□ 郭倩

風(fēng)云四號：從比肩一流到領(lǐng)跑世界
——我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星成功交付的背后

□ 郭倩

9月25日至9月28日，用戶在啟動微信時，會發(fā)現(xiàn)一個明顯的變化——地球照片更加清晰、云層更細(xì)致，同時地球圖片由非洲大陸上空視角，變化為我國的上空視角。

▲ 風(fēng)四高清效果

6年來，微信啟動頁面首次“變臉”——從以前美國航天員拍攝的圖片換成我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號”的成像圖。

這一變化是為了祝賀風(fēng)云四號的巨大成就。9月25日，由中國航天科技集團(tuán)公司八院抓總研制的風(fēng)云四號A星，在經(jīng)歷9個多月的在軌測試后正式交付用戶投入使用。

這顆衛(wèi)星填補(bǔ)了我國多項技術(shù)空白，是一顆有“跨代”意義的首發(fā)星，并因其“一個頂倆”、可以給大氣做CT、可以抓拍閃電等特點聞名于世，成為我國靜止軌道氣象衛(wèi)星整體性能達(dá)到世界先進(jìn)水平、部分能力達(dá)到世界領(lǐng)先水平的“實力擔(dān)當(dāng)”。

▲ 左側(cè)微信原登錄畫面中所顯示的是非洲大陸，本次更換為“風(fēng)四”拍攝的畫面，旨在向億萬微信用戶展示華夏大地的山河風(fēng)貌

一顆世界一流的衛(wèi)星

2017年8月23日，臺風(fēng)“天鴿”來襲。短短幾天，“天鴿”從熱帶風(fēng)暴連續(xù)跳級，最終升至強(qiáng)臺風(fēng)，而這一切，被遠(yuǎn)在36000公里外的風(fēng)云四號盡收眼底。由它生成的衛(wèi)星連續(xù)監(jiān)測圖密切跟蹤著“天鴿”的一舉一動。

這只是風(fēng)云四號在軌工作的尋常一天。在軌測試期間，它的表現(xiàn)堪稱完美。北方地區(qū)嚴(yán)重沙塵、華北特大暴雨、南方梅雨季降水、臺風(fēng)“苗柏”“南瑪都”，甚至九寨溝發(fā)生的7.0級地震……幾類災(zāi)害性天氣輪番登場，風(fēng)云四號經(jīng)受住了極端天氣的重重考驗。

如此完美的表現(xiàn)背后，是風(fēng)云四號凝聚的一項項尖端科技。這顆衛(wèi)星搭載了全球首個大氣垂直探測儀，在國際上首次實現(xiàn)單星上同時搭載多通道掃描成像輻射計和干涉式大氣垂直探測儀。換言之，以一顆衛(wèi)星實現(xiàn)了兩顆衛(wèi)星的功能。

▲ 2016年12月11日0點11分，我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號首發(fā)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射升空 張文軍 攝

其中，多通道掃描成像輻射計猶如一只“千里眼”，它是迄今為止我國靜止軌道最先進(jìn)的輻射成像儀，光譜通道增加到14個，全圓盤圖像觀測時間為15分鐘，空間分辨率最高可達(dá)500米，與美國發(fā)射的新一代靜止氣象衛(wèi)星GOES-R相當(dāng)，與第一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號相比提高了6倍。

500米意味著什么？這樣的精度相當(dāng)于在幾公里之外點燃幾個燭光，任意時刻想要看到哪個就能看到哪個。而14個光譜通道意味著風(fēng)云四號可以通過14種顏色的眼鏡看地球，如此一來，地球大氣的物理性質(zhì)難逃其“法眼”。另一方面，干涉式大

氣垂直探測儀可獲取大氣溫濕度三維結(jié)構(gòu)，仿佛對大氣環(huán)境作CT掃描，對不同高度的大氣進(jìn)行一層層切片分析，使得對暴雨等強(qiáng)對流天氣的觀測更細(xì)致、更準(zhǔn)確。

既能進(jìn)行二維掃描式觀測，也能對大氣進(jìn)行垂直方向的三維分層分析，風(fēng)云四號將掃描成像輻射計與干涉式大氣垂直探測儀集于一身。這不僅是全球首創(chuàng)，也挑戰(zhàn)了行業(yè)慣例。

由于兩臺載荷均裝有運(yùn)動部件，同時工作會對衛(wèi)星平臺產(chǎn)生擾動。目前，歐美均未實現(xiàn)“合體”，歐洲計劃用兩顆衛(wèi)星分別實現(xiàn)成像觀測和垂直探測，后者最快2022年才能發(fā)射。風(fēng)云四號衛(wèi)星平臺則通過圖像配準(zhǔn)與導(dǎo)航和整星隔振等技術(shù)，第一個登上了“珠穆朗瑪峰”。

此外，同時搭載閃電成像儀和空間天氣監(jiān)測儀為風(fēng)云四號賦予另外兩只強(qiáng)大的“眼睛”。閃電成像儀，可以每秒鐘拍攝500張照片來捕捉閃電，跟蹤強(qiáng)對流天氣；空間天氣儀可以監(jiān)測太陽活動、地磁環(huán)境、電離層和高層大氣環(huán)境等宇宙“天氣”。

與我國第一代衛(wèi)星觀測系統(tǒng)相比，風(fēng)云四號觀測時間分辨率提高了1倍，空間分辨率提高了6倍，在世界上同類衛(wèi)星中還新增加了大氣溫度和濕度的三維結(jié)構(gòu)觀測，原始觀測數(shù)據(jù)量提高160倍，產(chǎn)品數(shù)量增加了3倍，綜合探測能力達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

這顆“風(fēng)四郎”帶領(lǐng)我國氣象衛(wèi)星由“并跑”轉(zhuǎn)向“領(lǐng)跑”。

▲ 風(fēng)云四號微波星完成全物理仿真試驗 王田野 攝

▲ 在廠房中的風(fēng)云四號衛(wèi)星 顧元翔 攝

邁過一個個“技術(shù)坎”

從1988年第一顆風(fēng)云一號衛(wèi)星發(fā)射至2015年底，我國共發(fā)射了14顆風(fēng)云衛(wèi)星，分為風(fēng)云一號、風(fēng)云二號、風(fēng)云三號3個系列。

而人類對于氣象的觀測沒有止境，伴隨著衛(wèi)星觀測應(yīng)用需求的多元化，對衛(wèi)星探測的時間、空間和光譜分辨率要求以及定量探測精度的要求也越來越高。

2008年，風(fēng)云四號的方案被正式提出，“世界一流”躍然紙上。造一顆世界一流的氣象衛(wèi)星、實現(xiàn)我國靜止軌道氣象衛(wèi)星的跨越式發(fā)展，成為了所有科研人員共同的夢想。

伴隨夢想而來的，是一個個技術(shù)難點。第一個就是衛(wèi)星的穩(wěn)定方式。目前正在使用的風(fēng)云二號衛(wèi)星采用了自旋穩(wěn)定的方式，衛(wèi)星在36000公里的高空像陀螺一樣高速旋轉(zhuǎn)，在保持自身穩(wěn)定的同時對地球進(jìn)行掃描觀測?！跋鄬τ谧孕刂?，三軸穩(wěn)定控制可以大幅度地提高衛(wèi)星對地觀測的時間和效率，也可以更大限度滿足多載荷裝載的要求?！憋L(fēng)云四號工程總設(shè)計師李卿表示。

這一點正符合衛(wèi)星用戶的實際需要，但由此也帶來衛(wèi)星姿態(tài)控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱控設(shè)計等方面一系列的難題。“三軸穩(wěn)定是未來高精度靜止軌道定量遙感衛(wèi)星的大方向，我們要發(fā)展自己的靜止氣象衛(wèi)星，這是必須突破的前提?！崩钋湔f。

▲ 風(fēng)云四號衛(wèi)星研制順利 顧元翔 攝

▲ 風(fēng)云四號衛(wèi)星準(zhǔn)備交付 顧元翔 攝

在一顆衛(wèi)星上解決十多顆衛(wèi)星才解決的問題，難度可想而知。型號總指揮陳文強(qiáng)早就有了充分的準(zhǔn)備：“我們確定了以圖像定位與配準(zhǔn)等五個整星的重大關(guān)鍵技術(shù)為代表的技術(shù)攻關(guān)方向?！?/p>

于是，一個獨具特色的高軌三軸穩(wěn)定定量遙感衛(wèi)星方案躍然而出——新型的六面柱體構(gòu)型、貯箱平鋪方案、雙總線體制、載荷-星敏感器共基準(zhǔn)以及精密控溫方案、星上實時圖像導(dǎo)航配準(zhǔn)技術(shù)、星上微振動抑制技術(shù)……方案一經(jīng)提出，立即獲得了用戶的認(rèn)可。

然而把設(shè)計圖紙變成實實在在的產(chǎn)品，其難度超過設(shè)計人員的想象。在一個個“技術(shù)坎”前，研制人員用了7年時間，逐一邁過。

在圖像定位與配準(zhǔn)上，按照星地一體化的思路，研制人員提出了以星上實時補(bǔ)償為主、地面系統(tǒng)為輔相結(jié)合的配準(zhǔn)方案。在此基礎(chǔ)上，研制團(tuán)隊建立了一整套圖像配準(zhǔn)的算法，并最終使衛(wèi)星圖像定位與配準(zhǔn)精度達(dá)到1個像素以內(nèi)。

面對另一塊硬骨頭——微振動測量與抑制，團(tuán)隊從建立星上干涉儀正常工作所需要的指標(biāo)體系入手，用了1年的時間凝練形成隔振系統(tǒng)的設(shè)計方案，并在此基礎(chǔ)上，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了振源隔振裝置和有效載荷隔振裝置的工程化，使衛(wèi)星平臺對敏感載荷的振動干擾降低到0.1mg（手輕擊桌面的振動量級約為300mg），相當(dāng)于把地面的隔振平臺搬到了天上。

風(fēng)云四號交付后，回想起衛(wèi)星研制的7年時光，型號總設(shè)計師董瑤海笑稱基本是掐著秒表在工作。“但從來沒有覺得有啥特別的，大家的想法很簡單，就是確保衛(wèi)星按時出廠發(fā)射，在軌穩(wěn)定運(yùn)行?！边@也是所有研制人員的心聲。

普惠百姓 造福四方

如今，風(fēng)云四號已經(jīng)在軌工作11個多月，星地運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在數(shù)據(jù)接收、業(yè)務(wù)遙測遙控、測距、圖像導(dǎo)航與配準(zhǔn)、輻射和光譜定標(biāo)等方面均達(dá)到預(yù)期，支持衛(wèi)星所有觀測功能的實現(xiàn)。

正式交付用戶后，風(fēng)云四號衛(wèi)星將大幅度提高我國天氣預(yù)報、氣象防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對氣候變化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和空間天氣監(jiān)測預(yù)警能力，并廣泛應(yīng)用于氣象、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域，在服務(wù)我國軍民融合戰(zhàn)略實施、“一帶一路”建設(shè)等方面發(fā)揮重要作用。

國際上對風(fēng)云四號給予高度評價。美、俄、拉美國家的媒體認(rèn)為風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星將提高中國氣象局的定量觀測和應(yīng)用能力。歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織原主席、世界氣象組織空間計劃衛(wèi)星事務(wù)資深咨詢專家蒂爾曼·莫爾表示：“國際氣象界都在迫切盼望使用這種新型數(shù)據(jù)，如果最終這類探測數(shù)據(jù)的價值得到確認(rèn)，干涉式大氣垂直探測儀將成為氣象衛(wèi)星的重大突破，而中國氣象部門將在這一領(lǐng)域走在前列?！?/p>

“風(fēng)云衛(wèi)星的穩(wěn)定運(yùn)行和出色表現(xiàn)，使得我國在氣象衛(wèi)星領(lǐng)域躋身世界一流，與美、歐三足鼎立，提升了國際話語權(quán)。”李卿說。

與此同時，風(fēng)云四號已被世界氣象組織納入全球?qū)Φ赜^測氣象衛(wèi)星序列，有望在2017年年底具備試運(yùn)行和服務(wù)能力。目前，接受和應(yīng)用風(fēng)云衛(wèi)星資料的國家和地區(qū)多達(dá)70多個。

而在升空之前，風(fēng)云四號的全球首個干涉式大氣垂直探測儀已經(jīng)為世界矚目，國外已有科研機(jī)構(gòu)提出申請，希望中國能開放相關(guān)探測數(shù)據(jù)，共同開發(fā)其學(xué)術(shù)價值。

中國國家航天局表示，風(fēng)云四號將進(jìn)一步拓展國際合作，促進(jìn)開放共享，為服務(wù)“一帶一路”建設(shè)提供有力支持。

陳文強(qiáng)介紹，按照研制一代、預(yù)研一代、規(guī)劃一代的思路，研制團(tuán)隊正在開展風(fēng)云四號02星、03星研制工作，同時開展微波星預(yù)研工作，實現(xiàn)靜止軌道對大氣的全天候、全天時、三維探測，以進(jìn)一步提升定量遙感衛(wèi)星的性能。

責(zé)任編輯：吳琳