德涅斯特:低调的俯视 — 世界顶尖水准的中国卫星|2019-03-14

2019年3月14日07:22:43 发表评论

 

2016年12月11日,我国最新的一颗“风云四号”气象卫星发射升空。而与以往风云系列不同的是,这次发射的“风云四号”搭载了很多先进技术,使得这颗“风云”家族的新成员与其它老成员是如此的与众不同,今天我们就来讲讲,这颗跻身世界前列的“风云四号”究竟牛在哪里。

 

德涅斯特:低调的俯视 — 世界顶尖水准的中国卫星|2019-03-14

“风云四号”地球静止轨道气象卫星

 

所谓气象卫星,就是从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星,在我国历代航天人的不懈努力下,我国已经成为世界上少有的拥有极地轨道和地球静止轨道两种轨道的气象卫星的国家。而这些统称为“风云”系列的气象卫星到目前为止已经发展了两类四型。极地轨道的为“风云一号”和“风云三号”,地球静止轨道的为“风云二号”和“风云四号”。

 

其中极地轨道的“风云一号”从1988年到2002年共发射四颗,目前已经全部退役;“风云三号”作为“风云一号”的接替者,从2008年开始到现在共发射四颗,目前在轨工作三颗(B、C、D星)。

 

而地球静止轨道的“风云二号”从1997年开始陆续发射8颗,目前在轨工作4颗(E、F、G、H星);接替“风云二号”的“风云四号 ”首星于2016年12月发射升空。

 

而这个最新发射的风云四号,确实有很多与众不同的地方。

 

首先,相比上一代的“风云二号”,“风云四号”采用更新的三轴稳定取代“风云二号”的自旋稳定。自旋稳定就是利用陀螺定轴性,使卫星像陀螺一样通过自转轴自发保持稳定,优点是实现简单,只需要火箭末级或星上起旋火箭工作即可起旋,缺点是星上质量必须对称分布,载荷受限,定向天线不易安排,姿控和轨控比较麻烦。而三轴稳定就是卫星不旋转,本体在X、Y、Z三个方向上均稳定,换言之就是与地球保持一定的姿态关系。优点是能适应绝大多数卫星应用,易于满足载荷的定向要求,轨控较易实现。除了对制造能力要求较高,基本没什么缺点,也是目前世界各国卫星的主流稳定方式。

 

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“风云二号”,典型的自旋稳定式卫星对称圆筒构造

  

“风云四号”真正厉害的地方,则是其搭载的“扫描成像辐射计”。这就相当于卫星上的一台高灵敏度的照相机,而且是可以覆盖从可见光到长波红外共14个光谱通道的超级宽光谱照相机,拍照间隔也只有15分钟,空间分辨率最高500米,与“风云二号”上只有5个通道的老款式相比,完全是天翻复地的变化。通道的增加使得“风云四号”在“风云二号”观测云、水汽、植被、地表的基础上,还具备了捕捉气溶胶、雪的能力,并且能清晰区分云的不同相态和高、中层水汽。

  

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拥有14个通道的“扫描成像辐射仪”


而“风云四号”的另一款重量级仪器则是“大气垂直探测仪”。其本身就是一台高灵敏度的红外探测仪,采用32×4面阵探测器,通过迈克尔逊干涉分光方式观测不同谱段的红外辐射,从而获取大气温度和湿度的垂直分布。值得一提的是,这台仪器的加装使得“风云四号”成为国际上第一颗具备以红外高光谱干涉分光方式探测三维大气垂直结构的地球静止轨道气象卫星。

 

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“风云四号”上的大气垂直扫描仪

 

 说了那么多,“风云四号”究竟有多厉害,其实只要跟世界同行对比下就更清楚了。目前能与“风云四号”比肩的气象卫星只有两款半:美国的GOES-16算一个,欧洲的MTG算一个,日本的“向日葵-8/9”算半个。

  

其中美国的GOES-16于2016年11月19日上天,比“风云四号”稍早一点,是美国下一代地球静止轨道气象卫星的首发星。星上的扫描成像辐射计,人家自己叫做ABI,拥有16个光谱通道,比“风云四号”多两个,这点美国人领先。但由于经费原因(整个项目已经砸了110亿美元,实在烧不起了),GOES-16并没有搭载大气垂直探测仪;

 

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美国GOES-16气象卫星

  

欧洲的MTG上的扫描成像辐射计,人家自己叫做FCI,也是16个光谱通道,并且还挺奢侈的把大气垂直探测仪放到另一颗姊妹星上,组成一个双星探测系统。但MTG的问题在于,它还没有上天……按照欧洲人原本的计划,首颗MTG-I星应该在2018年就上天了,然而现在都2019年了,我们还是没有看到发射计划表……

 

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欧洲MTR气象卫星采用双星协作模式

 

日本的“向日葵-8”于2014年发射,并因此获得世界上首颗拍摄彩色图像的地球同步轨道气象卫星的殊荣,而“向日葵-9”作为前者的备份星与替代者,于2016年11月2日上天,其上搭载的扫描成像辐射计——这次被日本人叫做AHI——也是16个通道。那么为什么要把“向日葵-8/9”算作半个呢?因为这个扫描成像辐射计是抄美国人的技术……并且其一样没有搭载大气垂直探测仪。

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日本“向日葵-8/9”系列气象卫星,最关键的探测载荷却是美国人的

 

之所以那么强调大气垂直探测仪,这是因为顾名思义,该仪器是负责地球大气层垂直方向的温度变化探测,而扫描成像辐射计则是负责水平方向的光谱扫描,两者相结合,才能产生真正立体化的地球大气变化趋势图,在这点上,目前只有我国的“风云四号”能做到。即使在光谱通道上比美国人的略差,但整体优势却更加明显。

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“风云四号”大气垂直探测仪获得的地球大气垂直温度分布表

  

至于欧洲人?他们还是先把卫星送上天再说吧。

  

换句话说,“风云四号”是目前世界上最先进的地球静止轨道气象卫星,没有之一。

 

而GOES-16和“向日葵-9”都是和“风云四号”几乎同时上天的新卫星,都是各自国家未来的气象卫星主力,这就意味着,“风云四号”的性能优势可以在这一代之内都得到确保,不用担心后来者居上的问题。而我国在拥有这种领先优势后,在此基础上继续研发更强大的气象卫星,将这种领先优势继续保持甚至扩大,也已经是板上钉钉的事情。

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“风云四号”的第一幅彩色合成图像,现在微信用的开机画面就是风云四拍的

 

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“风云四号”扫描成像辐射计全部14个通道的拍摄图像

 

不知不觉间,我国在顶尖科学领域又取得了一项世界No.1,厉害了,我的国!

 

 

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