揭秘气象观测重器——我国新一代地球静止轨道气象卫星风云四号01星技术与应用解读

□ 倪伟/文 顾元翔/摄

揭秘气象观测重器
——我国新一代地球静止轨道气象卫星风云四号01星技术与应用解读

□ 倪伟/文 顾元翔/摄

2016年12月11日凌晨，我国新一代地球静止轨道气象卫星风云四号首发星在西昌卫星发射中心顺利升空。风云四号不仅是我国风云卫星中最先进的一颗星，也代表着世界同类卫星最高水平。可以说，在气象卫星领域，风云四号使我国向航天强国跃进了一步。

将四项蕴含全球顶尖技术的关键载荷集于一身的风云四号，在提高我国气象监测、防灾减灾能力的同时，也为东半球带来了福音。

风云卫星：千年未有之变局

新中国成立以后，对我国重创最严重的20个台风中，近3/4发生于1988年之前。而从登陆时中心气压和最大风速等数据来看，1949年以来登陆我国最强的8个台风，有一半产生于1988年以后。

可见，近30年来登陆我国的超强台风并没有减少，但每一次造成的损失都不及前30年的那些台风灾难，甚至不及其一个零头。建国之初，一次台风动辄导致数千人遇难，而到了2014年，新中国历史上的最强台风——在海南登陆的威马逊——造成的遇难人数为56人。

台风依然可怕，但不再如几十年前那样让人恐怖。这样的感受，同样适用于洪涝、干旱、暴雨、沙尘暴等自然灾害事件。引起这种变化的多种原因中，最重要的或许是气象卫星的应用。

我国气象卫星就是风云卫星，此前，从1988年风云一号第一颗卫星发射起，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，均由上海航天技术研究院抓总研制。

风云卫星为我国开了追风观云的“天眼”，让中国人开始摆脱数千年来对“天有不测风云”的无助。风调雨顺不再只是一个美好的愿望，而是可以依靠科技去预测甚至改造的结果。以台风为例，从1998年风云二号投入运行以来，截至目前，西太平洋生成过444个台风（包括登陆或影响我国的168个），全部都被置于卫星监测之下，预报准确率连年提升。风云三号卫星上岗后，预报了我国每一次沙尘暴发生、发展、演变和消亡的整个生命史。自从有了风云卫星，我国防灾减灾、气候变化应对的面貌为之一变。

对气象的观测需求是无止境的。我国自然灾害频发，各类气象灾害严重威胁着国民人身和财产安全，每年造成的经济损失以千亿元计。中央气象台此前发布数据显示，受超强厄尔尼诺和拉尼娜现象的影响，2016年1-10月，气象灾害共造成我国直接经济损失近5000亿元人民币。

无论技术多先进，面对波诡云谲的大自然，气象卫星都显得不够。因此，风云卫星的演进也是无止境的。2008年登场的风云三号是风云一号的增强版，已经全面替代风云一号。1997年风云二号首次发射，服务了近20年后，如今其替代星——风云四号——也正式上场。

长三乙托举风云四号进入太空 张文军 摄

风云四号：慧眼凝视东半球

国际主流气象卫星分为两类，一类是风云一号、风云三号这样的极轨气象卫星，另一类是以风云二号、风云四号为代表的静止轨道气象卫星。

极轨卫星运行于距地球500千米～1000千米高度的太阳同步轨道上，始终绕地球旋转；静止轨道卫星定位于3.6万千米地球同步轨道上空，与地球相对静止。前者扫视地球全局，后者则凝视着以中国为中心的东半球。

静止轨道气象卫星是短期天气预报的主导力量。当前中央电视台天气预报的卫星云图，基本来自于风云二号E、F、G三颗星。而风云三号这样的极轨卫星，则为更大时间和空间尺度的全球气候变化和环境监测收集着数据，它可以看见亚马逊热带雨林一只蝴蝶扇动翅膀，是如何在美国得克萨斯州引发一场龙卷风的。

天气预报是否准确，不仅要看气象卫星本身够不够先进，也取决于这两种气象卫星能否密切配合。如今，全球同时拥有这两种气象卫星的，只有中国、美国和欧洲，气象卫星领域因此形成三足鼎立局面。

2016年10月，美国发射了GOES-R气象卫星，日本发射了葵花九号卫星（关键技术来自于美国），欧洲MTG卫星正在研制中，这标志着新一代静止轨道气象卫星集体登场。此时，风云四号发射升空，共同推动了静止轨道气象卫星新时代的到来。

之所以能担起“新一代”之名，风云四号的技术堪称革命性。

与国外相比，风云四号卫星工程总师李卿称，风云四号与GOES-R长波红外等波段；成像时间分辨率提高一倍，单星即可完成风云二号双星组网才能实现的15分钟全圆盘成像，仅需1分钟就能为1000平方千米区域成像……

风云四号卫星投入业务运行之后，将逐步接替风云二号，进一步提高天气预报准确率。同时，它还将实现一些以往从未有过的新功能，比如大气垂直观测，以及捕捉闪电等。

在风云四号发射以前，我国发射的风云一号、二号、三号卫星示意图

上图：台风来袭右图：2014年7月7日风云二号E星所拍摄的台风“浣熊”卫星云图

全球静止轨道气象卫星在轨示意图

2014年7月7日，风云二号E星所拍摄的台风“浣熊”卫星云图

“黑科技”（一）：感知0.1度冷暖 克服0.1毫克振动

话不多说，直接看东西。和MTG成像观测能力相当。然而，只有风云四号实现了把成像辐射计和干涉式垂直大气探测仪装于同一台卫星上，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。

由此看来，风云四号不仅稳居世界一流气象卫星之列，而且很可能是最先进的一颗。

与前辈风云二号相比，风云四号从单一载荷变为4项主要载荷，承担了4项不同功能。扫描成像辐射计的通道从5个增加到14个，覆盖3个可见光和11个短波红外、中波红外和

这颗或许是世界上最厉害的气象卫星自带了一些令人惊叹的“黑科技”，这些“黑科技”主要依靠4个关键载荷实现。

首先是多通道扫描成像辐射计。气象卫星观测地表状况，主要通过不同温度的辐射来辨识。

风云四号成像并不是一次性扫描完整个半球，而是一行一行扫描，再拼出整个图像，就像多个栅条合成一个百叶窗。相邻“栅条”之间既不能有缝隙，又不能大面积重合，这要求卫星镜头定位极其准确——不超过1千米。地面误差不超过1千米，在3.6万千米之遥的卫星上，镜头的转动角度就要控制在5角秒之内。5角秒是多少呢？相当于秒钟“滴答”转动一格角度的1/4320。

所以，卫星拍摄图像时，既要“瞄得准”——相机准确定位，也要“对得上”——相邻图像配准精确。这就是气象卫星领域的世界性难题：图像定位与配准。美国从1994年开始研究，通过数颗卫星持续改进，直到2006年才有所改善，最新的GOES-R卫星达到了1千米的定位精度。如果在轨运行良好，风云四号将一步达到这个水平。

气象卫星属于定量遥感卫星的一种，需要获取准确的、定量化的大气和地表观测信息。从3.6万千米高空看地表某处，风云四号感应出的温度与实测温度不超过1摄氏度。而每当观测区域升温或降温0.1摄氏度，风云四号立刻就能感知。

风云四号在发射场厂房出包装箱后翻身

极少数的人能听出“绝对音高”，风云卫星则需要感知“绝对辐射值”。然而，辐射计往往受到干扰，感知的辐射值与真实值产生偏差，因此需要为卫星寻找一个准确的辐射值作为标准（“定标”）。准确的辐射值来自于保持确定温度的定标物。卫星一边对着定标物扫描，校正“标尺”，一边利用这个“标尺”测定观测区域的数值。研制人员为风云四号选择的定标物包括月亮、宇宙空间内4开（接近绝对零度）冷背景、控温在300开的一个星上黑体以及多个地面靶标等等。

第二项关键载荷是干涉式大气垂直探测仪。底层云与高层云之间存在着温差，从而产生对流，发生强对流天气。当我们对强对流天气的研究不断深入时，就必须对不同高度的大气进行一层层切片分析。用风云四号卫星总设计师董瑶海的话说，就像对大气环境作CT扫描，对暴雨等强对流天气的观测将更细致、更准确。

然而，干涉式垂直探测仪对振动干扰极其敏感，些微振动就会诱发动镜发生角秒级的倾斜，使得光谱性能退化。其最敏感的一段，微振动量级必须小于0.1毫克（手轻击桌面的振动量级约为300毫克，说话声扰动空气的振动量级约为1毫克）。微振动测量与抑制难题的攻克，在我国卫星研制史上也是开创性的。

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。因为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。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。

这不是“炫技”之举，不仅可以节约成本，对于气象观测效果也大有裨益。风云四号副总设计师沈毅力解释，这两台仪器以同一个角度观测同一个目标，综合水平与垂直方向数据进行分析，会进一步提高观测精度。

“黑科技”（二）：捕捉闪电之光 预报宇宙晴雨

第三项载荷闪电成像仪，将使我国开始在高空抓拍闪电。成像仪以每秒500张照片的速度高速抓怕，并且在星上进行实时分析，筛选出有闪电的图片立即传回地面。闪电的光谱非常窄，波长只在777纳米这个点上，因此成像仪必须过滤掉其他波长，只接收777±1纳米的光，这对成像仪提出了极高的光学要求。

雷电往往伴随着暴雨等强对流天气，闪电监测将成为强对流天气观测和跟踪的一个新手段。

第四项重要载荷空间环境监测仪器包有些特殊，它并非用于观测地球上的风霜雨雪，而是用来观测宇宙空间的“天气”。地面上的人需要了解天气、应对气象灾害，宇宙中的航天器和航天员同样需要了解宇宙“天气”。

空间环境监测仪器包包括高能粒子探测器、三轴磁通门磁强计、卫星辐照计量仪与充电电位测量仪，可用于灾害性空间天气事件的监测，对太阳活动、地磁环境、电离层和高层大气环境及卫星运行环境进行预报。例如，空间电磁风暴会干扰通信卫星的运行，空间环境监测仪器可以监测和预报太阳风暴的发生，为航天器和航天员提供环境预警。

将如此多精密载荷集于一身的风云四号，并非独自漂浮在宇宙中，它乘坐在一个平稳可靠的座椅上——SAST5000卫星平台。SAST5000是具有角秒级测量和控制精度的高轨三轴稳定卫星平台，采用了六面柱体构型，优点包括承载能力大、质心低、力学响应小、对地面大等等，国内首创的高精度图像定位与配准技术和微振动抑制测量技术等均依靠平台才能实现。

SAST5000伴随风云四号首次登场，也一举收获我国“最强定量遥感卫星平台”的荣誉。

风云四号效果图

测试风云四号卫星电池帆板

造福人类：普天之下共安宁

几十年来，风云卫星因为天气预报被人们熟知，但其作用其实远远超过天气预报。长周期气象资料的收集，对于气候观测和预报起到了重要作用，大到厄尔尼诺、拉尼娜现象的预判，小到暖冬、冷冬、季节降水量的预测。利用大气观测，风云卫星可以追踪全球对流天气，对海面温度的观测，则可以分析洋流形势。风云卫星还密切关注全球气候变化，全方位对南北极冰盖融化现象进行过观察，并监控、分析南极圈臭氧层的变化。

定位在东半球上空的风云二号卫星，已经成为东半球共同的气象守护神，东亚、东南亚、南亚、大洋洲等国家与地区，均使用风云卫星数据进行气象监测。俯瞰全球的风云三号卫星，则是全人类共同的财富，2015年风云三号C星被列入了空间与重大灾害宪章。

风云卫星已经被世界气象组织（WMO）纳入国际气象业务卫星序列，为全球用户提供卫星数据共享服务。目前接受和应用风云卫星资料的国家和地区多达70多个，确立了我国在气象观测领域的国际重要地位。

2005 年 1 月 ，时任国务院总理温家宝在出席印度洋海啸高峰领导人会议时，向各国表示，中国愿意与受灾国家分享风云卫星的有关资料和产品，为区域各国气候预测、环境监测、灾害评估提供信息和技术支持。后来，中国政府又向孟加拉国、印尼、伊朗、蒙古、巴基斯坦、秘鲁和泰国等国赠送风云卫星数字视频广播接收系统，该系统不仅可以接收利用风云卫星数据，还可接收利用美国和欧洲同类遥感卫星数据，保护一方气象安全。

在风云四号升空之前，其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。

气象卫星国际合作之路将随着风云四号卫星继续延伸。国家国防科工局表示，风云四号将进一步拓展国际合作，促进开放共享，为“一带一路”国家战略的实施提供有力支持。

航天是一项在竞争中不断发展的事业，尤其在各航天强国、航天大国之间，存在着激烈的角逐。然而，在气象卫星的应用上，却呈现出难得的和谐。因为气象与全人类生存与发展息息相关，各国发展气象卫星的目的一致，都是造福人类。气象卫星技术的每一次进步，都增强着人类全体面对气象变化的力量，人类就是这样，永远锲而不舍地以独有的智慧驱散着无助与脆弱。★