地球36000公里外的風雲「衛士」

強降雨突襲京津冀、大颱風強勢入侵華南、長江流域汛情急緩……這一切風雲變幻都無法逃脫36000公里外的一雙「火眼金睛」——風雲四號。自去年底在太空「上崗」以來，「風四」「兢兢業業」，不眠不休傳回一張張高清雲圖，為天氣預報帶來全新的觀測手段。

中國氣象局日前召開的風雲四號A 星在軌測試總結評審會上，評審委員會認為，風雲四號A 星的各項功能、性能指標符合研製總要求，第一階段在軌測試取得圓滿成功，衛星已具備在軌交付條件。9月25日，風雲四號終於正式交付用戶投入使用，這標誌著我國靜止軌道氣象衛星觀測系統實現了更新換代，對於保證我國靜止氣象觀測業務的連續、可靠和穩定運行，提高我國航天事業和氣象事業的國際地位和影響力具有重大意義。

高技能遙測神州風雲

風雲四號A 星在軌測試期間，正值季節轉換，天氣形勢複雜，沙塵、強對流、颱風等災害性天氣輪番登場。可是這並沒有難倒風雲四號，在利用這顆衛星獲取的觀測資料實時形成的專題應用服務產品中，多通道掃描成像輻射計能清晰地識別出沙塵細節紋理和颱風內部中小尺度雲繫結構，而閃電成像儀也清楚地觀測到的中國及周邊區域閃電信息。

看得清楚只是風雲四號的優勢之一，在某些領域，風雲四號填補了氣象觀測的盲區，其技能甚至超越了家族裡的前輩衛星風雲二號。

記者在中國氣象局看到一張來自風雲四號的彩色衛星雲圖，層層疊疊的雲氣如煮沸的水，咕嘟咕嘟涌動不休，有些稍顯藍色，有些則是正常的白。中國工程院院士許健民告訴記者，這是冰雲水雲的區別所致，這方面的觀測數據對民航安全非常重要。原來依據風雲二號的雲圖做這方面天氣分析的時候，需要非常專業的經驗和非常高的水平，但是現在風雲四號專門增加了看冰雲和水雲的通道，它們之間的轉換一目了然。

風雲四號之所以能交出一份份耀眼的答卷，離不開自身攜帶的「秘密武器」。其搭載的掃描成像輻射計主要承擔獲取雲圖的任務，共14通道，是風雲二號5通道的近三倍，在風雲二號觀測雲、水汽、植被、地表的基礎上，還具備了捕捉氣溶膠、雪的能力，並且能清晰區分雲的不同相態和高、中層水汽。

值得一提的是，相比於風雲二號單一可見光通道的限制，風雲四號首次製作出彩色衛星雲圖，最快1分鐘生成一次區域觀測圖像，青藏高原湖泊、黃海細胞狀雲系、西伯利亞積雪、赤道附近熱帶對流等均清楚可見。中國工程院院士許健民評價其「雲繫結構和地物特徵層次豐富、紋理清晰」。

事實上，風雲四號不但在國內大顯神威，其在國際上也聲名顯赫，是世界氣象衛星家族裡的一顆明星。據風雲四號衛星系統總師董瑤海介紹，「風四」搭載的干涉式大氣垂直探測儀是國際上第一台在靜止軌道上以紅外高光譜干涉分光方式探測大氣垂直結構的精密遙感儀器，實現了在靜止軌道上從二維觀測進入三維綜合觀測。閃電成像儀為亞太地區首次研製發射的同類載荷，測試數據印證了其可對我國及周邊區域閃電進行探測，進而實現強對流天氣的監測和跟蹤，提供閃電災害預警。此外，空間天氣儀器包具備監測太陽活動和空間環境的能力，探測通道數量、探測精度顯著提高。

「領跑」之路攻克艱難險阻

作為新一代的靜止氣象衛星，風雲四號是我國氣象衛星從跟跑、並跑轉向領跑的實現者和見證者，對推動氣象防災減災有較大促進作用，代表當今世界氣象衛星先進水平。然而，「風四」領跑之路並不是一帆風順的，而是經歷了諸多艱難坎坷。

風雲四號衛星的精度要求非常高。中國科學院上海技物所副所長丁雷介紹，衛星要在36000公里之外看地面五百米的目標，相當於萬里高空往一個小口裡面扔鋼鏰，難度之大可想而知。

「就拿衛星上面高精度的儀器大氣垂直探測儀來說，原來基本上類似的儀器是在實驗室做分析用的，為了得到一個非常穩定的環境，我們一般都把它放在氣浮平台上。現在要把這樣一個高精度的儀器掛到天上去，還要和其他儀器放在一個平台，這就要求其控制精度和安裝精度全是在微米量級的。」丁雷說。

為了克服微振動影響，研製團隊在對衛星10餘個轉動部件的振動特性與傳遞路徑的分析、試驗的基礎上，提出了微振動測量與抑制的方法，並在工程上成功實現了振源隔振裝置和有效載荷隔振裝置的研製。相當於給單機坐上「軟沙發」，成功隔絕平台微小的振動影響，微振動抑制效率達到90%以上，為探測儀器的正常運轉提供了良好力學環境。

風雲四號地面應用系統總師張志清表示，經過幾個月的運行，衛星與地面應用系統的總體設計方案被驗證是正確的。特別是國際上首次將探測儀和成像儀兩個主要的載荷放在同一個衛星平台來工作的嘗試，試驗數據已驗證設計方案的正確可行，不但節省了資源，而且實現了集約化、提高了效率。

與此同時，風雲四號在太空里的高難度「舞姿」——三軸穩定姿態工作方式，其技術也被證明突破了靜止氣象衛星的圖像導航和配准技術的世界性難題。

據了解，美國同類氣象衛星自上世紀90年代開始，至2006年，共計發射了從GOES—8到GOES—13一共6顆三軸穩定的靜止氣象衛星，才真正實現高軌衛星的三軸穩定控制。而我國在風雲四號這一顆衛星上就解決發達國家數顆衛星才解決的問題。

「相對於風雲二號的自旋控制，三軸穩定控制可以大幅度地提高衛星對地觀測的時間和效率，也可以更大限度滿足多載荷裝載的要求。」風雲四號衛星總設計師董瑤海介紹。

太空成果落地應用

在惡劣的太空環境中工作，衛星所獲取的原始數據往往是不能直接使用的。「衛星在任何時候都是一面照著太陽，一面處在低溫冷空，照著太陽的一面溫度可達100—200度，另一面則是零下100—200度。巨大的溫差會讓任何一個航天器變形，這樣的平台上，觀測儀器的指向也會發生改變。因此衛星軌道在變、姿態在變、光軸的指向在變，這樣得來的數據必須經過地面應用系統的處理才能成為最後的產品。」 風雲四號地面應用系統總師張志清說。

為了將風雲四號的成果真正落地應用，科研人員配套了星地一體化技術。「我們在地面應用系統里專門有一套軌道測量系統，可以將衛星的空間位置精度測到30米。而為了解決熱變形帶來的問題，我們通過衛星上的導航配准系統，結合地面系統，實現高精度的圖像定位和配准處理。據測量，星上輻射定標精度達到1K、靈敏度0.1K，另外光譜定標精度，也達到了8個PPM。」張志清說。

看似雜亂無章的原始數據經過層層「抽絲剝繭」，整合形成一張以衛星為視角拍攝的地球灰白「CT圖」，而想要讓原始數據進階成為「一級數據」，必須要作數據預處理。這主要是完成定位和定標兩項工作。前者是告訴用戶觀測目標在哪裡，後者則是告訴用戶來自於目標的輻射。

而在老百姓眼中，這些數據切實的意義就在於：下次再發生如同北京「7·21」那樣的局地突發暴雨，風雲四號可以憑藉著區域凝視，提前更多時間獲得觀測結果；對於災害天氣的環境場變化，風雲四號依託先進的多通道掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀等，將提供高頻次的觀測，看得更準確更清楚；風雲四號的產品中，將有氣溶膠檢測產品，這對於今後霧霾觀測會提供一定數據支撐······

據了解，風雲四號A 星在軌測試分為兩個階段。在首階段衛星主要功能和性能測試完成後，技術團隊將在今年年底前開展地面應用系統測試，為正式業務運行做好準備。風雲四號在軌測試完成後，將陸續提供包括雲、氣溶膠、輻射、降水、海面地表參數、大氣溫濕度垂直廓線、閃電和空間環境監測等60多種定量化產品，為氣象、農業、水利、林業、環境、能源、航天航空、海洋等部門提供更多服務。

（責編：劉辛未）

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