我国首颗第二代静止气象卫星风云-4升空

张志清董瑶海2丁雷3王淦泉3方翔张效信黄富祥

（1 国家卫星气象中心，2 上海航天技术研究院，3 中国科学院上海技术物理研究所）

我国首颗第二代静止气象卫星风云-4升空

China's First Second-generation FY-4 Meteorological Satellite Launched

张志清1董瑶海2丁雷3王淦泉3方翔1张效信1黄富祥1

（1 国家卫星气象中心，2 上海航天技术研究院，3 中国科学院上海技术物理研究所）

2016年12月11日，我国第二代静止轨道气象卫星的首发星风云—4由长征—3B运载火箭发射升空。它采用三轴稳定控制，接替采用自旋稳定的风云—2，其连续性、稳定性可大幅度提高我国静止气象卫星探测水平。卫星的辐射成像通道由风云-2的5个增加到14个，接近欧美第三代静止气象卫星的16个通道。风云—4还配备了有912个光谱探测通道的干涉式大气垂直探测仪，可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测，这是欧美第三代静止气象卫星所不具备的。

1 任务概述

风云-4是我国第二代静止气象卫星，采用大型三轴稳定姿态控制平台，装载多种有效载荷，包括先进的静止轨道辐射成像仪、静止轨道干涉式红外探测仪、闪电成像仪和空间天气监测仪器等。其中，干涉式红外探测仪是国际上第一台装载在静止轨道气象卫星上使用的同类仪器；闪电成像仪是国内首次装载在卫星上，可实现对大气中发生的闪电进行连续监测；辐射成像仪的性能是我国静止轨道气象卫星携带的同类仪器中最先进的。首发星为科研试验卫星风云-4A，其主要任务是：①获取地球表面和云的多光谱、高精度定量观测数据和图像，特别是高频次的区域图像。全面提高对地球表面和大气物理参数的多光谱、高频次、定量探测能力。②实现大气三维结构探测，获得垂直分辨率和精度更高的温度和湿度参数。③实现闪电成像观测，获取观测覆盖区范围内的闪电分布图。④利用星载转发器进行卫星图像和产品的广播分发和自然灾害警报信息发布。⑤利用数据收集系统自动收集多种地球环境参数资料。⑥监测太阳活动和空间环境，为空间天气预报业务和研究提供观测数据。

2 主要特点

风云-4与国际同期先进静止气象卫星，如美国2016年11月19日新发射的首颗新一代静止气象卫星—地球静止环境业务卫星-R（GOES-R）以及欧洲气象卫星组织的“第三代静止气象卫星”（MTG）相比，处于相当的水平，但在红外大气探测方面处于领先地位。风云-4卫星具有以下特点：

1）多。风云-4单颗静止轨道气象卫星装载有效载荷最多。欧洲“第三代静止气象卫星”分为成像卫星（MTG-I）和探测星（MTG-S）两种卫星，分别装载灵活组合成像仪和大气红外探测仪。美国“地球静止环境业务卫星”装载先进的基线成像仪、闪电成像仪和空间天气监测仪器包。而风云-4静止气象卫星单颗卫星就装载4种有效载荷。不仅如此，为了验证毫米波亚毫米波准光学分光等微波探测关键技术，卫星还搭载了微波探测仪试验载荷，是同类卫星装载有效载荷种类和数量最多的。

2）精。风云-4是我国静止轨道卫星中姿态测量与控制、观测仪器指向镜角度测量及控制精度最高的；卫星的测距、定轨精度也是我国静止轨道遥感卫星中最高的。由于气象卫星主要是对大气进行观测，而地球的云覆盖率约为1/3，特别是区域的台风和雨天，观测得到的几乎都是云的图像，云图应用的基础之一是将每个观测的像素在地球上进行准确地定位处理，所以在静止轨道上对地成像的分辨率越高，需要卫星的姿态测量和观测仪器扫描镜角度测量及控制精度越高。卫星的空间位置是图像定位的主要参数，是靠地面测距进行确定的。风云-4采用了双频、多站测距的技术方案，可以实现快速测距和定轨，定轨精度比风云-2提高1个量级。图像定位精度和辐射定标精度都达到国际先进水平。

3）新。在风云-4卫星上装载了通道最多、成像最快的辐射成像仪，它有14个光谱通道（目前风云-2上的扫描辐射成像仪为5个通道），全圆盘成像时间为15min（风云-2为30min）。国际上首次在静止轨道气象卫星上装载了干涉式红外探测仪，光谱通道达到1600个，可以实现对大气的温湿度结构的三维探测。我国首次在卫星上装载闪电成像仪，能实现全天时对发生在大气中的总闪电（云内闪、云间闪和云地闪）分布进行实时监测。同时，我国首次在卫星上装载了磁通门磁强计，用于对空间磁场进行探测。

4）静。风云-4卫星装载的干涉式红外探测仪是光谱测量载荷，其正常工作时不仅需要物像间有严格的对应关系，而且要求确定光谱位置和干涉图的对比度变化。在风云-4卫星平台上运动部件多，如动量轮、扫描机构、驱动机构、制冷机等，它们产生的振动或振荡叫微振动。微振动会诱发干涉仪动镜倾斜或动镜运动系统共振，造成光程差超差，导致光谱图无法反演或出现“鬼线”，其高频频率成分会直接进入分析光谱内，混淆真实谱线。分析和试验表明，在探测仪动镜模态频率附近1mg的微线振动就会导致其光谱性能的明显退化，在特定频段内，20mrad/s2量级的角振动就能使载荷的扫描镜控制精度明显下降。所以，微振动抑制是一项关键技术，经过针对性的微振动抑制设计和措施，使微振动在探测仪动镜模态频率附近达到小于0.1mg，全频段的角振动量小于10mrad/s2，完全满足星载仪器的正常工作要求。

3 平台简介

风云-4卫星采用六面柱体构型、贮箱平铺方案，具有对地面积大、质心低等优点，可保证载荷对安装面积更大的要求，同时降低发射过程中载荷的振动响应；采用单太阳电池翼方案，预留完整的对应一侧用作载荷辐射制冷器的散热面，保证高精度定标需求；采用三轴稳定姿态控制，与自旋稳定方式相比可明显增加对地扫描成像和探测的时间；采用双总线体制，星务管理由低速1553B总线实现，载荷观测数据采用空间线（SpaceWire，一种专门用于航天器高速数据传输的总线标准）传输，配置灵活、可靠性高。风云-4卫星设计寿命7年，发射质量5400kg。

风云-4卫星平台包括结构、热控、姿轨控、推进、电源、测控、数管、总体电路、数传、转发、数据收集等分系统。

风云—4静止气象卫星总装状态

4 有效载荷

风云-4装载了多种先进有效载荷。

先进的静止轨道辐射成像仪

先进的静止轨道辐射成像仪是我国第一台在三轴稳定的静止轨道气象卫星上装载的全谱段可见光/红外成像载荷。与风云-2扫描辐射计相比，其光谱通道数量大幅增加，空间分辨率和时间分辨率成倍提高，温度分辨率明显提高，光谱分辨率显著提高，辐射定标精度进一步提升。载荷具有灵活的区域成像功能，可获取地球表面和云的多光谱、高精度定量观测数据和图像，包括昼夜的地球全圆盘图像、高频次的区域图像，可全面提高对地球表面和大气物理参数的多光谱、高频次、定量探测能力。它采用双扫描镜结合三反射光学系统、线列阵探测器和辐射制冷器的扫描成像技术方案，成像时东西扫描镜和南北扫描镜分别进行线性扫描和步进扫描，东西方向是从东到西、从西到东往复式扫描，南北方向是从北到南步进扫描；采用高精度扫描控制系统确保图像配准精度和成像分辨率。其主要性能为：14个探测通道，覆盖可见光至长波红外谱段范围(0.45～13.8μm)；空间分辨率按通道分别为0.5km、1km、2km、4km；可见光/近红外通道信噪比优于150～400dB；红外通道温度灵敏度优于0.05～0.3K；辐射制冷工作温度达到80K；全圆盘成像时间分辨率15min；恒星敏感-6等星信噪比大于16；扫描镜静态指向不确定度优于2″（3σ），成像段动态指向不确定度优于1.5″（3σ）；该载荷具有在轨全光路、全谱段的定标功能，实现红外优于1K、反射波段优于5%的定标精度。

先进的静止轨道辐射成像仪

静止轨道干涉式红外探测仪

闪电成像仪

静止轨道干涉式红外探测仪应用迈克尔逊干涉原理进行高光谱测量，并通过傅里叶变换获得探测目标的红外吸收光谱，同时具有光谱分辨率高和探测灵敏度高的优势，能高频次地对被观测区域进行大气的温湿度廓线和痕量气体含量的高精度探测，实现大气温度和湿度参数的三维垂直结构观测，为数值天气预报提供输入数据，为灾害性天气监视和大气化学成份探测服务，这是遥感领域红外光谱技术的一次跃升。该载荷是世界上首台在静止轨道上对大气进行高光谱观测的红外仪器，具有独创性。采用二维扫描镜配合离轴主望远光学系统收集大气能量、通过机械制冷机冷却面阵探测器和辐射制冷器冷却后光路、动镜式傅立叶干涉仪进行探测的总体设计方案。机械制冷机实现60K的制冷温度，冷却长波32×4焦平面阵列光导探测器到65K温区、中波32×4焦平面阵列探测器到75K温区。它由两块平面扫描镜、扫描机构、高精度角度传感器、扫描控制及驱动装置组成扫描系统，在东西和南北两个方向上作步进-驻留扫描。其主要性能为：探测4.44～6.06μm和8.85～14.3μm谱区的中长波红外辐射光谱分布；光谱分辨率达到0.625cm-1；中波红外波段灵敏度优于0.1mW/m2·sr·cm-1，长波红外波段灵敏度优于0.5mW/m2·sr·cm-1；星下点空间分辨率为16km；可实现5000km×5000km区域“小时”级的探测。该载荷同时具有空间分辨率为2km的可见光凝视成像能力，进行云检测；为确保稳定探测，指向不确定度优于±1″。

静止轨道干涉式红外探测仪

闪电成像仪

我国首次研制的星载闪电成像仪，能够对覆盖区域的闪电进行实时、连续不间断的观测。它主要由光学系统、聚焦平面阵、实时事件处理器、格式编排器和电子控制等4部分组成。光学系统镜头有一个带宽为1nm的窄带滤光片，确保777.4nm波长的闪电光谱信号通过。由于闪电成像高达500帧/秒，数据量巨大，不可能将全部的原始数据实时传输至地面，所以将在星上进行实时处理后得到的闪电事件传回地面。与此同时，为了验证星载算法的正确性，以及为了获得最优算法参数再上注卫星，可以选择一个小区域原始闪电数据下传至地面，这是我国闪电成像仪的一个技术特点。闪电成像仪星下点空间分辨率为7.8km，与国际同类卫星基本相同。

空间天气监测仪器

风云-4静止气象卫星不仅是对地球大气观测的优选平台，也是对空间天气和空间环境进行监测的理想平台。风云-4卫星上的空间环境监测仪器中包含有高能粒子探测器、磁强计和空间天气效应探测器。

1）高能粒子探测器。它包括高能质子探头和高能电子探头，可测量高能质子（能量范围为0.4～4 M e V）和高能电子（能量范围：1～165MeV和大于165MeV），并且在三轴稳定平台的多个方向上安装了粒子探头，可进行粒子的多方向流量探测。

2）磁强计。它可测量地球矢量磁场，测量范围±400nT，由2个磁通门探头和一些电子学设备组成。磁场探测仪的电子学设备安装在卫星内部，探头则安装在卫星舱外6m长的伸杆上，采用双探头差分探测，可以得到卫星周围空间环境磁场。

3）空间天气效应探测器。它包括辐射总剂量探测器、表面电位探测器和深层充电探测器，这是我国首次在静止轨道卫星上同时搭载有空间环境和效应探测仪器。

数据和产品转发器

高能粒子探测器和辐射总剂量探测仪

磁强计、表面电位探测器和深层充电探测器

风云-4卫星携带有L频段转发器，实现经地面处理的观测数据实时广播。静止气象卫星在国际上常被称为天气卫星，这是由于其运行的轨道特点，可以对所观测覆盖区域的天气及变化进行实时、连续、高频次的监测，这些数据对于天气分析的时效性十分重要，要求数据实时传输到气象台站。美国新一代静止气象卫星设计了直接数据广播链路（GOES-R ReBroadcast，GRB），广播数据速率达到31Mbit/s。我国风云-4直接广播包括高速数据传输和低速数据传输，其中高速数据广播传输速率达到20Mbit/s，以满足不同的用户。

数据收集转发器

风云-4继续兼容风云-2的数据收集功能。通过放置在海洋、海岛、湖泊、高山、沙漠、森林、移动物体等处的数据收集平台，可采集的多种地球环境信息发送到卫星，通过卫星转发回地面接收站，进行实时、连续的数据收集。

灾害警报广播转发器

静止气象卫星转发器天线方向图覆盖几乎1/3的地球，使用国际电信联盟全球划分给静止气象卫星业务的L频段，具有无雨衰的得天独厚的优点。利用静止气象卫星广播灾害警报信息，具有及时、可靠、覆盖面广的优势。

5 应用前景

风云-4静止气象卫星是世界上先进的气象卫星，此次设计建设的地面应用系统是迄今最为复杂的地面系统。在卫星发射入轨后，由空间段的卫星和地面应用系统共同构成我国新一代的静止气象卫星观测系统，卫星的原始观测数据是现在运行的风云-2的80倍，处理生成的产品数据则是其160倍，用于天气预报和服务的资料要实时分发给气象预报中心、台站与政府决策部门。充分体现了星地协同，稳定可靠，自动高效，发挥效益的特殊性。

风云-4静止气象卫星高时空分辨率成像资料、闪电监测资料、大气三维温湿度探测资料和空间天气监测资料，将在天气监测与预报、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等领域得到广泛应用，为气象、农业、水利、林业、环境、能源、航天航空、海洋和科技等提供更多的服务，为减少人民生命财产损失和社会发展做出更多的贡献。

天气监测与预报预警

利用卫星上干涉式红外探测仪数据反演得到的高频次大气温湿度廓线及其派生的大气不稳定指数，可以提前有效监测到暴雨系统发生前环境条件的变化，在还是晴朗无云的大气中提前发现极端天气的蛛丝马迹。利用风云-4高时空分辨率成像仪资料，可以提前检测到小尺度但快速发展的初生对流。融合这些资料，在临近预报中可实现对初生对流的判识，以及对成熟对流系统的识别、追踪和外推预报。闪电是对流系统发展的示踪信号，闪电成像仪对闪电的实时监测，为监测对流系统的发展提供重要信息。这些观测能力的提升必将提高对暴雨、强对流天气的短时临近预报和预警的能力。

在台风分析和预报方面，能够每分钟对东西、南北各1000km的台风覆盖区域观测1次，高频次的500m分辨率图像可以提供台风云结构及其演变的精细化动态信息，特别是对台风眼区的监测，可弥补目前在轨卫星云图时空分辨率不够高的缺点，为台风定位、定强提供更精细的观测资料，将是监测和预报其发生、发展、演变和消亡整个生命史的有力工具。

数值预报应用

世界上首次在静止卫星上装载的干涉式红外探测仪将实现对我国及周边地区1小时1次、间隔仅16km的密集的大气温湿分布的垂直探测，弥补陆地探空站间隔约200km，每天探测两次的严重不足；成像仪资料可以提供高密度云导风资料，水汽等高精度定量监测产品，这些资料被同化进数值天气预报模式中，可提高数值天气预报特别是区域数值预报的精度，进一步提高短时临近预报的精度。

气候预测与气候资源利用

厄尔尼诺／拉尼娜是气候预测的强信号之一，风云-4卫星观测范围覆盖西太平洋和印度洋海域，可密切监测海表温度的变化，为气候监测和预测提供有效的观测依据；可以对亚洲季风区多时间尺度对流活动进行实时监测，如季风环流、季风降水以及亚洲夏季风开始和结束时间、推进过程和强度等。另外，更加精细的可见光资料、云产品、入射太阳辐射产品是太阳能资源评估的重要参数。

灾害及环境监测

试验中的风云-4卫星

风云-4具备高时空分辨率的特点，可以在诸如森林草原火灾、洪涝、雾霾、蓝藻水华等灾害和环境监测中发挥重要作用，除了可对灾害进行判识之外，还可以掌握其时变特征，监测灾害发生的全过程。它还有一个特色，专门设置的高温目标中波红外探测通道，对地表高温信息敏感，可以对快速发展的中小面积火点进行识别和监测。

高光谱分辨率成像仪资料可以反演大气气溶胶光学厚度，进而得到PM10和PM2.5浓度值，可以监测大气污染的时空变化，为污染监测及防控提供重要数据。

人工影响天气

一方面，综合利用风云-4、地面雷达、常规和数值预报资料，可在人影作业临近时间，判识作业目标的云系属性和发展状况，包括层状云和对流云的演变情况，辅助确定作业方案。另一方面，将风云-4观测与人影作业配合，可对作业效果进行云顶观测分析和评估。

航空

风云-4静止气象卫星观测系统提供航空关注的云类型、云相态、对流、火山灰、闪电、高空湍流（对流层顶折叠）等监测产品，可以用于飞行安全保障。

支持大气科学前沿性探索

大气科学的发展离不开观测技术的提高，新的观测数据将支持大气科学的前沿性研究。比如快速发展对流的研究；利用3～4层不同高度云的相对移动可研究局地垂直风切变；对中尺度对流系统云顶重力波分布进行研究等。

空间天气应用

风云-4空间环境探测器数据可用于灾害性空间天气事件的监测，并对太阳活动、地磁环境、电离层和高层大气环境以及卫星运行环境开展预报服务。如高能粒子探测数据可直接用于预警一些潜在空间天气威胁，太阳高能质子（大于10MeV）事件实时监测预警；高能电子（大于2MeV）流量数据可用于计算卫星仪器发生充放电现象的概率，为卫星仪器正常运行监测提供服务；而粒子的投掷角分布则有助于进一步了解同步轨道粒子的动力学过程，提高对辐射带环境的理解和认识；地球同步轨道的磁场探测数据不仅可以验证全球磁场模型，同化到磁场模型中支持高精度磁场模型构建，还可以用于评估地磁活动水平，估算卫星是否穿越磁层顶和舷激波，或者为一些空间天气数值预报模型提供输入，促进对太阳风-磁层相互作用过程的科学理解；可以获得卫星充电、单粒子事件、辐射剂量和碎片等预警和预报指数，并在卫星或载荷状态异常时进行综合分析，甄别是否由空间天气事件引起，为卫星在轨安全运行提供保障等。