射的GOES-R卫星相当。　　　　吕旺说，该项技术，加之“微振动测量与抑制”的防抖技术，给卫星提供了一个比任何三脚架都稳的成像条件。　　　　他所言及的微振动测量与抑制技术也是此次风云四号卫星上不可或缺的关键技术之一。风云四号卫星与国际同期的新一代静止气象卫星，比如今年11月发射的美国GOES-R卫星和欧洲正在研制的MTG卫星相比，在成像观测能力方面相当。　　　　但美、欧由于技术、经费等方面的因素，把扫描成像辐射计和干涉式垂直大气探测仪，分别装在两颗卫星上实现成像观测和垂直探测，以避免两台大型光学仪器运动部件带来的动力学干扰等技术问题。风云四号则“以一顶俩”，在同一卫星平台上装载了这两种载荷。　　　　八院509所副所长周徐斌介绍，其中，可以给大气进行“CT扫描”的干涉式大气垂直探测仪特别“娇贵”。　　　　“这是非常敏感的仪器，过去在地面使用时，一般放在地下室，旁边挖个隔振沟，再营造一个消声的环境;而现在我们放到天上工作，旁边有高速转动的飞轮，还有扫描成像辐射计等，这些都会产生振动”，周徐斌说。　　　　他表示，干涉式大气垂直探测仪对振动如此敏感，若处在一个不够安静的环境，性能就会下降，甚至不能工作。　　　　因此，风云四号的研制团队通过高精度隔振系统等的研制，给仪器安上“软沙发”，克服了微振动影响，微振动抑制效率达到90%以上。　　　　两大关键技术助力风云四号给地球拍出更好的“写真”，将历史性地提升中国卫星的气象观测能力和水平。　　　　在11日成功发射的中国新一代静止轨道气象卫星首发星风云四号上，与传统卫星“双翅膀”构型的太阳电池翼不同，风云四号以T型“单翅膀”首次亮相太空。　　　　中国航天科技集团公司八院805所的研制者于此间揭秘：在三万六千公里的高空作业，却只能安装一个“翅膀”，“风四”何以保持平衡？　　　　有颜值——T型太阳翼首次亮相太空　　　　太阳电池翼是卫星的关键部件之一，与太阳能热水器类似它通过安装在其表面的电池片吸收太阳能，并将其源源不断的供给卫星。现代卫星受功率需求限制，为了实现更大的发电面积，一般采用可展开式的太阳翼，并在根部通过电机机构驱动太阳电池翼转动。　　　　一般卫星均是围绕地球而不是太阳旋转，如果是固定式的太阳翼很多时候就无法照到太阳光，所以太阳电池翼需要和向日葵一样对着太阳旋转，保证电池板面朝太阳从而获得最大的发电效率。　　　　传统卫星的太阳翼都是双翼构型，分布在卫星的两侧，就像两只展开的翅膀。　　　　风云四号作为新一代气象卫星，其功能十分强大，星上载荷众多，尽管其六面体的身板已经不小了，但是分配给太阳电池翼的指标是，只有一侧能安装太阳电池翼。但风云四号卫星的主要作用是精准地进行气象预报，前提是精准实现对地观测，“翅膀”不稳定怎么行？　　　　八院805所的研制者首次给卫星的太阳电池翼设计了炫酷的“T”构型，令其保持自身平衡，抗干扰能力强，从而给卫星提供稳定电能。　　　　“为了保证卫星的高姿态稳定度，全新设计的T构型大大缩短了太阳翼质心和卫星的距离，一旦太阳翼发生晃动或者抖动，对卫星的干扰也是非常小的。”805所太阳电池翼副主任设计师王威介绍说。　　　　他形容，“就跟人保持稳定的原理是相似的，人伸开双臂容易被拉动或拉倒，把双臂紧贴身体就相对稳定多了。”　　　　靠智慧——把运动耦合扼杀在摇篮里　　　　太阳电池翼的主要功能是通过太阳电池片吸收太阳能，将其转化为电能，并源源不断地提供给卫星，为了保证太阳光能够尽可能的直射电池片，太阳电池翼一直在围绕太阳旋转，在这个过程中，就会产生运动耦合，而运动耦合一旦发生，卫星将产生剧烈“晃动”，轻则影响观测精度，重则使卫星受到损坏。　　　　专家介绍，其实运动耦合并不是航天器特有的，日常生活中也存在。　　　　举个简单的例子，用洗衣机脱水时，机器在刚启动和最高速时，机器的振动都不大，但是当洗衣机转筒在某一速度的转动频率与结构频率产生运动耦合时，就会导致振动放大。　　　　那卫星在太空运行是会不会与太阳翼发生运动耦合现象呢？　　　　据八院805所的专家介绍，受地球重力和卫星体积的限制，地面真实模拟其太空运行的成本太高，研制人员通过摸清太阳电池翼自身的频率特性，从设计上错开两者会引发运动耦合的频率。　　　　“测量计算太阳翼的频率并不复杂，使其悬挂摆动起来进行测试便可，复杂的是怎样使太阳翼悬挂变动，”八院805所太阳翼产品首席张雷介绍说，“悬挂式固定不牢怕太阳翼损坏，固定太牢产品的频率就测试不准了。”　　　　为了解决这一难题，研制人员动了不少脑筋，最终采用牵线木偶的形式，通过长长的细线将太阳翼吊起，并通过气浮机构使得细线的长度能随着太阳翼晃动缩短或变长，从而保证测试出产品最真实的频率特性，有效避免了两者运动耦合现象的发生，确保卫星安全、稳定运行。