風(fēng)云四號將對中國環(huán)境進行高光譜分辨率觀測

  12月11日0時11分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭成功發(fā)射風(fēng)云四號衛(wèi)星。該星實現(xiàn)了中國靜止軌道氣象衛(wèi)星升級換代和技術(shù)跨越，將對中國及周邊地區(qū)的大氣、云層和空間環(huán)境進行高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率的觀測，大幅提高天氣預(yù)報和氣候預(yù)測能力。
 風(fēng)云四號將對中國環(huán)境進行高光譜分辨率觀測　　　　風(fēng)云四號衛(wèi)星使用全新研制的SAST5000平臺，設(shè)計壽命7年，成功突破了代表國際前沿的高精度圖像定位與配準、微振動測量與抑制等20余項核心關(guān)鍵技術(shù)，裝載4種先進有效載荷，整體性能達到國際先進水平?！　　　★L(fēng)云四號衛(wèi)星的研制者介紹，同時在高軌氣象衛(wèi)星裝載多通道掃描成像輻射計和干涉式大氣垂直探測儀，為國際首次?！　　　〖热嫣岣邔Φ厍虮砻婧痛髿馕锢韰?shù)的多光譜、高頻次、定量探測能力，還可在垂直方向上對大氣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高精度定量探測?！　　　〈送猓l(wèi)星裝載的中國自主研制的閃電成像儀，一秒鐘可拍攝500張閃電圖，對強對流天氣進行監(jiān)測與跟蹤，提供閃電災(zāi)害預(yù)警?！　　　⌒l(wèi)星應(yīng)用部門代表說，“風(fēng)云四號”投入使用后，可以更加精確地開展天氣監(jiān)測與預(yù)報預(yù)警、數(shù)值預(yù)報、氣候監(jiān)測。在臺風(fēng)分析和預(yù)報方面，能夠每3分鐘對臺風(fēng)區(qū)域進行觀測，特別是對臺風(fēng)眼區(qū)的監(jiān)測可彌補目前在軌衛(wèi)星云圖分辨率不夠高的缺陷?！　　　★L(fēng)云四號衛(wèi)星工程由國防科工局組織實施，衛(wèi)星主用戶為中國氣象局?！　　　⌒l(wèi)星、運載火箭分別由中國航天科技集團公司上海航天技術(shù)研究院、中國運載火箭技術(shù)研究院研制?！　　　〈舜伟l(fā)射是長征系列運載火箭的第242次發(fā)射?！　　　纱蠼^招給地球拍照提供最穩(wěn)“三腳架”　　　　4億像素、15分鐘成像，這是風(fēng)云四號給地球“拍照”的質(zhì)量與速度?！　　　“殡S著11日中國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星首發(fā)星風(fēng)云四號的成功發(fā)射，中國氣象衛(wèi)星給地球“拍照”水平將大大提升，達到世界先進水平?！　　　≈袊教炜萍技瘓F公司八院的專家揭曉了其中兩大關(guān)鍵技術(shù)?！　　　≡陲L(fēng)云四號圖像定位與配準主任設(shè)計師呂旺看來，風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星在宇宙的成像，與在地面使用相機拍照頗有幾分相似，“地面用長焦距的相機拍照，需要三腳架;而風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星‘焦距’有3米多，懸浮在空中，沒有三腳架，還有各種因素干擾‘拍照’。”　　　　呂旺說，如果沒有一定的修正技術(shù)，這樣給地球拍出來的“寫真”并不準確。　　　　“有多不準呢？我們分析，如果不通過校正，圖像錯位和偏移程度可能達到幾十公里的量級，比如預(yù)報在上海浦東機場下的一場雨，有可能實際是下在上海虹橋機場”，呂旺說?！　　　≡俅騻€比方，他說，如果要給整個地球拍一幅4億像素的照片，并不是“咔嚓”一次就拍出來了，“因為沒有這么大的畫幅，就算有，目前也沒有這么高的分辨率”?！　　　瓮f，風(fēng)云四號的“拍照”過程是通過一個掃描機構(gòu)，“像一個小刷子一樣，將整個地球一點點刷完，一共預(yù)估要刷15分鐘。”他解釋，在刷的過程中，由于誤差干擾的原因，刷的路徑就會歪。　　　　因此，為了讓氣象衛(wèi)星給地球的照片能夠盡量真實，風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星均采用了一項特有的關(guān)鍵技術(shù)——圖像定位與配準技術(shù)。與風(fēng)云二號采取云圖傳回后，在地面進行處理的方式不同，風(fēng)云四號對技術(shù)進行了升級，能在衛(wèi)星上實時完成對掃描路徑的校正，保證下傳的圖像直接實現(xiàn)定位配準。　　　　“圖像定位與配準，與開車時所用的GPS導(dǎo)航類似，如果定位與配準系統(tǒng)感知外界影響因素導(dǎo)致刷子刷歪了，會發(fā)出信號直接對載荷進行校正，讓它偏回來”，呂旺解釋，這樣一來，采樣數(shù)據(jù)可以更完整地保存下來，避免以往依靠地面處理而導(dǎo)致的輻射精度損失，同時提高工作效率。”　　　　據(jù)悉，風(fēng)云四號的衛(wèi)星圖像定位與配準精度達到1像元，即在36000公里高空對地“拍照”誤差控制在1公里之內(nèi)，補償效率到達98.8%，與美國發(fā)射的GOES-R衛(wèi)星相當(dāng)?！　　　瓮f，該項技術(shù)，加之“微振動測量與抑制”的防抖技術(shù)，給衛(wèi)星提供了一個比任何三腳架都穩(wěn)的成像條件?！　　　∷约暗奈⒄駝訙y量與抑制技術(shù)也是此次風(fēng)云四號衛(wèi)星上不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)云四號衛(wèi)星與國際同期的新一代靜止氣象衛(wèi)星，比如今年11月發(fā)射的美國GOES-R衛(wèi)星和歐洲正在研制的MTG衛(wèi)星相比，在成像觀測能力方面相當(dāng)?！　　　〉馈W由于技術(shù)、經(jīng)費等方面的因素，把掃描成像輻射計和干涉式垂直大氣探測儀，分別裝在兩顆衛(wèi)星上實現(xiàn)成像觀測和垂直探測，以避免兩臺大型光學(xué)儀器運動部件帶來的動力學(xué)干擾等技術(shù)問題。風(fēng)云四號則“以一頂倆”，在同一衛(wèi)星平臺上裝載了這兩種載荷?！　　　“嗽?09所副所長周徐斌介紹，其中，可以給大氣進行“CT掃描”的干涉式大氣垂直探測儀特別“嬌貴”?！　　　?ldquo;這是非常敏感的儀器，過去在地面使用時，一般放在地下室，旁邊挖個隔振溝，再營造一個消聲的環(huán)境;而現(xiàn)在我們放到天上工作，旁邊有高速轉(zhuǎn)動的飛輪，還有掃描成像輻射計等，這些都會產(chǎn)生振動”，周徐斌說?！　　　∷硎?，干涉式大氣垂直探測儀對振動如此敏感，若處在一個不夠安靜的環(huán)境，性能就會下降，甚至不能工作?！　　　∫虼?，風(fēng)云四號的研制團隊通過高精度隔振系統(tǒng)等的研制，給儀器安上“軟沙發(fā)”，克服了微振動影響，微振動抑制效率達到90%以上?！　　　纱箨P(guān)鍵技術(shù)助力風(fēng)云四號給地球拍出更好的“寫真”，將歷史性地提升中國衛(wèi)星的氣象觀測能力和水平。　　　　在11日成功發(fā)射的中國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星首發(fā)星風(fēng)云四號上，與傳統(tǒng)衛(wèi)星“雙翅膀”構(gòu)型的太陽電池翼不同，風(fēng)云四號以T型“單翅膀”首次亮相太空?！　　　≈袊教炜萍技瘓F公司八院805所的研制者于此間揭秘：在三萬六千公里的高空作業(yè)，卻只能安裝一個“翅膀”，“風(fēng)四”何以保持平衡？　　　　有顏值——T型太陽翼首次亮相太空　　　　太陽電池翼是衛(wèi)星的關(guān)鍵部件之一，與太陽能熱水器類似它通過安裝在其表面的電池片吸收太陽能，并將其源源不斷的供給衛(wèi)星。現(xiàn)代衛(wèi)星受功率需求限制，為了實現(xiàn)更大的發(fā)電面積，一般采用可展開式的太陽翼，并在根部通過電機機構(gòu)驅(qū)動太陽電池翼轉(zhuǎn)動?！　　　∫话阈l(wèi)星均是圍繞地球而不是太陽旋轉(zhuǎn)，如果是固定式的太陽翼很多時候就無法照到太陽光，所以太陽電池翼需要和向日葵一樣對著太陽旋轉(zhuǎn)，保證電池板面朝太陽從而獲得最大的發(fā)電效率?！　　　鹘y(tǒng)衛(wèi)星的太陽翼都是雙翼構(gòu)型，分布在衛(wèi)星的兩側(cè)，就像兩只展開的翅膀。　　　　風(fēng)云四號作為新一代氣象衛(wèi)星，其功能十分強大，星上載荷眾多，盡管其六面體的身板已經(jīng)不小了，但是分配給太陽電池翼的指標是，只有一側(cè)能安裝太陽電池翼。但風(fēng)云四號衛(wèi)星的主要作用是精準地進行氣象預(yù)報，前提是精準實現(xiàn)對地觀測，“翅膀”不穩(wěn)定怎么行？　　　　八院805所的研制者首次給衛(wèi)星的太陽電池翼設(shè)計了炫酷的“T”構(gòu)型，令其保持自身平衡，抗干擾能力強，從而給衛(wèi)星提供穩(wěn)定電能?！　　　?ldquo;為了保證衛(wèi)星的高姿態(tài)穩(wěn)定度，全新設(shè)計的T構(gòu)型大大縮短了太陽翼質(zhì)心和衛(wèi)星的距離，一旦太陽翼發(fā)生晃動或者抖動，對衛(wèi)星的干擾也是非常小的。”805所太陽電池翼副主任設(shè)計師王威介紹說?！　　　∷稳?，“就跟人保持穩(wěn)定的原理是相似的，人伸開雙臂容易被拉動或拉倒，把雙臂緊貼身體就相對穩(wěn)定多了。”　　　　靠智慧——把運動耦合扼殺在搖籃里　　　　太陽電池翼的主要功能是通過太陽電池片吸收太陽能，將其轉(zhuǎn)化為電能，并源源不斷地提供給衛(wèi)星，為了保證太陽光能夠盡可能的直射電池片，太陽電池翼一直在圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，在這個過程中，就會產(chǎn)生運動耦合，而運動耦合一旦發(fā)生，衛(wèi)星將產(chǎn)生劇烈“晃動”，輕則影響觀測精度，重則使衛(wèi)星受到損壞?！　　　＜医榻B，其實運動耦合并不是航天器特有的，日常生活中也存在。　　　　舉個簡單的例子，用洗衣機脫水時，機器在剛啟動和最高速時，機器的振動都不大，但是當(dāng)洗衣機轉(zhuǎn)筒在某一速度的轉(zhuǎn)動頻率與結(jié)構(gòu)頻率產(chǎn)生運動耦合時，就會導(dǎo)致振動放大。　　　　那衛(wèi)星在太空運行是會不會與太陽翼發(fā)生運動耦合現(xiàn)象呢？　　　　據(jù)八院805所的專家介紹，受地球重力和衛(wèi)星體積的限制，地面真實模擬其太空運行的成本太高，研制人員通過摸清太陽電池翼自身的頻率特性，從設(shè)計上錯開兩者會引發(fā)運動耦合的頻率?！　　　?ldquo;測量計算太陽翼的頻率并不復(fù)雜，使其懸掛擺動起來進行測試便可，復(fù)雜的是怎樣使太陽翼懸掛變動，”八院805所太陽翼產(chǎn)品首席張雷介紹說，“懸掛式固定不牢怕太陽翼損壞，固定太牢產(chǎn)品的頻率就測試不準了。”　　　　為了解決這一難題，研制人員動了不少腦筋，最終采用牽線木偶的形式，通過長長的細線將太陽翼吊起，并通過氣浮機構(gòu)使得細線的長度能隨著太陽翼晃動縮短或變長，從而保證測試出產(chǎn)品最真實的頻率特性，有效避免了兩者運動耦合現(xiàn)象的發(fā)生，確保衛(wèi)星安全、穩(wěn)定運行。