风云四号气象卫星 (卫星)

风云四号卫星是我国静止轨道气象卫星从第一代(风云二号)向第二代跨越的首发星,也是我国首颗地球同步轨道三轴稳定定量遥感卫星,使用全新研制的SAST5000平台,设计寿命7年。卫星成功突破了代表国际前沿的高精度图像定位与配准、微振动测量与抑制等20余项核心关键技术,装载四种先进有效载荷,整体性能达到国际先进水平。2016年12月11日0时11分 ,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射风云四号卫星。风云四号卫星实现了我国静止轨道气象卫星升级换代和技术跨越,将对我国及周边地区的大气、云层和空间环境进行高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率的观测,大幅提高天气预报和气候预测能力。中国新一代静止轨道气象卫星风云四号2017年9月25日正式交付用户投入使用,标志着中国静止轨道气象卫星观测系统实现了更新换代。

名称
风云四号气象卫星
制造商
中国气象局国家卫星气象中心
外文名
And number four meteorological satellite
代数
第二代
主要发展
卫星姿态,三维遥感
覆盖区域
西部,印度洋;东部,太平洋

1简介

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风云四号气象卫星风云四号气象卫星

风云四号气象卫星是我国第二代静止气象卫星,主要发展目标是:卫星姿态稳定方式为三轴稳定,提高观测的时间分辨率和区域机动探测能力;提高扫描成像仪性能,以加强中小尺度天气系统的监测能力;发展大气垂直探测和微波探测,解决高轨三维遥感;发展极紫外和X射线太阳观测,加强空间天气监测预警。风云四号卫星计划发展光学和微波两种类型的卫星。

我国幅员辽阔,国土东西跨度超过60度,随着我国资源和安全对信息区域扩大的需求,光学星按照东、西双星进行空间轨道布局(双星运行),西部星观测区域覆盖我国西部、印度洋红海中东地区并西接欧洲,东部星观测区域覆盖我国中东部、扩大到广大太平洋地区。

2研制历程

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风云四号的前期论证从20世纪90年代就已经开始了。“十五”期间,有关部门已经开始进行风云4号关键技术预先研究,自2010年3月立项以来,中国航天科技集团公司承担研制的风云四号卫星受到了重量、功耗、寿命、环境等因素的制约,卫星各分系统、各单机研制单位在卫星初样研制阶段的基础上不断优化方案、不断改进设计,已突破图像导航与配准技术、微振动测量与抑制技术等制约我国高轨高精度遥感卫星平台性能的多项关键技术,为我国高轨高精度遥感卫星的跨越式发展奠定了坚实基础。

3卫星用途

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气象卫星是用于气象观测的人造地球卫星。分为太阳同步轨道气象卫星和地球静止轨道气象卫星。前者可以获得全球气象信息,后者可以对观测区域进行连续气象观测。星载遥感器主要有可见光和红外扫描辑射计、微波辐射计、红外辐射探测仪、红外分光计等。具有观测范围广、时效性强、数据质量髙、不受自然和地域条件限制等特点。一般为军民两用,有的也专门用于军事目的。

4卫星特征

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风云四号的玄机,可用“七六五四三二一”七个字解释。

——“七”年设计寿命,近七年自主研制。

2010年3月,我国风云四号科研试验卫星工程正式立项。中国航天科技集团公司八院风云四号卫星系统总师董瑶海说,早前也试图与欧洲合作,但一个小小的元器件,欧洲人却开出比整星还贵的天价——“5亿元人民币你要不要?”

航天高技术是买不来的。近七年的钻研,打造出这颗设计寿命七年的风云四号,最令董瑶海自豪的是,“所有的核心技术都是自主研发的”。

——“六”面柱体构型。

风云四号采用六面柱体构型,具有对地面大、质心低等优点,有利于安装体积更大、数量更多的有效载荷,能让卫星在太空中更稳定地运行。

——“五”项任务,“体重”超五吨。

风云四号是发射重量达5.4吨的大卫星,它有五大任务:获取地球表面和云的多光谱、高精度定量观测数据和图像,获得高频次的区域图像;实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测;实现闪电成像观测;完成卫星图像、遥感数据及产品分发和灾害性天气警报信息发布;监测太阳活动和空间环境等。

——“四”大有效载荷。

中国航天科技集团公司八院风云四号卫星工程总师李卿介绍,风云四号观天象、测风云靠的是装载多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪器包等4个探测载荷。

——“三”轴稳定控制。

与卫星风云二号采用的自旋稳定控制不同,三轴稳定控制能让风云四号在X、Y、Z三个方向上均相对地球保持姿态不动,让卫星的有效载荷始终对准需要观测的目标,从而将观测效率与风云二号相比提高近20倍。

——“二”代静止轨道气象卫星。

我国气象卫星有极轨和静止轨道两个序列。目前,极轨气象卫星方面,新一代的风云三号卫星已全面取代风云一号卫星;静止轨道气象卫星中,风云二号首星发射距今已有19年,作为第二代静止轨道气象卫星的首发星,风云四号为我国静止轨道气象卫星的升级换代吹响号角。

——“一”个太阳翼。

为了使卫星上的红外探测仪不受太阳帆板上产生红外辐射反射的影响,风云四号采用了单太阳翼的设计,保证卫星定标精度。

5成功发射

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2016年12月11日,风云四号01星搭乘长征三号乙遥42运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射。中国静止轨道气象卫星升级换代正式拉开序幕。

00时11分04秒,伴随着地动山摇般的轰鸣声,火箭烈焰喷涌、腾空而起,划破墨色长空,向着遥远的苍穹进发。

风云四号01星是我国首颗静止轨道上三轴稳定的定量遥感卫星,代表着当今气象卫星最先进水平,在多方面实现了重大技术突破。

与目前业务运行的风云二号卫星相比,风云四号01星配备的扫描成像辐射计可见光通道最高空间分辨率由1.25公里提高到500米;时间分辨率提高1倍,可每15分钟对东半球扫描一次,最快每1分钟生成一次区域观测图像。

6重大意义

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一是可以更加精确的开展天气监测与预报预警、数值预报、气候监测。风云四号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、气象防灾减灾、应对气候变化、生态环境监测、航空和空间天气等领域得到广泛应用。如对台风分析和预报方面,能够3每分钟对台风区域进行观测,高频次观测可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分辨率和时间分辨率不够高的缺点,为台风定位、定强提供更可靠更精细的观测资料。

二是对灾害及环境监测、人工影响天气、支持大气科学前沿性探索、空间天气研究提高有力支持。风云四号静止轨道气象卫星的研制与发射,对满足我国日益增长的天气预报、气侯预测和环境监测等方面的迫切需求,保证我国静止轨道气象卫星在轨业务运行和应用服务的连续性,迅速提升我国在实时、动态气象观测方面的能力。

三是将进一步拓展国际合作,促进开放共享。风云四号卫星的成功发射,将对有助于提高我国气象卫星全球观测能力,为全球观测系统的发展做出应用的贡献,同时为“一带一路”国家战略的实施提供强有力的支持,显著提升我国参与全球竞争的能力,增加我国在相关国际活动中的话语权。

7重大突破

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新技术:在36000公里外“明察秋毫”

如果将太阳同步轨道卫星比喻为围绕着地球转动“流动巡逻的警察”,静止轨道卫星则好比“定点站岗的警察”。风云四号的“岗位”位于距离地球36000公里的高空,在如此遥远的太空对地球上风云变幻“明察秋毫”,得益于成功突破了代表国际先进水平的高精度图像定位与配准、微振动测量与抑制、定量化遥感等20余项关键技术。

高精度的图像定位与配准技术,是各国静止轨道卫星正在全力攻克的关键技术之一。这一技术能让卫星的“眼睛”从几万里之外的太空,精准地看到地球上任何想看的地方,并在拼接图像时做到零误差。为了突破这一技术,美国历时11年、经过5颗卫星的持续改进,在GOER-N上才取得突破,在刚刚发射的GOES-R卫星实现了定位精度达到1公里。

中国航天科技集团八院风云四号研制团队经过十多年的技术攻关,先后攻克了卫星高精度姿态确定方法、热变形在轨辨识和建模技术以及姿态、轨道和热变形补偿技术等技术瓶颈,卫星图像导航配准精度达到“1像元”,即在36000公里高空对地拍照误差控制在1公里之内,补偿效率到达98.8%,与美国刚刚发射的GOES-R卫星相当。

新平台:实现对地球24小时“凝视”

今后,在长达7年的设计寿命期间,风云四号将接替风云二号“上岗”,成为全球对地观测业务卫星序列的重要一员。每天24小时、共计2555天的“执勤”期间,不能有丝毫差错,更不能“因病请假”,这对卫星“身体素质”提出了极高的稳定性与可靠性要求。

中国航天科技集团八院科研团队专门为风云四号“量身定制”了一个角秒级测量和控制精度的高轨三轴稳定卫星平台——SAST5000平台,平台采用六面柱体构型、单太阳翼、三轴稳定控制方案,并采用了双总线体制、高性能AOS技术、大功率电源、整星防静电技术、整星防污染技术等一系列关键技术,可实现对地球24小时“凝视”。

太阳电池翼是卫星的关键部位之一。传统卫星的太阳翼都是双翼构型,分布在卫星的两侧,好像两只展开的“翅膀”。风云四号却只有一侧装有太阳翼,研究团队专门设计了一款“T”构型的太阳翼,大大缩短了太阳翼质心与卫星的距离。一旦太阳翼发生晃动或抖动,对卫星的干扰将大大减少。

风云四号上的数管计算机和数据处理器,是卫星数据管理和数据处理的核心部件,相当于整颗卫星的“心脏”,一刻也不能停顿。而风云四号卫星载荷成像精度高、数据量大,如何确保数据处理器、数传系统高速稳定运行,且能灵活配置数据路由,将大量数据及时传回地面,在关键时刻不“卡壳”,也是研制团队面临的一大难题。

通过不断讨论、验证,最终采用了SpaceWire和高低速总线相结合的模式,突破了静止轨道气象卫星大数据量传输的瓶颈。同时采用了严格的空间防静电设计、光学部件的防污染设计、多活动部件的可靠性与寿命设计等,大大提高了卫星的“身体素质”。

新载荷:把地面隔振平台“搬到”太空

风云四号“最牛”的地方不仅在于搭载了许多先进的观测仪器,更在于将一种对观测环境要求极为“严苛”的仪器,与其他仪器一起搭载在同一颗卫星上,这就是干涉式大气垂直探测仪。

干涉式大气垂直探测仪是一种类似于给大气“做CT”的先进仪器,但使用起来也极为“娇贵”。一个细小的振动——哪怕只是在卫星边上吹一口气,就会导致产生无法甄别或消除的谱线,使得光谱性能退化。因此,该仪器在地面上使用,需专门为它建造一个超静隔音的地下室。在开放的太空使用,为了防止其他仪器振动和噪音干扰,欧洲计划专门为它发射了一颗卫星。

在国际上,风云四号首次在单星上同时搭载多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪,首次同时实现二维成像观测和大气垂直分层三维观测,实现国外两颗星达到的功能。

为了克服微振动的影响,研制团队对风云四号上的10多个转动部件的振动特性与传递路径,进行了深入分析和试验,提出了微振动测量与抑制的方法。并在此基础上,在国内率先实现了振源隔振装置和有效载荷隔振装置的工程化,使卫星平台对敏感载荷的振动干扰,降低到0.1mg(用手轻轻击桌面的振动量级约为300mg)。这相当把地面的隔振平台,直接“搬到”了太空。

8国际领先

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风云四号卫星首次使用了全新研制的SAST5000平台,该平台采用六面柱体构型、单太阳翼、三轴稳定控制方案,具有承载能力大、质心低、力学响应小、对地面大等特点。实现了高空对地球的24小时凝视,对地观测时间利用率接近80%,将为稳定的气象业务观测提供有效支撑,总体水平达到国际先进。

1.总体水平。风云四号卫星首次使用了全新研制的SAST5000平台,卫星设计寿命7年,该平台采用六面柱体构型、单太阳翼、三轴稳定控制方案,具有承载能力大、质心低、力学响应小、对地面大等特点。装载多通道扫描成像辐射计(获取地球表面和云的可见光及红外多光谱、高精度定量观测数据和高频次区域图像)、干涉式大气垂直探测仪(获取大气温度、湿度垂直结构观测数据)、闪电成像仪(获取覆盖区域内闪电分别图)和空间环境监测仪器包(监测太阳活动和空间环境)等4个探测载荷。

2.国内比较。风云四号卫星与风云二号卫星相比,一是实现了自旋平台到三轴稳定平台,二是从单一载荷到多载荷的转变,三是扫描辐射计也从5通道增加到14通道,覆盖3个可见光和11个短波红外、中波红外和长波红外等波段,通道数量提升近3倍,四是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,区域观测能力超过风云二号,只需3分钟。

3.国外比较。风云四号卫星与日本、美国2016年最新发射的葵花九号卫星、GOES-R卫星及欧洲正在研制的MTG等均属于新一代静止轨道气象卫星。与之相比,具有如下特点:一是扫描辐射计技术指标与美国刚刚发射的GOSE-R相当。同时,星上辐射定标精度达到1K、灵敏度0.1K,也就是说,卫星对地面温度的测量误差小于1℃,只要发生0.1℃的变化就能感知出来。此外,卫星全圆盘成像时间15分钟,1000×1000公里区域观测能力3分钟,与欧美新一代静止轨道气象卫星相当。二是最新研制的干涉式大气垂直探测仪是国际首次发射。探测仪的探测通道达1700个,可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测,大大提高了气象观测的能力。三是干涉式大气垂直探测仪和多通道扫描成像辐射计两台大型仪器载荷是国际首次集于一颗卫星。两台载荷均装有较大惯量的运动部件,同时工作时将对卫星平台产生扰动,国外为满足成像质量要求,分别装在两颗卫星上实现成像观测和垂直探测,风云四号卫星平台通过采用图像配准与导航系统和整星隔震系统,解决了世界性难题,实现了两台载荷同时工作,达到国际领先水平。四是我国自主研制的闪电成像仪首次在轨应用,填补国内空白。一秒钟可以拍摄500张闪电图,探测区域范围内的闪电频次和强度,这可以用来实现对强对流天气的监测与跟踪,提供闪电灾害预警,这也是国内首次应用。

9风云家族

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1969年周恩来总理指示:“要搞我们自己的气象卫星。”1977年,风云一号卫星开始研制,拉开了我国风云系列气象卫星发展的帷幕。

经过近40年发展,我国成功发射了4颗风云一号、 7颗风云二号、3颗风云三号卫星,形成极轨气象卫星和静止轨道气象卫星两大系列。极轨卫星围绕南北极跨越赤道飞行,主要用于天气预报、生态、环境监测以及气候变化研究。

风云卫星是我国自主研发的系列气象遥感卫星,经过几十年来气象科技工作者和航天科技工作者的不懈努力,风云系列卫星走过了从无到有、从小到大、从弱到强的发展之路,现已成为全球对地观测业务卫星序列中的重要成员并步入了国际气象卫星的先进行列。

迄今为止,我国已成功发射了14颗气象卫星,其中7颗卫星在轨运行,实现了极轨气象卫星升级换代和上、下午星组网观测,形成了静止气象卫星“多星在轨、统筹运行、互为备份、适时加密”的业务运行格局。

到2025年我国规划了14颗大气观测卫星,包括风云二号卫星1颗,风云三号卫星4颗,风云四号卫星3颗,降水测量雷达卫星2颗,晨昏轨道卫星、静止轨道微波探测卫星、高精度温室气体综合探测卫星、大气环境监测卫星各1颗。

10正式投入使用

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中国新一代静止轨道气象卫星风云四号2017925日正式交付用户投入使用,标志着中国静止轨道气象卫星观测系统实现了更新换代。

11后续展望

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中国气象局在《我国气象卫星及其应用发展规划(2011-2020)》提出我国气象卫星后续发展需求,2015年10月,《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025年)》正式发布,规划明确气象事业紧密相关的有13颗卫星,其中全新研制的有大气环境监测星、陆地生态系统碳监测卫星和静止轨道微波探测星,确保后续业务运行的有3颗风云三号卫星,2颗风云四号卫星,1颗晨昏轨道气候卫星,2颗降水测量雷达卫星,1颗高精度温室气体探测卫星和1颗高光谱卫星。

(一)静止轨道微波探测卫星。将静止轨道遥感探测的高时效性优势和微波对云雨大气独具的穿透性探测能力相结合,有力提升对快速变化的台风、暴雨等灾害性天气系统的监测预警能力,成功发射后将与风云四号静止轨道气象卫星组网运行,将大幅度增强我国对天气预报,尤其是对降雨预报、气候预测、自然环境和自然灾害监测的能力。

(二)降水雷达测量卫星。实现主动降水测量与被动微波和光学成像遥感相结合,实现降水和云雨大气参数遥感探测,获取融化层高度和厚度信息,为提高降水数值预报的准确率,优化云微物理参数化方案提高支撑。

12媒体聚焦

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壮哉!

风云四号 大国重器!

中国气象报评论员

12月11日凌晨,代表当今世界气象卫星最先进水平的“风云四号”01星成功发射,这标志着我国静止轨道气象卫星升级换代正式拉开序幕。

这是一颗“争气星”!从提出设想,到成功发射,历经21年,是我国历史上投资最多、研制时间最长、技术难度最大的对地遥感卫星。回望“风云四号”的发展史,不难看出,这是一段自力更生的历史、一段攻坚克难的历史、一段精益求精的历史。卫星气象科技工作者从顶层设计之初就对标先进,提出领先国际、跨越发展的更高要求。但以当时的科技实力与水平,攻关团队面临的困难相当大。21年来,许许多多卫星气象科技工作者从青年到中年,从黑发到白发,有过迷茫,有过困惑,有过质疑,但他们与其他兄弟部门通力合作,迎难而上,破解一个个难题,一次次从挫折中起步,从失败中出发,坚定不移、久久为功,终于使我国的气象卫星实现了跨越式发展,达到了当代国际先进水平。中国工程院院士许健民自豪地说,卫星、地面系统、硬件、软件等全部为自主研制,国际同行普遍认可中国气象卫星取得的巨大成就。

这是一件大国重器!“风云四号”是我国首颗静止轨道三轴稳定的定量遥感卫星,在多方面实现了重大技术突破:搭载的扫描成像辐射计可见光通道最高空间分辨率由1.25公里提高到500米,时间分辨率提高1倍,可每15分钟对东半球扫描一次,最快每1分钟生成一次区域观测图像;在世界上首次实现静止轨道高光谱大气垂直观测,观测能力是现有观测系统的上千倍,对于提升天气预报准确率和精细化水平有跨时代意义;搭载的闪电成像仪首次实现我国静止轨道闪电成像观测,能为强对流天气的监测和跟踪提供观测手段;解决了多仪器同时工作产生的相互干扰问题,在世界上首次实现对大气的多手段综合观测……

“风云四号”凝练并承载了我国科技创新成果,是我国国力、科技实力、经济实力进一步提升的象征,体现了气象卫星科学和技术的新进步。21年凝聚出的不仅是一颗卫星,更是那份以全球视野,准确判断科技突破方向,以科技带动事业发展的坚强决心;是敢为天下先,勇于挑战前沿科技,努力服务建设世界科技强国的坚定信心;是百折不挠,砥砺前行,誓要以毕生心血赶超先进、服务国家需求的坚韧初心。

壮哉!“风云四号”,大国重器!

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风云四号气象卫星 图册
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  • 更新时间:2017-09-25
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