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航天科技:风云四号——我国新一代静止轨道气

时间:2017-11-07 22:05来源:未知 作者:admin 点击:
9月25日至9月28日,用户在启动微信时,会发现一个明显的变化地球照片更加清晰、云层更细致,同时地球图片由非洲大陆上空视角,变化为我国的上空视角。 6年来,微信启动页面首次

  9月25日至9月28日,用户在启动微信时,会发现一个明显的变化——地球照片更加清晰、云层更细致,同时地球图片由非洲大陆上空视角,变化为我国的上空视角。

  6年来,微信启动页面首次“变脸”——从以前美国航天员拍摄的图片换成我国新一代静止轨道气象卫星“风云四号”的成像图。

  这一变化是为了祝贺风云四号的巨大成就。9月25日,由中国航天科技集团公司八院抓总研制的风云四号A星,在经历9个多月的在轨测试后正式交付用户投入使用。

  这颗卫星填补了我国多项技术空白,是一颗有“跨代”意义的首发星,并因其“一个顶俩”、可以给大气做CT、可以抓拍闪电等特点闻名于世,成为我国静止轨道气象卫星整体性能达到世界先进水平、部分能力达到世界领先水平的“实力担当”。

  2017年8月23日,今年以来登陆我国的最强台风“天鸽”来袭。短短几天,“天鸽”从热带风暴连续跳级,最终升至强台风,而这一切,被远在36000公里外的风云四号尽收眼底。由它生成的卫星连续监测图密切跟踪着“天鸽”的一举一动。

  这只是风云四号在轨工作的寻常一天。在轨测试期间,它的表现堪称完美。北方地区严重沙尘、华北特大暴雨、南方梅雨季降水、台风“苗柏”“南玛都”,甚至九寨沟发生的7.0级地震……几类灾害性天气轮番登场,风云四号经受住了极端天气的重重考验。

  如此完美的表现背后,是风云四号凝聚的一项项尖端科技。这颗卫星搭载了全球首个大气垂直探测仪,在国际上首次实现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。换言之,以一颗卫星实现了两颗卫星的功能。

  其中,多通道扫描成像辐射计犹如一只“千里眼”,它是迄今为止我国静止轨道最先进的辐射成像仪,光谱通道增加到14个,全圆盘图像观测时间为15分钟,空间分辨率最高可达500米,与美国发射的新一代静止气象卫星GOES-R相当,与第一代静止气象卫星风云二号相比提高了6倍。

  500米意味着什么?这样的精度相当于在几公里之外点燃几个烛光,任意时刻想要看到哪个就能看到哪个。而14个光谱通道意味着风云四号可以通过14种颜色的眼镜看地球,如此一来,地球大气的物理性质难逃其“法眼”。

  另一方面,干涉式大气垂直探测仪可获取大气温湿度三维结构,仿佛对大气环境作CT扫描,对不同高度的大气进行一层层切片分析,使得对暴雨等强对流天气的观测更细致、更准确。

  既能进行二维扫描式观测,也能对大气进行垂直方向的三维分层分析,风云四号将扫描成像辐射计与干涉式大气垂直探测仪集于一身。这不仅是全球首创,也挑战了行业惯例。

  由于两台载荷均装有运动部件,同时工作会对卫星平台产生扰动。目前,欧美均未实现“合体”,欧洲计划用两颗卫星分别实现成像观测和垂直探测,后者最快2022年才能发射。风云四号卫星平台则通过图像配准与导航和整星隔振等技术,第一个登上了“珠穆朗玛峰”。

  此外,同时搭载闪电成像仪和空间天气监测仪为风云四号赋予另外两只强大的“眼睛”。闪电成像仪,可以每秒钟拍摄500张照片来捕捉闪电,跟踪强对流天气;空间天气仪可以监测太阳活动、地磁环境、电离层和高层大气环境等宇宙“天气”。

  与我国第一代卫星观测系统相比,风云四号观测时间分辨率提高了1倍,空间分辨率提高了6倍,在世界上同类卫星中还新增加了大气温度和湿度的三维结构观测,原始观测数据量提高160倍,产品数量增加了3倍,综合探测能力达到国际领先水平。

  从1988年第一颗风云一号卫星发射至2015年底,我国共发射了14颗风云卫星,分为风云一号、风云二号、风云三号3个系列。

  而人类对于气象的观测没有止境,伴随着卫星观测应用需求的多元化,对卫星探测的时间、空间和光谱分辨率要求以及定量探测精度的要求也越来越高。

  2008年,风云四号的方案被正式提出,“世界一流”跃然纸上。造一颗世界一流的气象卫星、实现我国静止轨道气象卫星的跨越式发展,成为了所有科研人员共同的梦想。

  伴随梦想而来的,是一个个技术难点。第一个就是卫星的稳定方式。目前正在使用的风云二号卫星采用了自旋稳定的方式,卫星在36000公里的高空像陀螺一样高速旋转,在保持自身稳定的同时对地球进行扫描观测。“相对于自旋控制,三轴稳定控制可以大幅度地提高卫星对地观测的时间和效率,也可以更大限度满足多载荷装载的要求。”风云四号工程总师李卿表示。

  这一点正符合卫星用户的实际需要,但由此也带来卫星姿态控制、结构设计、热控设计等方面一系列的难题。“三轴稳定是未来高精度静止轨道定量遥感卫星的大方向,我们要发展自己的静止气象卫星,这是必须突破的前提。”李卿说。

  在一颗卫星上解决十多颗卫星才解决的问题,难度可想而知。型号总指挥陈文强早就有了充分的准备:“我们确定了以图像定位与配准等五个整星的重大关键技术为代表的技术攻关方向。”

  于是,一个独具特色的高轨三轴稳定定量遥感卫星方案跃然而出——新型的六面柱体构型、贮箱平铺方案、双总线体制、载荷-星敏感器共基准以及精密控温方案、星上实时图像导航配准技术、星上微振动抑制技术……方案一经提出,立即获得了用户的认可。

  然而把设计图纸变成实实在在的产品,其难度超过设计人员的想象。在一个个“技术坎”前,研制人员用了7年时间,逐一迈过。

  在图像定位与配准上,按照星地一体化的思路,研制人员提出了以星上实时补偿为主、地面系统为辅相结合的配准方案。在此基础上,研制团队建立了一整套图像配准的算法,并最终使卫星图像定位与配准精度达到1个像素以内。

  面对另一块硬骨头——微振动测量与抑制,团队从建立星上干涉仪正常工作所需要的指标体系入手,用了1年的时间凝练形成隔振系统的设计方案,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(手轻击桌面的振动量级约为300mg),相当把地面的隔振平台搬到了天上。

  风云四号交付后,回想起卫星研制的7年时光,型号总设计师董瑶海笑称基本是掐着秒表在工作。“但从来没有觉得有啥特别的,大家的想法很简单,就是确保卫星按时出厂发射,在轨稳定运行。”这也是所有研制人员的心声。

  如今,风云四号已经在轨工作9个多月,星地运行稳定可靠,在数据接收、业务遥测遥控、测距、图像导航与配准、辐射和光谱定标等方面均达到预期,支持卫星所有观测功能的实现。

  正式交付用户后,风云四号卫星将大幅度提高我国天气预报、气象防灾减灾、应对气候变化、生态环境监测和空间天气监测预警能力,并广泛应用于气象、水利、农业、林业、环境、能源等领域,在服务我国军民融合战略实施、“一带一路”建设等方面发挥重要作用。

  国际上对风云四号给予高度评价。美、俄、拉美国家的媒体认为风云四号气象卫星将提高中国气象局的定量观测和应用能力。欧洲气象卫星开发组织原主席、世界气象组织空间计划卫星事务资深咨询专家蒂尔曼·莫尔表示:“国际气象界都在迫切盼望使用这种新型数据,如果最终这类探测数据的价值得到确认,干涉式大气垂直探测仪将成为气象卫星的重大突破,而中国气象部门将在这一领域走在前列。”

  “风云卫星的稳定运行和出色表现,使得我国在气象卫星领域跻身世界一流,与美、欧三足鼎立,提升了国际话语权。”李卿说。

  与此同时,风云四号已被世界气象组织纳入全球对地观测气象卫星序列,有望在2017年年底具备试运行和服务能力。目前,接受和应用风云卫星资料的国家和地区多达70多个。

  而在升空之前,风云四号的全球首个干涉式大气垂直探测仪已经为世界瞩目,国外已有科研机构提出申请,希望中国能开放相关探测数据,共同开发其学术价值。

  中国国家航天局表示,风云四号将进一步拓展国际合作,促进开放共享,为服务“一带一路”建设提供有力支持。

  陈文强介绍,按照研制一代、预研一代、规划一代的思路,研制团队正在开展风云四号02星、03星研制工作,同时开展微波星预研工作,实现静止轨道对大气的全天候、全天时、三维探测,以进一步提升定量遥感卫星的性能。

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