風雲四號衛星發射成功 天氣預報準度將大幅提高

　　12月11日,搭載風雲四號衛星的運載火箭在西昌衛星發射中心點火升空。新華社發

　　原標題:天氣預報準確度將大幅提高

　　記者 潘珊菊

　　昨日,記者從國防科工局、國家航太局獲悉,當天淩晨,我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭成功發射風雲四號衛星。風雲四號衛星將對我國及周邊地區的大氣、雲層和空間環境進行高時間解析度、高空間解析度、高光譜解析度的觀測,大幅提高天氣預報和氣候預測能力。

　　風雲四號衛星到底有多牛?

　　新技術在36000公里外“明察秋毫”

　　如果將太陽同步軌道衛星比喻為圍繞著地球轉動“流動巡邏的警察”,靜止軌道衛星則好比“定點站崗的警察”。風雲四號的“崗位”位於距離地球36000公里的高空,在如此遙遠的太空對地球上風雲變幻“明察秋毫”,得益於成功突破了代表國際先進水準的高精度圖像定位與配準、微振動測量與抑制、定量化遙感等20余項關鍵技術。

　　高精度的圖像定位與配準技術,是各國靜止軌道衛星正在全力攻克的關鍵技術之一。這一技術能讓衛星的“眼睛”從幾萬里之外的太空,精準地看到地球上任何想看的地方,並在拼接圖像時做到零誤差。為了突破這一技術,美國歷時11年、經過5顆衛星的持續改進,在GOER-N上才取得突破,在剛剛發射的GOES-R衛星實現了定位精度達到1公里。

　　中國航太科技集團八院風雲四號研製團隊經過十多年的技術攻關,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,衛星圖像導航配準精度達到“1像元”,即在36000公里高空對地拍照誤差控制在1公里之內,補償效率達到98.8%,與美國剛剛發射的GOES-R衛星相當。

　　新平臺

　　實現對地球24小時“凝視”

　　今後,在長達7年的設計壽命期間,風雲四號將接替風雲二號“上崗”,成為全球對地觀測業務衛星序列的重要一員。每天24小時、共計2555天的“執勤”期間,不能有絲毫差錯,更不能“因病請假”,這對衛星“身體素質”提出了極高的穩定性與可靠性要求。

　　中國航太科技集團八院科研團隊專門為風雲四號“量身定制”了一個角秒級測量和控制精度的高軌三軸穩定衛星平臺——SAST5000平臺,平臺採用六面柱體構型、單太陽翼、三軸穩定控制方案,並採用了雙總線體制、高性能AOS技術、大功率電源、整星防靜電技術、整星防污染技術等一系列關鍵技術,可實現對地球24小時“凝視”。

　　太陽電池翼是衛星的關鍵部位之一。傳統衛星的太陽翼都是雙翼構型,分佈在衛星的兩側,好像兩隻展開的“翅膀”。風雲四號卻只有一側裝有太陽翼,研究團隊專門設計了一款“T”構型的太陽翼,大大縮短了太陽翼質心與衛星的距離。一旦太陽翼發生晃動或抖動,對衛星的干擾將大大減少。

　　風雲四號上的數管電腦和數據處理器,是衛星數據管理和數據處理的核心部件,相當於整顆衛星的“心臟”,一刻也不能停頓。而風雲四號衛星載荷成像精度高、數據量大,如何確保數據處理器、數傳系統高速穩定運作,且能靈活配置數據路由,將大量數據及時傳回地面,在關鍵時刻不“卡殼”,也是研製團隊面臨的一大難題。

　　通過不斷討論、驗證,最終採用了SpaceWire和高低速總線相結合的模式,突破了靜止軌道氣象衛星大數據量傳輸的瓶頸。同時採用了嚴格的空間防靜電設計、光學部件的防污染設計、多活動部件的可靠性與壽命設計等,大大提高了衛星的“身體素質”。

　　新載荷

　　把地面隔振平臺“搬到”太空

　　風雲四號“最牛”的地方不僅在於搭載了許多先進的觀測儀器,更在於將一種對觀測環境要求極為“嚴苛”的儀器,與其他儀器一起搭載在同一顆衛星上,這就是干涉式大氣垂直探測儀。

　　干涉式大氣垂直探測儀是一種類似于給大氣“做CT”的先進儀器,但使用起來也極為“嬌貴”。一個細小的振動——哪怕只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。因此,該儀器在地面上使用,需專門為它建造一個超靜隔音的地下室。在開放的太空使用,為了防止其他儀器振動和噪音干擾,歐洲計劃專門為它發射一顆衛星。

　　在國際上,風雲四號首次在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,首次同時實現二維成像觀測和大氣垂直分層三維觀測,實現國外兩顆星達到的功能。

　　為克服微振動的影響,研製團隊對風雲四號上的10多個轉動部件的振動特性與傳遞路徑,進行了深入分析和試驗,提出了微振動測量與抑制的方法。並在此基礎上,在國內率先實現了振源隔振裝置和有效載荷隔振裝置的工程化,使衛星平臺對敏感載荷的振動干擾,降低到0.1mg(用手輕輕擊桌面的振動量級約為300mg)。這相當於把地面的隔振平臺,直接“搬到”了太空。

　　此外,衛星裝載的我國自主研製的閃電成像儀一秒鐘可拍攝500張閃電圖,對強對流天氣進行監測與跟蹤,提供閃電災害預警。

　　衛星雲圖對天氣預報到底有何用?

　　根據方程運算獲取未來天氣預報

　　記者從航太科技集團公司八院獲悉,氣象衛星主要是通過衛星裝載的各種探測儀器獲得不同的衛星氣象雲圖與遙感數據,然後通過雲圖反演出其他參數,並應用到天氣預報模式中,再根據方程的運算得到未來的天氣。

　　衛星雲圖在天氣預報中常常被使用說明天氣情況,花花綠綠的衛星雲圖為識別不同天氣系統,確定他們的位置,判別天氣系統的發展階段及其未來的演變趨勢,如估計颱風中最大風速,以及估計對流雲的降水強度等基礎。這些衛星雲圖都是由氣象衛星從太空不同的位置對地球表面進行拍攝,並通過衛星將大量的觀測數據傳回地面站,然後將這些數據合成精美的雲圖照片。

　　例如,中央電視臺氣象預報的衛星雲圖,就是風雲系列氣象衛星攝取的。每天大家看到的衛星雲圖天氣預報動畫是由過去12幅衛星雲圖組成,每隔半小時或一小時一幅,通過圖像動畫讓觀看者更清楚地了解雲團的移動變化。

　　風雲四號衛星正式投入業務運作後,將逐步接替風雲二號衛星提供更加及時和高精度的觀測數據,進一步提高天氣預報的準確率。而目前在軌運作的風雲三號衛星則為全球氣候變化和大氣環境監測提供了重要觀測數據。

　　據統計,風雲氣象衛星的雲圖每年被數以億計的引用,成為了國內最大的遙感衛星數據庫,全球90多個國家和地區使用風雲衛星數據。隨著風雲衛星的發展,我國天氣預報的準確率從上世紀70年代的約50%,提高到了現在的90%。

　　氣象衛星服務天氣預報的難點何在?

　　考驗定量探測和連續業務運作技術

　　“風雲系列衛星的穩定運作和出色效能,奠定了中、美、歐氣象衛星三足鼎立局面,提高了中國在國際上的話語權。”航太科技集團公司八院介紹,風雲系列衛星也作為全球綜合地球觀測系統的重要成員,與歐美等國的氣象衛星一起,形成了對地球大氣、海洋和地表環境的全天候、立體、連續觀測的衛星觀測網。

　　當前國際上氣象衛星這種僅在少數幾個國家發展的局面,這得從天氣預報對氣象衛星定量探測和連續業務應用的要求說起。

　　首先是定量探測。氣象衛星是現在天氣預報的基石。而數值天氣預報求解大氣環境的動力學方程的初始條件是精確的大氣觀測參數,這對衛星提出了很高的定量化應用需求。就拿剛剛發射的風雲四號衛星來說,衛星選擇以青海湖為定標場,風雲四號衛星需要在36000公里之外的赤道上空對湖水溫度的測量絕對誤差小于1度,同時,當湖水溫度變化0.1度時能夠準確感知出來。

　　為實現定量化,風雲四號衛星進行了大量的儀器定標方法研究,研製了一套完整的在軌定標設備和定標方法。但天氣是如此的複雜,預報天氣的要素除了溫度,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作後,將提供包括雲、輻射、溫濕度、大氣、導風、閃電等34種數據產品,產品種類、數量,以及定量化指標均較之前衛星產品有顯著提升。

　　第二個是連續業務運作。所謂連續業務運作就是氣象衛星不允許出現任何差錯,全年365天24小時當班,每天都要報出晴雨、溫度、風力等相同的數據,這是近乎嚴苛的運作要求,要求衛星具有極高的可靠性與時效性。

　　氣象衛星雲圖每天通過中央電視臺氣象預報欄目等平臺傳播到數億的直接或間接觀看者,如果哪天衛星不能提供雲圖,將造成的影響是不可估量的。