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  • 风云四号气象卫星

    风云四号气象卫星是中国第二代静止气象卫星,由航天科技集团八院509所抓总研制。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。2016年12月11日,搭载风云四号卫星的运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空。当日零时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。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 风云四号气象卫星 外文名: And number four meteorological satellite
    所属组织: 中科院 主制造商: 航天科技集团八院509所
    环绕对象: 地球 发射时间: 2016年12月
    发射方式: 火箭发射 卫星用途: 大气温度和湿度参数的垂直结构观测
    代数: 第二代 东西跨度: 超过60度

    目录

    研发背景/风云四号气象卫星 编辑

    风云四号气象卫星风云四号气象卫星
    中国幅员辽阔,国土东西跨度超过60度,随着中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中国西部、印度洋红海和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。

    微波探测卫星单星运行,定点在在能覆盖中国国土为主的最佳空间轨道位置。光学卫星将在“十一五”期间完成型号立项,并进入研制,在“十二五”发射试验卫星,完成对试验卫星的评估和明确业务卫星技术状态,“十三五”发射风云四号业务卫星并接替风云二号业务的任务。

    发展目标/风云四号气象卫星 编辑

    经过多次论证,多通道可见光红外扫描成像仪和红外高光谱探测仪(干涉式大气垂直探测仪)以及星地相关技术的科技攻关,已取得了较大进展。
    “风云四号”是第二代静止气象卫星,由上海航天局的“风云二号”总设计师李卿领衔设计,充分考虑海洋、农业、林业、水利以及环境、空间科学等领域的需求,以实现综合利用。据透露,“风云四号”卫星主要探测仪器为10通道二维扫描成像仪、干涉型大气垂直探测器、闪电成像仪、CCD相机和地球辐射收支仪,地球圆盘图成像时间为15分钟。

    性能指标/风云四号气象卫星 编辑

    中国正在运行的风云二号地球同步轨道气象卫星自旋扫描成像辐射计具有三个探测波段,即将发射的改进型扫描成像辐射计具有五个探测波段。当需要进一步增加波段数、探测元数和提高辐射测量分辨率时,要受到数据带宽的较大约束。最为突出的问题是扫描成像辐射计的扫描效率很低(仅为约5%)和无法实现局部区域的快速重复观测。三轴稳定卫星平台为扫描成像辐射计提高扫描效率和实现局部区域的快速重复观测提供了可能。
    风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计相对风云二号气象卫星多通道扫描成像辐射计在性能上有了较大的提高。主要体现在下面几点:
    1)探测波段数从3波段、5波段增加到了12波段;
    2)地球圆盘图成像时间从25分钟缩短为15分钟,全帧扫描效率从约5%提高到了约80%;
    3)增加了小区域扫描观测功能,区域扫描范围可小至1000Km×1000Km,区域扫描时间可缩短至一分钟内,这对区域性强灾害性天气现象的实时监测及过程研究将起到重要作用;
    4)空间分辨率、红外温度分辨率和可见、近红外信噪比进一步提高;

    5)数据量化等级从6 bits和8bits提高至10bits。
    风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计的主要性能指标要求。

    卫星设计/风云四号气象卫星 编辑

    原理

    风云二号气象卫星扫描成像辐射计利用卫星自旋和望远镜筒的步进实现对地球的二维成像。风云四号气象卫星扫描成像辐射计安装在三轴稳定卫星平台上,为实现对地球的二维成像,扫描成像辐射仪将采用机械扫描方式实现二维扫描。东西方向成像通过扫描镜的连续往复式运动实现,速度为10°/S;南北方向成像通过扫描镜的步进运动实现,步距为448μrad。

    组成

    系统主要包括以下几部分:

    1)光学系统:包括主光学结构,分光组件、折镜、中继透镜、辐射致冷器窗口,滤光片、
    会聚透镜等;
    2)二维扫描系统:包括扫描镜、支撑机构、扫描控制及驱动装置、高精度角度传感器等;

    3)探测器:包括可见、近红外、红外和水汽12个波段共80元探测器;
    4)辐射致冷器:包括辐射致冷器支撑、防污罩及其锁定和解锁机构、太阳屏、一级和二级辐射
    致冷器、大口径杜瓦、温度控制装置等;

    5)星上电子学:包括二次电源、信息处理电路、二维扫描控制和驱动电路、黑体温度测量电路、卫星指令接收和成像辐射计状态传输电路;

    6)机械结构:包括成像辐射计基准结构、扫描镜支撑、主光学反射镜支撑、后光路光学零件支撑及定位调节机构、探测器定位及定位调节机构、辐射致冷器安装基准等;

    7)星上定标系统:包括可见、红外黑体定标源,电子学定标信号;

    8)热控系统:实现包括对仪器安装基准面、扫描机构、光学系统、辐射致冷器等的主动和被动温度控制;

    工作过程

    风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计的信息流过程如下,来自地球景物的辐射被扫描镜反射到主光学系统,通过中继光学系统将入射辐射分裂成2个可见通道、2个近红外通道和8个红外通道。探测器把景物辐射转换成电信号,经过前放、主放和滤波电路,在扫描同步信号的控制下,进行A/D转换并缓存,通过背景和噪音抑制,图像配准、校正等环节,将数字量编码送到卫星的数传系统,由数传系统把图像信号传送到地面。

    技术难点/风云四号气象卫星 编辑

    风云四号气象卫星风云四号气象卫星
    尽管三轴稳定卫星平台扫描成像辐射计相对于自旋稳定卫星平台扫描成像辐射计有较多突出的优点,但也有其特有的问题。主要有以下几点:
    1)由于扫描成像辐射计采用机械扫描实现二维扫描成像,当扫描镜运动时,将会对卫星平台产生一定的扰动。这种扰动将会影响图像的定位和配准,严重时将会漏扫图像。并且扫描镜惯量越大、扫描速度越高、扫描镜运动行程越大,这种影响越大。因此,对卫星平台的姿态控制技术要求更高。同时扫描控制本身也应有实时图像运动补偿功能。按照目前的设计,扫描镜扫描成像时的角位置定位精度将要求达到1″(1σ)。扫描镜图像运动补偿时,定位精度将要求达到1″~2″。
    2)
    由于三轴稳定卫星平台上的扫描成像辐射计凝视地球且随地球一起自转,在每天子夜时分,太阳直射进扫描成像辐射计遮光罩的时间约有6小时。在每天的其余时间,扫描成像辐射计将不被太阳照射,接受地球辐射和太空冷背景辐射。为此,扫描成像辐射计每天将经历较大的温度变化,并且随季节的变化而变化。这种仪器内的温度大幅变化非常不利于扫描成像辐射计获得稳定的高质量图像。在星蚀期间,太阳将直射到扫描镜上,使这种不利影响达到了顶峰,甚至有可能对扫描成像辐射计产生永久性损伤。

    3)三轴稳定卫星平台上的扫描成像辐射计扫描镜的东西向连续往复扫描运动对气象卫星的长寿命将构成主要障碍。对扫描电机进行备份,将是应该考虑的选择。随着长线列焦平面技术的发展,在帧时不变的情况下,降低东西向扫描速度不仅有利于延长卫星寿命,而且能减少扫描镜运动对卫星姿态的扰动,提高图像的分辨率和信噪比,进而提高图像的定位和配准精度。

    结论/风云四号气象卫星 编辑

    风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计相比正在运行的风云二号气象卫星多通道扫描成像辐射计其在通道数和辐射分辨率指标方面均由大幅度提高,尤其是三轴稳定卫星平台为缩短帧时和小区域扫描提供了可能,这对灾害性天气的实时预报将起到无法替代的重要作用。对国民经济的稳定发展也将起到重要的保障作用。

    研制情况/风云四号气象卫星 编辑

    我国一贯高度重视和支持气象卫星,目前已经制定了《“十一五”和2020年前我国气象卫星发展规划》。根据这个规划,目前,我们正在研制和发展下一代的静止气象卫星风云四号。风云四号静止气象卫星的研制,完全瞄准国际先进水平,和欧美同步,从时间上来讲,如果我们抓得紧的话,甚至有可能先搞出来。此外,我们还在进行一些专门的气象探测卫星的预先研究。我预期,在不远的将来,我国的气象卫星技术和水平将实现更大的突破和跨越。
    风云四号的前期论证从上世纪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,目前的进展情况还是比较令人鼓舞的。风云四号工程立项准备工作正在紧锣密鼓进行,计划在2008年完成整个工程的国家立项。

    发射时间/风云四号气象卫星 编辑

    由中国航天科技集团公司抓总研制的风云四号卫星于2016年12月中旬择机发射。风云四号卫星将装载我国首次研制的干涉式大气垂直探测仪,且与多通道扫描成像辐射计装载于同一颗卫星,实现成像观测和大气垂直探测相结合的综合观测。[1] 12月11日,搭载风云四号卫星的运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空。当日零时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。

    大事记/风云四号气象卫星 编辑

    2017年2月27日,随着我国新一代静止气象卫星风云四号A星获取首批图像和数据,世界第一幅静止轨道地球大气高光谱图正式亮相,与此同时,我国首次获取彩色卫星云图和闪电分布图。[2]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2016-09-26
    [2]^引用日期:2017-02-27

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