静观风雨 感知冷暖——“风云家族”的作为与贡献

作者:上海市宇航学会 来源:网络 2015-04-08 00:00
风云二号F星拍摄的第一幅彩色合成图像 
       2014年12月31日9点02分,随着风云二号08星顺利升空,备受关注的“风云家族”又添“新丁”。
       据专家介绍,风云二号08星是风云二号03批地球静止轨道气象卫星工程的第二颗业务应用卫星,与风云二号02号批卫星相比,风云二号08星观测能力有了进一步提升,测量大气温度和湿度变化等方面的误差值更小,数据更精准,其探测波段完全与国际接轨。同时,该卫星在区域快速观测能力上也有较大提升,能更好地用于应急和突发性灾害的监测。
       自1988年9月7日我国第一颗气象卫星——风云一事情A星成功发射至今,我国气象卫星事业已经走过了20多个年头。
       在这20多年里,我国已经成功发射了14颗风云气象卫星,实现了气象卫星在轨稳定超寿命运行以及多领域应用、多部门共享,为国民经济建设和社会发展以及防灾减灾、应对气候变化做出了重要贡献。
       “风云”家族在浩瀚的太空中,观风云、知冷暖,为百姓生活提供了最有力的护佑。
       风云一号:闪耀太空的39天
       “风云一号”的诞生,要从1969年说起。那一年,我国受强冷空气侵袭,华东、中南广大地区有线通信全部阻断。周恩来总理就是在听取这次灾害的汇报时做出指示:一定要采取措施,改变落后面貌,应该搞我们自己的气象卫星。
       1970年2月16日,研制任务下达到刚刚组建的上海航天基地(上海航天技术研究院前身)。气象卫星的研制是一项大型的、复杂的系统工程,而实现从无到有的突破任务则更加艰巨。风云一号A星的研制过程几经周折,最终于1988年6月25日通过评审出厂,运往发射基地。
       1988年9月7日凌晨4时30分,我国第一颗气象卫星风云一号A星发射升空,卫星准确进入901千米高度的太阳同步轨道。星箭分离后14分钟,广州气象卫星地面站率先收到了卫星云图信号。但由于是凌晨,天还没有亮,光照条件差,可见光通道图像是黑的,这便是中国气象卫星最早的信息。
       6时9分,资料处理系统的图像终端上,出现了气象卫星发回的第一幅云图照片,这是一幅亚洲地区上空的卫星云图照片,它也是中国气象卫星的第一图。现场的专家们分析认为,照片图像清晰,纹理清楚,层次丰富,初步表明我国第一颗太阳同步轨道气象卫星有较好的技术性能。
2014年7月7日风云二号E星所拍摄的台风“浣熊”卫星云图 
       然而,10月15日下午,风云一号A星传回的图像发生扭曲,证明卫星沿滚动轴方向严重偏转,卫星姿态失控,导致整星失效,卫星未能达到考核寿命半年的要求。这时,距离这颗卫星升空39天。
       即便只有短短的39天,风云一号A星无论从中国空间技术的发展,还是从中国的气象科学技术发展来说,都具有划时代的意义。原中国气象局局长邹竞蒙说:“第一,在太原卫星发射中心第一次打成了太阳同步轨道卫星;第二,风云一号第一颗卫星在国内首次采用了不少先进的关键技术并首先得到了考核;第三,可见光云图质量很高,博得国内外良好评价,风云一号A星拍摄的卫星云图清晰度可与同期美国‘诺阿(NOAA)’相媲美。”
       之后,风云一号B星于1990年9月3日成功发射,在轨累计正常运行285天。
       正是由于风云家族的“先驱”风云一号A星和B星两颗试验星给广大科研人员提供了宝贵的数据资料,使得在1999年和2002年发射的两颗业务星风云一号C星和D星,在各项性能、技术指标和稳定性上都有了质的提升。风云一号C星和D星分别在轨服役了7年和10年。
       风云二号:全天候监测风云变幻
       对于气象卫星的应用,仅仅拥有极轨卫星是远远不够的。此次发射的风云二号08星所属的风云二号系列卫星均为静止轨道卫星,它们能够做到实时观测,从功能上说,是对风云一号很好的补充。
科技人员正在检查           卫星总装
       鉴于其轨道特性,极轨卫星虽然观测区域要更广,但其观测周期长令为24小时。作为静止轨道卫星,风云二号能够实时观测特定区域,对于突发性自然灾害的监测和预报具有天然的优势。风云二号08星副总设计师陈桂林介绍说,“风云一号和风云二号就像人的两只眼睛,它们相互配合,在太空中能够实时监测神州大地上空的风云变幻。”
       与风云一号的研制历程一样,风云二号第一批次的A星和B星都胜任了试验“先驱”的角色。1997年6月10日,风云二号A星率先成功发射,但有些可惜的是其在轨运行了3个月左右就开始出现一些故障,每天工作6到8小时之后就要休息。2000年6月25日,风云二号B星从西昌卫星发射中心发射升空,与A星类似,B星在轨运行了不到8个月,星上有一个部件开始出故障,卫星信号衰减了很多。
       但这两颗试验星的暴露出的问题,给后续的风云二号气象卫星积累了大量的经验。“包括空间环境,卫星运行的环境数据很多都是在卫星运行过程中逐渐暴露,然后科研人员经过分析研究和大量的地面模拟试验,再拿出解决办法。”陈桂林说。
       2004年10月19日和2006年12月8日,分别成功发射了风云二号C星和D星,首次共同实现了“双星运行、互为备份”。
       陈桂林说:“在轨卫星由于它的不可维护性,风险较大,难免有在轨故障或者失效,但是组织一颗卫星发射需要很长时间。如果天上就一颗星,它突然坏了,那气象业务就中断了。所以双星的第一个作用是实现在轨备份,确保气象业务不中断。风云二号并不是‘冷备份’,是一种‘热备份’的概念。从空间上,可以扩大监测范围;从时间角度,可以缩短观测周期。”
       如果说风云一号还只是我国气象卫星的起步阶段,那么风云二号则开始让我国气象卫星加速发展,其在静止轨道观测的技术、卫星总体设计技术、星地一体化、定量应用、稳定业务运行等方面都令世界同行侧目。
       风云三号:在国际舞台上实现“领跑”
       如果说在国际舞台上风云一号和风云二号的还处于“跟跑”阶段,那么风云三号则让我国气象卫星把控了“领跑”的位置。
       风云三号气象卫星为了满足中国天气预报、气候预测和环境监测等方面的迫切需求建设的新一代极轨气象卫星,可在全球范围内实施全天候、多光谱、三维、定量探测,主要为中期数值天气预报提供气象参数,并监测大范围自然灾害和生态环境,同时为研究全球环境变化、探索全球气候变化规律以及航空、航海等提供气象信息。
       2009年9月,风云三号气象卫星立项。2008年5月27日,我国首颗新一代极轨气象卫星风云三号在太原卫星发射中心发射升空。2010年11月5日,风云三号B星成功发射,它和风云三号A星组成上下午双星同时在轨运行的格局。2013年9月23日,风云三号C星发射入轨后,风云三号实现三星组网,观测数据更新时效将由12小时缩短为6小时,从而大幅提高中国气象观测能力和中期天气预报能力。
       据专家介绍,相比于第一代极轨气象卫星,风云三号最显著的突破在于它实现了对大气的三维探测、全球高分辨观测、全天候和全天时工作。同时,风云三号还创下了星载有效载荷数量、单机活动部件数量、气象卫星观测功能等多项第一。正是由于风云三号这一系列先进的性能和指标,让它登上了国际舞台,也让中国在国际气象领域占据了重要的地位。
       从今年9月24日开始,国家气象卫星中心开始在其业务预报模式中使用风云三号B星微波湿度计资料,这标志着我国气象卫星的辐射测量精度和观测稳定性获得国际用户的认可。未来,“风云”卫星将和欧洲、美国的气象卫星一同在气象卫星数据提供方面发挥主导作用。
       风云卫星发射前,我国一度只能领先国外卫星观测资料的历史。如今,风云卫星已经具备广泛的国际影响,成为全球气象卫星业务观测系统的重要组成部分。目前,基于国际互联网技术的风云卫星数据存档与服务系统向国内外用户提供网络数据下载服务,用户遍及气象、海洋、农业、水利、环保、交通、科技、教育等部门,达到国际领先的卫星数据共享服务水平。
       风云四号:瞄准世界前沿技术
       随着我国经济的不断发展,对气象预报、监测的要求也提升了一个新的高度。
       作为我国第一颗静止轨道三轴稳定对地遥感卫星,风云四号比自旋式卫星风云二号增添了垂直探测仪、闪电成像仪、空间环境检测仪,图像仪通道也大大增加,便于在不同光谱下拍照观测大气和地面性质。由于风云四号不必旋转,可以轻松从高空目不转晴地“凝视”地球,对地球观测的时间利用率提高到80%,有效提高了卫星对地观测的效率。
       一直以来,欧洲、美国三轴稳定卫星都是将成像仪、探测仪载荷分别安装在两颗卫星上,而风云四号卫星则合二为一,将两台载荷装在一颗星上,这是世界级技术难题。
卫星进整流罩           火箭转场
       记者了解到,目前风云四号卫星采用了最新的有效载荷、全新的卫星平台和众多的新技术,有着18个分系统,且很多技术尚未经过验证。另外,风云四号在观测地球的过程中还需不断地调整卫星姿态,这都加大了研制的技术难度。
       自2010年3月风云四号卫星立项以来,受质量、功耗、寿命、环境等因素的制约,卫星各分系统、各单机等一直处于不断优化方案、不断改进设计的过程,并开展了多项整星关键技术攻关,预计2016年风云四号首颗星将发射升空。
       几十年来,航天人与气象人的携手,让我国气象卫星的研制水平不断提升。
       在今年第十届珠海航展期间,中国航天科技集团公司和中国气象局签署了《气象卫星工程合作协议》。根据协议,双方将在气象卫星中长期发展规划、气象卫星工程项目立项和审批、气象卫星及其运载火箭研制、气象卫星平台及其有效载荷预先研究等方面加强合作,协议确定了双方的合作原则、合作机制、合作模式,并对未来的合作进行了展望。
       在航天人与气象人的共同努力下,我国气象卫星的相关科学技术得到紧密融合、共同进步,取得了显著的应用效益。风云气象卫星在天气预报、气候预测、自然灾害和环境监测、资源开发、信息传输、科学研究等多个重要领域,以及气象、海洋、农业、林业、水利、交通、航空和航天等行业得到了广泛应用,在应对防范气象灾害及其衍生灾害、生态遥感监测和森林火灾监测预警、环境遥感监测和环境监测预警、海洋遥感监测和海洋灾害监测预警、土地利用遥感监测和粮食产量监测预报等方面发挥了巨大作用,为防灾减灾和应对气候变化以及经济社会可持续发展做出了重要贡献。
       相关链接:风云气象卫星如何命名?
       我国气象卫星形象地以“风云”命名,采用单、双数来区别极地轨道卫星和静止轨道卫星。其中,极地轨道卫星用单数序号表示,例如风云一号、风云三号;而静止轨道卫星则用双数序号来表示,例如风云二号、风云四号。
       此外,A、B、C等英文字母用来命名同一代卫星中先后发射的在轨运行卫星。例如此次发射的风云二号08星,成功入轨后则被命名为风云二号G星。
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