编者按:9月25日,“风云四号”A星正式交付使用。此前,在轨测试9月余的“风云四号”有着完美表现,堪称气象卫星界的“翘楚”。如此完美表现的背后,离不开它随身携带的四大“神器”、SAST-5000卫星平台以及地面应用系统。本版以“风云四号”独白的形式,向读者展现其驾驭黑科技的实力担当以及与自然灾害过招儿的本事。

我有真本事 可驾驭黑科技

中国气象报记者崔国辉 通讯员张琳

去年年底,我——新一代静止气象卫星“风云四号”A 星发射成功,此后我便一直进行在轨测试,截至目前已经工作9个多月了,被大家称作气象卫星界的实力担当。

与我国第一代卫星观测系统相比,我的观测时间分辨率提高了1倍,空间分辨率提高了6倍,在世界上同类卫星中我还新增加了大气温度和湿度的三维结构观测,原始观测数据量提高160倍,产品数量增加了3倍,首次实现我国静止轨道闪电成像观测,具备监测太阳活动和空间环境的能力,综合探测能力达到国际领先水平。

如此完美表现的背后,是我携带的四大“神器”——多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪、空间天气仪器包的功劳,同时也多亏了SAST-5000卫星平台和地面应用系统的倾力支持。

“千里眼”——多通道扫描成像辐射计

我携带的第一大“神器”是“千里眼”——多通道扫描成像辐射计。它是迄今为止我国静止轨道最先进的辐射成像仪,覆盖了可见光至波长达13.8微米的甚长波红外波段,光谱通道增加到14个;能够每15分钟对东半球扫描一次,最高空间分辨率达500米。

可能有人觉得500米分辨率不够精细,但别忘了,我是一颗静止轨道气象卫星,位于赤道上方约3.6万公里。500米精准度相当于在几公里之外放置几个烛光,我任意时刻想要看到哪个就能看到哪个,而且看得清清楚楚,难度可想而知。

这样的精度与美国发射的新一代静止气象卫星GOES-R相当,与我的前辈——第一代静止气象卫星“风云二号”相比,提高了6倍。

14个光谱通道意味着什么?我的前辈配置的成像辐射计有5个通道,也就是通过5种颜色的眼镜看地球,而我可以通过14种颜色的眼镜看地球,如此一来,地球大气的物理性质更难逃脱我的“法眼”。

除了能看得更清楚外,我的反应也更敏捷。“风云二号”静止气象卫星在自转过程中只有一小部分时间扫描地球,而我采用三轴稳定结构,如同把相机放在三角架上,可以24小时“凝视”地球,完成1幅圆盘图观测由30分钟缩短至15分钟;针对东西、南北各1千公里区域的观测时间仅需要1分钟。也就是说,如果哪里出现突发天气状况,我只要1分钟就可以扫出一张区域图像。

有了它,我能以全新的方式揭示台风、暴雨、洪涝、森林火灾、沙尘暴的变化规律,承担获取地球表面和大气的多种光谱辐射信息,为天气预报、气候预测提供观测数据的重任。

大气“CT机”——干涉式大气垂直探测仪

人类对大气遥感探测正步入三维立体阶段,发达国家都在朝这个方向努力。与多通道扫描成像辐射计一样,我的第二大“神器”——干涉式大气垂直探测仪完全为我国自主研制,而且是国际上首台静止轨道干涉式红外探测仪,可以很好地完成获取晴空大气三维结构和垂直运动信息的任务。

虽然探空气球也可以探测大气温度、湿度的垂直分布情况,但显然,探空气球存在地域局限性,在没有人的偏远陆地和海洋难以获取探空资料。

更为重要的是,我与地球保持相对静止,因此完成一次对我国及周边区域大气的垂直探测只需要1小时,相较于极轨卫星多星组网探测频次和探空站的12小时一次,在时间分辨率方面可以说是完胜;同时,干涉式大气垂直探测仪的空间分辨率是16公里,而现有探空站的空间间隔约为200公里,观测密度大幅提高。

此外,它在长波红外和中波红外波段可实现1600个以上细分光谱的探测,光谱分辨率达0.625波数,可以对晴空大气在垂直方向上做精细“立体CT”切片式探测。

同时装载使用大气“CT机”和“千里眼”,使我的静止轨道高频次大气三维探测能力国际领先,为人类深入研究大气对流、更精细地预测灾害性天气提供了新的可能。

强对流“示踪器”——闪电成像仪

俗话说,天下武功,唯快不破。我的第三大“神器”——闪电成像仪可对我国及周边区域闪电每秒拍摄500张照片,准确记录闪电的频次和强度。

从太空中观测闪电,尤其是静止轨道上观测闪电,具有24小时不间断、覆盖范围大、实时性好等优点,是世界上有研制能力国家优先采用的闪电探测方式。我搭载的闪电成像仪也是我国首台星载闪电观测仪器。

在气象界,暴雨、台风、冰雹以及中小尺度强对流天气系统的监测、预报和预警一直是难点,而强对流天气往往都伴随强烈而密集的闪电,因而闪电监测也被人们称作强对流天气的“示踪器”。

强对流“示踪器”的高超功夫源于它的高速拍照能力,能每两毫秒观测一次闪电情况;它有一个“大广角”镜头,可盯着中国及周边区域;它是一个不休息的“摄影师”,可举起镜头不间断拍摄;它还是一个“智能型”选手,通过高速处理,把闪电事件从大量照片中实时挑选出来。

空间环境“监视器”——空间天气仪器包

我的第四大“神器”——空间天气仪器包,包括高能粒子探测器、磁通门磁强计、卫星辐照计量仪与充电电位测量仪。它具备监测太阳活动和空间环境的能力,探测通道数量、探测精度显著提高,将进一步增强我国空间天气监测能力。

集众多空间天气仪器于一身,它堪称空间环境“监视器”。具体来看,高能粒子探测的目标是卫星轨道上来自不同方向的高能质子和高能电子的流量和能谱。磁场监测的目标是卫星轨道上的三维矢量空间磁场强度。空间天气效应监测的目标是由空间带电粒子辐射引起的卫星表面充电(差异值和绝对值)、深层充电和辐射剂量等卫星效应。

依靠它们,我便可以监测空间环境状况、记录空间环境对卫星的影响、保障卫星在轨运行安全,为空间天气监测预警业务提供重要数据支撑。

四大“神器”的“和事佬”——SAST-5000卫星平台

我在轨运行需要非常安静、稳定的环境,但我身上活动部件非常多,差不多有几十个:太阳能电池板要转动,姿态控制的轮子在变速转动,观测仪器的扫描镜也在运动……这些都会对卫星平台和其他载荷产生姿态上的干扰。

姿态控制对于静止气象卫星来说非常关键,如果姿态有一点点变化,获取图像时就会“差之千米”。而且,静止卫星距地球的距离是极轨卫星的40多倍,因此,要达到准确观测地球上指定的同样目标,静止卫星平台这个“三角架”的晃动必须比极轨卫星“三角架”的晃动幅度小40多倍,需要有更好的定力。

为避免垂直探测仪器和成像观测仪器相互干扰导致“谁也干不了活儿”,欧洲选择了将两者分别放在两颗卫星上工作的方案,而美国还没有公布其实现的方法,从目前发布的计划看,至少直到GOES-T都没有安排高光谱大气垂直探测仪。

而我则首次使用了全新研制的SAST-5000卫星平台,采用力矩补偿技术、星地一体化图像导航与配准技术和隔震系统,解决了这一世界性难题,实现了带有运动光学部件的多载荷同时工作。

应用以上技术,我实现了整星抖动0.1mg的目标,相当于为干涉式大气垂直探测仪打造了一把极其平稳的椅子,没有一丁点颤动。

SAST-5000卫星平台在各载荷之间充当了“和事佬”的角色,使它们能够和谐共处,一方面,多通道扫描成像辐射计进行高时空分辨率成像观测的同时,干涉式大气垂直探测仪可以对大气进行垂直探测;另一方面,合二为一也就让我一口气干了两颗卫星的活儿,省了一大笔资金。

“总管家”——地面应用系统

仅有“ 神器”还不够,还需要“ 总管家”——地面应用系统,把我和“神器”的一切活动安排得妥妥的,再将我探测到的资料进行精确处理,变成各种定量化产品,供国内、国际用户应用。可以说,我的十八般武艺得以在太空中施展,都离不开我的“总管家”。

首先,它把我每天的工作日程制定好,用事先约定好的指令语言,通过无线电让我的“顺风耳”听见,然后我就有条不紊地在太空中夜以继日地忙活。

其次,“总管家”还要把我获取的原始数据变成高精度的各种数据,这项工作并不轻松。我虽是静止气象卫星,却天生好动。我在太空中几十公里的三维空间中有自己的轨道运动,“总管家”必须准确知道我任意时刻在空间的位置;原本工程技术人员设计我“站有站相”,但我身上运动的部件实在太多,它们一刻也不闲着,导致我实际运行时姿态时刻变化;更为糟糕的是,我在太空中工作的热环境恶劣,朝阳面与背阴面温差能达到几百摄氏度,再好的金刚之身也会发生形变,身上的“神器”本来要盯着目标看,却也身不由己地出现观测目标偏差,这是我给“总管家”出的最大难题,需要“总管家”想办法把偏差找出来;同时,我的“神器”即使是火眼金睛,也耐不住太阳光照射,再加上工作状态变化,我获取的数据并不是真实反映地球物理量。

在这样的环境下获取的原始遥感数据是无法直接应用的,必须经过“总管家”的处理,才能得到完美的数据和各类应用产品。

还好,我携带的高精度姿态测量装置能将我的姿态实时上报,“总管家”还配备了多站双频测距系统,能把我在空间的位置精确到30米。

怎样解决热形变引起的光轴指向变化这个难题呢?“总管家”利用携带的仪器观测天上的恒星,把数据送到地面,利用一套新发明的求解因热形变引起的观测光轴偏差的算法,找到规律,再把参数传给我,我再进行补偿处理。通过星地联合,“总管家”利用我的高精度姿态测量数据,对云图做精确地理定位处理,精度达到近两公里,优于工程指标4公里的要求。

为使我获取的数据更真实地反映地球物理量,“总管家”利用多种方法进行辐射定标处理,使成像仪红外通道外定标精度优于1K(开尔文),达到了设计指标。特别是对于干涉式大气垂直探测仪的1600多个通道,在精准的辐射定标和光谱定标后,平均偏差在1K以下,优于1.5K的指标;光谱定标精度达到了8个PPM(百万分率,1PPM为百万分之一),优于10PPM的指标。

目前,我已经工作9个多月了,星地运行稳定可靠,在数据接收、业务遥测遥控、测距、图像导航与配准、辐射和光谱定标、产品处理等方面均达到预期,支持卫星所有观测功能的实现,生成的数据产品已进行初步应用。下一阶段,工程师将进一步对定量化产品精度进行检验,以期使我的数据产品能为气象、农业、水利、林业、环境、能源、航天航空、海洋等部门提供更多的服务。

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