12月11日,搭載風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星的運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空。新華社發(fā)

　　原標(biāo)題:天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度將大幅提高

　　記者 潘珊菊

　　昨日,記者從國(guó)防科工局、國(guó)家航天局獲悉,當(dāng)天凌晨,我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星將對(duì)我國(guó)及周邊地區(qū)的大氣、云層和空間環(huán)境進(jìn)行高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率的觀測(cè),大幅提高天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)能力。

　　風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星到底有多牛?

　　新技術(shù)在36000公里外“明察秋毫”

　　如果將太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星比喻為圍繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)“流動(dòng)巡邏的警察”,靜止軌道衛(wèi)星則好比“定點(diǎn)站崗的警察”。風(fēng)云四號(hào)的“崗位”位于距離地球36000公里的高空,在如此遙遠(yuǎn)的太空對(duì)地球上風(fēng)云變幻“明察秋毫”,得益于成功突破了代表國(guó)際先進(jìn)水平的高精度圖像定位與配準(zhǔn)、微振動(dòng)測(cè)量與抑制、定量化遙感等20余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　高精度的圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù),是各國(guó)靜止軌道衛(wèi)星正在全力攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。這一技術(shù)能讓衛(wèi)星的“眼睛”從幾萬(wàn)里之外的太空,精準(zhǔn)地看到地球上任何想看的地方,并在拼接圖像時(shí)做到零誤差。為了突破這一技術(shù),美國(guó)歷時(shí)11年、經(jīng)過(guò)5顆衛(wèi)星的持續(xù)改進(jìn),在GOER-N上才取得突破,在剛剛發(fā)射的GOES-R衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了定位精度達(dá)到1公里。

　　中國(guó)航天科技集團(tuán)八院風(fēng)云四號(hào)研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十多年的技術(shù)攻關(guān),先后攻克了衛(wèi)星高精度姿態(tài)確定方法、熱變形在軌辨識(shí)和建模技術(shù)以及姿態(tài)、軌道和熱變形補(bǔ)償技術(shù)等技術(shù)瓶頸,衛(wèi)星圖像導(dǎo)航配準(zhǔn)精度達(dá)到“1像元”,即在36000公里高空對(duì)地拍照誤差控制在1公里之內(nèi),補(bǔ)償效率達(dá)到98.8%,與美國(guó)剛剛發(fā)射的GOES-R衛(wèi)星相當(dāng)。

　　新平臺(tái)

　　實(shí)現(xiàn)對(duì)地球24小時(shí)“凝視”

　　今后,在長(zhǎng)達(dá)7年的設(shè)計(jì)壽命期間,風(fēng)云四號(hào)將接替風(fēng)云二號(hào)“上崗”,成為全球?qū)Φ赜^測(cè)業(yè)務(wù)衛(wèi)星序列的重要一員。每天24小時(shí)、共計(jì)2555天的“執(zhí)勤”期間,不能有絲毫差錯(cuò),更不能“因病請(qǐng)假”,這對(duì)衛(wèi)星“身體素質(zhì)”提出了極高的穩(wěn)定性與可靠性要求。

　　中國(guó)航天科技集團(tuán)八院科研團(tuán)隊(duì)專門為風(fēng)云四號(hào)“量身定制”了一個(gè)角秒級(jí)測(cè)量和控制精度的高軌三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺(tái)——SAST5000平臺(tái),平臺(tái)采用六面柱體構(gòu)型、單太陽(yáng)翼、三軸穩(wěn)定控制方案,并采用了雙總線體制、高性能AOS技術(shù)、大功率電源、整星防靜電技術(shù)、整星防污染技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)地球24小時(shí)“凝視”。

　　太陽(yáng)電池翼是衛(wèi)星的關(guān)鍵部位之一。傳統(tǒng)衛(wèi)星的太陽(yáng)翼都是雙翼構(gòu)型,分布在衛(wèi)星的兩側(cè),好像兩只展開(kāi)的“翅膀”。風(fēng)云四號(hào)卻只有一側(cè)裝有太陽(yáng)翼,研究團(tuán)隊(duì)專門設(shè)計(jì)了一款“T”構(gòu)型的太陽(yáng)翼,大大縮短了太陽(yáng)翼質(zhì)心與衛(wèi)星的距離。一旦太陽(yáng)翼發(fā)生晃動(dòng)或抖動(dòng),對(duì)衛(wèi)星的干擾將大大減少。

　　風(fēng)云四號(hào)上的數(shù)管計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理器,是衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理的核心部件,相當(dāng)于整顆衛(wèi)星的“心臟”,一刻也不能停頓。而風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星載荷成像精度高、數(shù)據(jù)量大,如何確保數(shù)據(jù)處理器、數(shù)傳系統(tǒng)高速穩(wěn)定運(yùn)行,且能靈活配置數(shù)據(jù)路由,將大量數(shù)據(jù)及時(shí)傳回地面,在關(guān)鍵時(shí)刻不“卡殼”,也是研制團(tuán)隊(duì)面臨的一大難題。

　　通過(guò)不斷討論、驗(yàn)證,最終采用了SpaceWire和高低速總線相結(jié)合的模式,突破了靜止軌道氣象衛(wèi)星大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)钠款i。同時(shí)采用了嚴(yán)格的空間防靜電設(shè)計(jì)、光學(xué)部件的防污染設(shè)計(jì)、多活動(dòng)部件的可靠性與壽命設(shè)計(jì)等,大大提高了衛(wèi)星的“身體素質(zhì)”。

　　新載荷

　　把地面隔振平臺(tái)“搬到”太空

　　風(fēng)云四號(hào)“最牛”的地方不僅在于搭載了許多先進(jìn)的觀測(cè)儀器,更在于將一種對(duì)觀測(cè)環(huán)境要求極為“嚴(yán)苛”的儀器,與其他儀器一起搭載在同一顆衛(wèi)星上,這就是干涉式大氣垂直探測(cè)儀。

　　干涉式大氣垂直探測(cè)儀是一種類似于給大氣“做CT”的先進(jìn)儀器,但使用起來(lái)也極為“嬌貴”。一個(gè)細(xì)小的振動(dòng)——哪怕只是在衛(wèi)星邊上吹一口氣,就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生無(wú)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(gè)超靜隔音的地下室。在開(kāi)放的太空使用,為了防止其他儀器振動(dòng)和噪音干擾,歐洲計(jì)劃專門為它發(fā)射一顆衛(wèi)星。

　　在國(guó)際上,風(fēng)云四號(hào)首次在單星上同時(shí)搭載多通道掃描成像輻射計(jì)和干涉式大氣垂直探測(cè)儀,首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)二維成像觀測(cè)和大氣垂直分層三維觀測(cè),實(shí)現(xiàn)國(guó)外兩顆星達(dá)到的功能。

　　為克服微振動(dòng)的影響,研制團(tuán)隊(duì)對(duì)風(fēng)云四號(hào)上的10多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的振動(dòng)特性與傳遞路徑,進(jìn)行了深入分析和試驗(yàn),提出了微振動(dòng)測(cè)量與抑制的方法。并在此基礎(chǔ)上,在國(guó)內(nèi)率先實(shí)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(tái)對(duì)敏感載荷的振動(dòng)干擾,降低到0.1mg(用手輕輕擊桌面的振動(dòng)量級(jí)約為300mg)。這相當(dāng)于把地面的隔振平臺(tái),直接“搬到”了太空。

　　此外,衛(wèi)星裝載的我國(guó)自主研制的閃電成像儀一秒鐘可拍攝500張閃電圖,對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)與跟蹤,提供閃電災(zāi)害預(yù)警。

　　衛(wèi)星云圖對(duì)天氣預(yù)報(bào)到底有何用?

　　根據(jù)方程運(yùn)算獲取未來(lái)天氣預(yù)報(bào)

　　記者從航天科技集團(tuán)公司八院獲悉,氣象衛(wèi)星主要是通過(guò)衛(wèi)星裝載的各種探測(cè)儀器獲得不同的衛(wèi)星氣象云圖與遙感數(shù)據(jù),然后通過(guò)云圖反演出其他參數(shù),并應(yīng)用到天氣預(yù)報(bào)模式中,再根據(jù)方程的運(yùn)算得到未來(lái)的天氣。

　　衛(wèi)星云圖在天氣預(yù)報(bào)中常常被使用說(shuō)明天氣情況,花花綠綠的衛(wèi)星云圖為識(shí)別不同天氣系統(tǒng),確定他們的位置,判別天氣系統(tǒng)的發(fā)展階段及其未來(lái)的演變趨勢(shì),如估計(jì)臺(tái)風(fēng)中最大風(fēng)速,以及估計(jì)對(duì)流云的降水強(qiáng)度等基礎(chǔ)。這些衛(wèi)星云圖都是由氣象衛(wèi)星從太空不同的位置對(duì)地球表面進(jìn)行拍攝,并通過(guò)衛(wèi)星將大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回地面站,然后將這些數(shù)據(jù)合成精美的云圖照片。

　　例如,中央電視臺(tái)氣象預(yù)報(bào)的衛(wèi)星云圖,就是風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星攝取的。每天大家看到的衛(wèi)星云圖天氣預(yù)報(bào)動(dòng)畫是由過(guò)去12幅衛(wèi)星云圖組成,每隔半小時(shí)或一小時(shí)一幅,通過(guò)圖像動(dòng)畫讓觀看者更清楚地了解云團(tuán)的移動(dòng)變化。

　　風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行后,將逐步接替風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星提供更加及時(shí)和高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)一步提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。而目前在軌運(yùn)行的風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星則為全球氣候變化和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了重要觀測(cè)數(shù)據(jù)。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì),風(fēng)云氣象衛(wèi)星的云圖每年被數(shù)以億計(jì)的引用,成為了國(guó)內(nèi)最大的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù),全球90多個(gè)國(guó)家和地區(qū)使用風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)。隨著風(fēng)云衛(wèi)星的發(fā)展,我國(guó)天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率從上世紀(jì)70年代的約50%,提高到了現(xiàn)在的90%。

　　氣象衛(wèi)星服務(wù)天氣預(yù)報(bào)的難點(diǎn)何在?

　　考驗(yàn)定量探測(cè)和連續(xù)業(yè)務(wù)運(yùn)行技術(shù)

　　“風(fēng)云系列衛(wèi)星的穩(wěn)定運(yùn)行和出色效能,奠定了中、美、歐氣象衛(wèi)星三足鼎立局面,提高了中國(guó)在國(guó)際上的話語(yǔ)權(quán)。”航天科技集團(tuán)公司八院介紹,風(fēng)云系列衛(wèi)星也作為全球綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)的重要成員,與歐美等國(guó)的氣象衛(wèi)星一起,形成了對(duì)地球大氣、海洋和地表環(huán)境的全天候、立體、連續(xù)觀測(cè)的衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)。

　　當(dāng)前國(guó)際上氣象衛(wèi)星這種僅在少數(shù)幾個(gè)國(guó)家發(fā)展的局面,這得從天氣預(yù)報(bào)對(duì)氣象衛(wèi)星定量探測(cè)和連續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的要求說(shuō)起。

　　首先是定量探測(cè)。氣象衛(wèi)星是現(xiàn)在天氣預(yù)報(bào)的基石。而數(shù)值天氣預(yù)報(bào)求解大氣環(huán)境的動(dòng)力學(xué)方程的初始條件是精確的大氣觀測(cè)參數(shù),這對(duì)衛(wèi)星提出了很高的定量化應(yīng)用需求。就拿剛剛發(fā)射的風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星來(lái)說(shuō),衛(wèi)星選擇以青海湖為定標(biāo)場(chǎng),風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星需要在36000公里之外的赤道上空對(duì)湖水溫度的測(cè)量絕對(duì)誤差小于1度,同時(shí),當(dāng)湖水溫度變化0.1度時(shí)能夠準(zhǔn)確感知出來(lái)。

　　為實(shí)現(xiàn)定量化,風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行了大量的儀器定標(biāo)方法研究,研制了一套完整的在軌定標(biāo)設(shè)備和定標(biāo)方法。但天氣是如此的復(fù)雜,預(yù)報(bào)天氣的要素除了溫度,還包含濕度、壓強(qiáng)、風(fēng)很多指標(biāo),涉及溫濕度、導(dǎo)風(fēng)、閃電、輻射、云和氣溶膠、大氣成分等數(shù)十個(gè)種類衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用。

　　據(jù)悉,風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行后,將提供包括云、輻射、溫濕度、大氣、導(dǎo)風(fēng)、閃電等34種數(shù)據(jù)產(chǎn)品,產(chǎn)品種類、數(shù)量,以及定量化指標(biāo)均較之前衛(wèi)星產(chǎn)品有顯著提升。

　　第二個(gè)是連續(xù)業(yè)務(wù)運(yùn)行。所謂連續(xù)業(yè)務(wù)運(yùn)行就是氣象衛(wèi)星不允許出現(xiàn)任何差錯(cuò),全年365天24小時(shí)當(dāng)班,每天都要報(bào)出晴雨、溫度、風(fēng)力等相同的數(shù)據(jù),這是近乎嚴(yán)苛的運(yùn)行要求,要求衛(wèi)星具有極高的可靠性與時(shí)效性。

　　氣象衛(wèi)星云圖每天通過(guò)中央電視臺(tái)氣象預(yù)報(bào)欄目等平臺(tái)傳播到數(shù)億的直接或間接觀看者,如果哪天衛(wèi)星不能提供云圖,將造成的影響是不可估量的。