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风云“卫士”表现真不俗

来源:经济日报   发布时间:2017年10月09日14:11
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中国经济网记者 杜芳

  中国气象局日前召开的风云四号A星在轨测试总结评审会上,评审委员会认为,风云四号A星的各项功能、性能指标符合研制总要求,第一阶段在轨测试取得圆满成功,卫星已具备在轨交付条件。9月25日,风云四号终于正式交付用户投入使用,这标志着我国静止轨道气象卫星观测系统实现了更新换代,对于保证我国静止气象观测业务的连续、可靠和稳定运行,提高我国航天事业和气象事业的国际地位和影响力具有重大意义。

  高技能遥测神州风云

  风云四号携带了不少“秘密武器”,填补了气象观测的盲区,从而成为世界气象卫星家族中的明星

  风云四号A星在轨测试期间,正值季节转换,天气形势复杂,沙尘、强对流、台风等灾害性天气轮番登场。可这些并没有难倒风云四号,在利用这颗卫星获取观测资料,实时形成的专题应用服务产品中,多通道扫描成像辐射计能清晰地识别出沙尘细节纹理,以及台风内部中小尺度云系结构;闪电成像仪也能清楚观测到中国及周边区域的闪电信息。

  看得清楚只是风云四号的优势之一,在某些领域,风云四号填补了气象观测的盲区,其技能甚至超越了家族前辈卫星风云二号。

  记者在中国气象局看到一张来自风云四号的彩色卫星云图,层层叠叠的云气犹如沸水,咕嘟咕嘟涌动不休,有些稍显蓝色,有些则是正常的白色。中国工程院院士许健民告诉记者,这是冰云水云的区别所致,这方面的观测数据对民航安全非常重要。过去,依据风云二号的云图做这方面天气分析时,需要非常专业的经验和非常高的水平。而现在,风云四号专门增加了看冰云和水云的通道,令它们之间的转换一目了然。

  风云四号能交出一份份耀眼的答卷,离不开自身携带的“秘密武器”。其搭载的扫描成像辐射计主要承担获取云图的任务,共14通道,是风云二号5通道的近3倍,在观测云、水汽、植被、地表的基础上,还具备了捕捉气溶胶、雪的能力,并且能清晰区分云的不同相态和高、中层水汽。

  值得一提的是,风云四号首次制作出彩色卫星云图,最快1分钟生成一次区域观测图像,青藏高原湖泊、黄海细胞状云系、西伯利亚积雪、赤道附近热带对流等,均清楚可见。许健民评价其“云系结构和地物特征层次丰富、纹理清晰”。

  事实上,风云四号不但在国内大显神威,在国际上也声名显赫,是世界气象卫星家族里的一颗明星。据风云四号卫星系统总师董瑶海介绍,“风四”搭载的干涉式大气垂直探测仪是国际上首台在静止轨道上以红外高光谱干涉分光方式探测大气垂直结构的精密遥感仪器,实现了在静止轨道上从二维观测进入三维综合观测。闪电成像仪则是亚太地区首次研制发射的同类载荷,测试数据印证了其可对我国及周边区域闪电进行探测,进而实现强对流天气的监测和跟踪,提供闪电灾害预警。此外,空间天气仪器包具备监测太阳活动和空间环境的能力,探测通道数量、探测精度显著提高。

  “领跑”之路历尽坎坷

  为达到超高精度要求,科研人员殚精竭虑,先后攻克了数道技术难题,成功在一颗卫星上解决了发达国家用数颗卫星才解决的问题

  作为新一代静止气象卫星,风云四号是我国气象卫星从跟跑、并跑转向领跑的实现者和见证者,对推动气象防灾减灾有较大促进作用,代表当今世界气象卫星先进水平。然而,“风四”领跑之路并不是一帆风顺的,而是经历了诸多艰难坎坷。

  风云四号卫星的精度要求非常高。中国科学院上海技物所副所长丁雷介绍,卫星要在3.6万公里之外看地面500米的目标,相当于万里高空往一个小口里面扔钢镚,难度之大可想而知。

  “就拿卫星上面高精度的仪器大气垂直探测仪来说,原来基本上类似的仪器是在实验室做分析用的,为得到一个非常稳定的环境,我们一般都把它放在气浮平台上。现在要把这样一个高精度的仪器挂到天上去,还要和其他仪器放在一个平台,这就要求其控制精度和安装精度全是在微米量级的。”丁雷说。

  为克服微振动影响,研制团队在对卫星10余个转动部件的振动特性与传递路径的分析、试验基础上,提出了微振动测量与抑制的方法,并在工程上成功实现了振源隔振装置和有效载荷隔振装置的研制。相当于给单机坐上“软沙发”,成功隔绝平台微小的振动影响,微振动抑制效率达到90%以上,为探测仪器的正常运转提供了良好力学环境。

  风云四号地面应用系统总师张志清表示,经过几个月的运行,卫星与地面应用系统的总体设计方案被验证是正确的。这是国际上首次将探测仪和成像仪两个主要载荷放在同一个卫星平台来工作的尝试,试验数据已验证设计方案的正确可行,不但节省了资源,而且实现了集约化、提高了效率。

  与此同时,风云四号在太空里的高难度“舞姿”——三轴稳定姿态工作方式,其技术也被证明突破了静止气象卫星的图像导航和配准技术的世界性难题。

  据了解,美国同类气象卫星自上世纪90年代开始,至2006年,共计发射了6颗三轴稳定的静止气象卫星后,才真正实现高轨卫星的三轴稳定控制。而我国在风云四号这一颗卫星上就解决发达国家数颗卫星才解决的问题。

  “相对于风云二号的自旋控制,三轴稳定控制可以大幅度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。”董瑶海介绍。

  太空成果落地应用

  太空工作环境恶劣,导致卫星得来的数据必须经过地面应用系统处理,才能成为最后的产品。为此,配套的星地一体化技术应运而生

  由于在恶劣的太空环境中工作,卫星获取的原始数据往往无法直接使用。“卫星一直都是一面照着太阳,一面处在低温冷空,照着太阳的一面温度可达100至200摄氏度,另一面则是零下100至200摄氏度。巨大的温差会导致任何一个航天器变形,在这样的平台上,观测仪器的指向也会发生改变。因此卫星轨道在变、姿态在变、光轴的指向在变,这样得来的数据必须经过地面应用系统处理,才能成为最后的产品。”张志清说。

  为将风云四号的成果真正落地应用,科研人员配套了星地一体化技术。“我们在地面应用系统里专门有一套轨道测量系统,可以将卫星的空间位置精确到30米。为解决热变形带来的问题,我们通过卫星上的导航配准系统,结合地面系统,实现了高精度的图像定位和配准处理。”张志清说。

  看似杂乱无章的原始数据经过层层“抽丝剥茧”,整合形成一张以卫星为视角拍摄的地球灰白“CT图”,而想要让原始数据进阶成为“一级数据”,必须要作数据预处理。这主要是完成定位和定标两项工作。前者是告诉用户观测目标在哪里,后者是告诉用户来自于目标的辐射。

  对于老百姓来说,这些数据切实的意义在于:如果再次发生如同北京“7·21”那样的局地突发暴雨,风云四号可以凭借着区域凝视,提前更多时间获得观测结果;对于灾害天气的环境场变化,依托先进的多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪等,将提供高频次的观测,看得更准确更清楚;此外,还将有气溶胶检测产品,提供一定数据来支撑今后的雾霾观测……

  据了解,风云四号A星在轨测试分为两个阶段。在首阶段,卫星主要功能和性能测试完成后,技术团队将在今年底前开展地面应用系统测试,为正式业务运行做好准备;在轨测试完成后,将陆续提供包括云、气溶胶、辐射、降水、海面地表参数、大气温湿度垂直廓线、闪电和空间环境监测等60多种定量化产品,为气象、农业、水利、林业、环境、能源、航天航空、海洋等部门提供更多服务。

 

  (来源:经济日报 责任编辑:栾菲)

  

  

  

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