风云四号卫星发射成功 天气预报准度将大幅提高

　　12月11日,搭载风云四号卫星的运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空。新华社发

　　原标题:天气预报准确度将大幅提高

　　记者 潘珊菊

　　昨日,记者从国防科工局、国家航天局获悉,当天凌晨,我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。风云四号卫星将对我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。

　　风云四号卫星到底有多牛?

　　新技术在36000公里外“明察秋毫”

　　如果将太阳同步轨道卫星比喻为围绕着地球转动“流动巡逻的警察”,静止轨道卫星则好比“定点站岗的警察”。风云四号的“岗位”位于距离地球36000公里的高空,在如此遥远的太空对地球上风云变幻“明察秋毫”,得益于成功突破了代表国际先进水平的高精度图像定位与配准、微振动测量与抑制、定量化遥感等20余项关键技术。

　　高精度的图像定位与配准技术,是各国静止轨道卫星正在全力攻克的关键技术之一。这一技术能让卫星的“眼睛”从几万里之外的太空,精准地看到地球上任何想看的地方,并在拼接图像时做到零误差。为了突破这一技术,美国历时11年、经过5颗卫星的持续改进,在GOER-N上才取得突破,在刚刚发射的GOES-R卫星实现了定位精度达到1公里。

　　中国航天科技集团八院风云四号研制团队经过十多年的技术攻关,先后攻克了卫星高精度姿态确定方法、热变形在轨辨识和建模技术以及姿态、轨道和热变形补偿技术等技术瓶颈,卫星图像导航配准精度达到“1像元”,即在36000公里高空对地拍照误差控制在1公里之内,补偿效率达到98.8%,与美国刚刚发射的GOES-R卫星相当。

　　新平台

　　实现对地球24小时“凝视”

　　今后,在长达7年的设计寿命期间,风云四号将接替风云二号“上岗”,成为全球对地观测业务卫星序列的重要一员。每天24小时、共计2555天的“执勤”期间,不能有丝毫差错,更不能“因病请假”,这对卫星“身体素质”提出了极高的稳定性与可靠性要求。

　　中国航天科技集团八院科研团队专门为风云四号“量身定制”了一个角秒级测量和控制精度的高轨三轴稳定卫星平台——SAST5000平台,平台采用六面柱体构型、单太阳翼、三轴稳定控制方案,并采用了双总线体制、高性能AOS技术、大功率电源、整星防静电技术、整星防污染技术等一系列关键技术,可实现对地球24小时“凝视”。

　　太阳电池翼是卫星的关键部位之一。传统卫星的太阳翼都是双翼构型,分布在卫星的两侧,好像两只展开的“翅膀”。风云四号却只有一侧装有太阳翼,研究团队专门设计了一款“T”构型的太阳翼,大大缩短了太阳翼质心与卫星的距离。一旦太阳翼发生晃动或抖动,对卫星的干扰将大大减少。

　　风云四号上的数管计算机和数据处理器,是卫星数据管理和数据处理的核心部件,相当于整颗卫星的“心脏”,一刻也不能停顿。而风云四号卫星载荷成像精度高、数据量大,如何确保数据处理器、数传系统高速稳定运行,且能灵活配置数据路由,将大量数据及时传回地面,在关键时刻不“卡壳”,也是研制团队面临的一大难题。

　　通过不断讨论、验证,最终采用了SpaceWire和高低速总线相结合的模式,突破了静止轨道气象卫星大数据量传输的瓶颈。同时采用了严格的空间防静电设计、光学部件的防污染设计、多活动部件的可靠性与寿命设计等,大大提高了卫星的“身体素质”。

　　新载荷

　　把地面隔振平台“搬到”太空

　　风云四号“最牛”的地方不仅在于搭载了许多先进的观测仪器,更在于将一种对观测环境要求极为“严苛”的仪器,与其他仪器一起搭载在同一颗卫星上,这就是干涉式大气垂直探测仪。

　　干涉式大气垂直探测仪是一种类似于给大气“做CT”的先进仪器,但使用起来也极为“娇贵”。一个细小的振动——哪怕只是在卫星边上吹一口气,就会导致产生无法甄别或消除的谱线,使得光谱性能退化。因此,该仪器在地面上使用,需专门为它建造一个超静隔音的地下室。在开放的太空使用,为了防止其他仪器振动和噪音干扰,欧洲计划专门为它发射一颗卫星。

　　在国际上,风云四号首次在单星上同时搭载多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪,首次同时实现二维成像观测和大气垂直分层三维观测,实现国外两颗星达到的功能。

　　为克服微振动的影响,研制团队对风云四号上的10多个转动部件的振动特性与传递路径,进行了深入分析和试验,提出了微振动测量与抑制的方法。并在此基础上,在国内率先实现了振源隔振装置和有效载荷隔振装置的工程化,使卫星平台对敏感载荷的振动干扰,降低到0.1mg(用手轻轻击桌面的振动量级约为300mg)。这相当于把地面的隔振平台,直接“搬到”了太空。

　　此外,卫星装载的我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。

　　卫星云图对天气预报到底有何用?

　　根据方程运算获取未来天气预报

　　记者从航天科技集团公司八院获悉,气象卫星主要是通过卫星装载的各种探测仪器获得不同的卫星气象云图与遥感数据,然后通过云图反演出其他参数,并应用到天气预报模式中,再根据方程的运算得到未来的天气。

　　卫星云图在天气预报中常常被使用说明天气情况,花花绿绿的卫星云图为识别不同天气系统,确定他们的位置,判别天气系统的发展阶段及其未来的演变趋势,如估计台风中最大风速,以及估计对流云的降水强度等基础。这些卫星云图都是由气象卫星从太空不同的位置对地球表面进行拍摄,并通过卫星将大量的观测数据传回地面站,然后将这些数据合成精美的云图照片。

　　例如,中央电视台气象预报的卫星云图,就是风云系列气象卫星摄取的。每天大家看到的卫星云图天气预报动画是由过去12幅卫星云图组成,每隔半小时或一小时一幅,通过图像动画让观看者更清楚地了解云团的移动变化。

　　风云四号卫星正式投入业务运行后,将逐步接替风云二号卫星提供更加及时和高精度的观测数据,进一步提高天气预报的准确率。而目前在轨运行的风云三号卫星则为全球气候变化和大气环境监测提供了重要观测数据。

　　据统计,风云气象卫星的云图每年被数以亿计的引用,成为了国内最大的遥感卫星数据库,全球90多个国家和地区使用风云卫星数据。随着风云卫星的发展,我国天气预报的准确率从上世纪70年代的约50%,提高到了现在的90%。

　　气象卫星服务天气预报的难点何在?

　　考验定量探测和连续业务运行技术

　　“风云系列卫星的稳定运行和出色效能,奠定了中、美、欧气象卫星三足鼎立局面,提高了中国在国际上的话语权。”航天科技集团公司八院介绍,风云系列卫星也作为全球综合地球观测系统的重要成员,与欧美等国的气象卫星一起,形成了对地球大气、海洋和地表环境的全天候、立体、连续观测的卫星观测网。

　　当前国际上气象卫星这种仅在少数几个国家发展的局面,这得从天气预报对气象卫星定量探测和连续业务应用的要求说起。

　　首先是定量探测。气象卫星是现在天气预报的基石。而数值天气预报求解大气环境的动力学方程的初始条件是精确的大气观测参数,这对卫星提出了很高的定量化应用需求。就拿刚刚发射的风云四号卫星来说,卫星选择以青海湖为定标场,风云四号卫星需要在36000公里之外的赤道上空对湖水温度的测量绝对误差小于1度,同时,当湖水温度变化0.1度时能够准确感知出来。

　　为实现定量化,风云四号卫星进行了大量的仪器定标方法研究,研制了一套完整的在轨定标设备和定标方法。但天气是如此的复杂,预报天气的要素除了温度,还包含湿度、压强、风很多指标,涉及温湿度、导风、闪电、辐射、云和气溶胶、大气成分等数十个种类卫星遥感数据产品的应用。

　　据悉,风云四号卫星正式投入业务运行后,将提供包括云、辐射、温湿度、大气、导风、闪电等34种数据产品,产品种类、数量,以及定量化指标均较之前卫星产品有显著提升。

　　第二个是连续业务运行。所谓连续业务运行就是气象卫星不允许出现任何差错,全年365天24小时当班,每天都要报出晴雨、温度、风力等相同的数据,这是近乎严苛的运行要求,要求卫星具有极高的可靠性与时效性。

　　气象卫星云图每天通过中央电视台气象预报栏目等平台传播到数亿的直接或间接观看者,如果哪天卫星不能提供云图,将造成的影响是不可估量的。