李卿
（“风云二号”卫星总设计师）
我国是继美国和前苏联之后，世界上第三个自行研制、发射太阳同步轨道（极地轨道）和地球同步轨道（静止轨道）气象卫星的国家。第一代风云一号极轨气象卫星A、B、C、D卫星，分别于1988年9月、1990年9月、1999年和2002年发射；第二代风云三号（FY-3）极轨气象卫星，将于2008年发射第一颗卫星。第一代风云二号（FY-2）静止轨道气象卫星A、B、C、D卫星，分别于1997年6月、2000年6月、2004年10月和2006年12月发射。风云二号C、D卫星发射后，实现了业务星的在轨备份和双星组网运行。2008年将发射风云二号E星，正在立项研制的风云二号F、G、H星，将与新一代三轴稳定静止气象卫星风云四号实现在轨业务衔接。
截止目前，我国已建立了自己的气象卫星观测体系和气象卫星业务运行、管理和应用服务系统。
一、风云一号极轨卫星
风云一号卫星的研制工作始于20世纪70年代末。卫星采用三轴稳定姿态控制方式，应用飞轮控制，以磁控作为卸载，磁力矩用于卫星的进动控制和章动阻尼的方案，这在三轴稳定卫星中属首创。在国内首次实现了折叠式对日定向，大面积太阳电池阵的展开技术。卫星有效载荷为五通道扫描辐射计。
C、D星对姿控系统的备份方案作了重大的改进，消除了单点失效模式。为克服单粒子翻转和闩锁效应，中央控制器改用抗单粒子效应能力很强的微计算机，设计了容错，纠错功能很强的软件；同时把扫描辐射计改进为10个观测通道，扩展了FY-1的应用范围。其图像质量与美国NOAA-15相当，目前FY-1 D星仍在正常业务运行。
二、风云三号极轨气象卫星
新一代FY-3极轨气象卫星的目标是获取地球大气环境的三维、全球、全天候、定量、高精度资料。其主要功能是：为天气预报，特别是中期数值天气预报，提供全球的温、湿、云、辐射等气象参数；监测大范围自然灾害和生态环境；研究全球环境变化，探索全球气候变化规律，并为气候诊断和预测提供所需的地球物理参数；为航空、航海等专业气象服务，提供全球及地区的气象信息。
卫星主要指标是：发射质量: 2353kg；飞行尺寸: 4440mm×10000 mm×3790mm；轨道高度 836.4km；倾角: 98.753°；姿态稳定度: ≤0.004°/s；指向精度: ≤0.3°。
卫星上主要遥感仪器有8种11台设备。十通道可见红外扫描辐射计的主要功能是：获取可见光、红外云图；地表温度和洋面温度；水陆边界、泥沙、冰雪、植被、土壤水份、作物状态等；云状态、包括云量、云顶温度、云的相态和类型；低层水汽含量、海洋水色等；森林火灾、洪水、干旱和大范围病虫害等自然灾害的监测。
红外分光计主要功能是探测大气温、湿度廓线、臭氧总含量、云参数、气溶胶等，为数值天气预报、气候变化研究和环境监测提供重要参数。分光计的探测谱段从0.69μm到15μm，设置了共26个窄带、超窄带。
中分辨率成像光谱仪，该仪器的功能是对地球的海洋、陆地、大气进行全球动态监测，并加强对云特性、气溶胶、陆地表面特性、海表特性、低层水汽的监测。中分辨率成像光谱仪共有10个可见光波段，7个近红外、2个短波红外波段和1个热红外波段。
微波成像仪可完成探测全球降水，特别是中国夏季暴雨；探测全球云的液态水含量和云水相态；探测全球植被和土壤温度；探测海冰的覆盖。接收机有五个频点，V、H双极化10个通道。
微波辐射计由微波温度计和微波湿度计两台仪器组成，分别用于全天候探测大气温度垂直分布，为数值天气预报提供探测数据；全天候探测大气湿度垂直分布、水汽含量、云中液态水含量、降水等。
紫外臭氧探测仪由紫外臭氧垂直探测仪和紫外臭氧总量探测仪两台仪器组成，主要是测量臭氧总量的垂直分布，探测地球大气太阳紫外辐射的后向散射，以反演地球大气臭氧总量全球分布，为环境监测、气候预报和全球气候变化研究提供重要参数。
地球辐射收支仪由太阳辐射监测仪和地球辐射仪两台仪器组成，主要功能分别是通过监测太阳辐照度变化，为研究太阳对大气、地球辐射收支、全球气候和环境变化提供精确的太阳辐射资料；通过探测地气系统的长波辐射以及地气系统反射的太阳辐射，为气候变化研究提供精确的地球辐射资料。
空间环境监测器用于监测高能离子、高能电子、辐射计量仪、表面电位、单粒子事件等 。
风云三号卫星的观测能力和技术水平与美国新一代极轨气象卫星“国家极轨环境卫星系统”（NPOESS）及欧洲的“气象业务卫星”（METOP）接近或相当。
风云三号卫星的主要技术特点是：遥感仪器数量多，品种多，首次实现了对大气的三维、定量化、全天候观测；遥感仪器的观测谱段宽，波长从紫外光一直覆盖到微波的厘米波段，星上电磁环境复杂；观测灵敏度高，观测视场大，地面分辨率高；星上活动部件多，整星有35个独立转动部件同时工作，转动方式多，包括匀速旋转，周期性非匀速转动，驻留步进扫描等，造成卫星内干扰力矩复杂，姿控系统Y轴采用两只68Nms偏置动量轮，X、Z轴为8Nms反作用飞轮吸收干扰力矩；多个红外遥感仪器需采用辐射制冷器，为保证足够的背阳面积，首次采用单翼大面积可偏置、对日定向跟踪太阳电池阵；适用多种不同数据速率信息源，符合CCSDS建议的高级在轨系统A0S标准的高速数据管理和传输系统。
三、风云二号气象卫星
静止轨道气象卫星定点在地球赤道上空某个经度位置，可以连续、重复不断的对整个地球圆盘或某个感兴趣区域成像观测。因而静止轨道气象卫星对于天气预报、特别是对中、小尺度，生命史短的灾害天气的动态监测是最为有效的手段。风云二号卫星于1986年开始立项研制。风云二号静止轨道气象卫星的3个定点位置为86.5°E、105°E和123.5°E。
风云二号卫星A、B星为三通道扫描辐射计，C、D星改进为五通道扫描辐射计，其成像观测通道数与美国正在应用的GOES-I～M, GOES-N三轴稳定卫星相同。卫星发射重量: 1389kg，设计寿命大于三年。
卫星的主要技术进步与特点是：
在自旋静止卫星5通道观测技术上的突破。解决了探测灵敏度、焦平面设计、辐冷器的致冷量、热控界面温度降低等关键技术，提高了可靠性，实现了包括中波红外的5个探测通道同时对地观测成像，观测能力相当或超过国际上同类自旋静止气象卫星。
保证高精度图像质量的卫星设计技术。首次在星上采用以下自主新技术：细长体卫星的主动、被动章动复合控制和星载动平衡调整技术、复合材料及阻尼材料、高精度装配与测量、卫星与远地点发动机自旋动态分离技术，卫星的姿态稳定度优于0.0002°/0.6s；预埋热管等温化技术、精确的仿真热模型使预示值与在轨温度偏差小于2℃；整星的防污染设计技术等，
星地一体化图像配准与定位技术。自主设计了自旋卫星图像生成技术，精确同步补偿了星、日、地视运动的变化，采用电子学方法模拟星、日、地视运动，解决了星地成像系统测试验证的难题；攻克了图像导航配准核心技术，使不同通道间的配准精度优于1个红外像元，建立了卫星图像定位完整的数学模型，实现了业务化全自动解算，图像定位精度优于1个红外像元，国际同行专业会议认为，C星的图像配准与定位精度处于国际领先水平。
高精度定量产品及应用。自主研发了21种反演云、大气、地表物理状态的定量产品。其中大气运动矢量产品提出双通道卫星风高度指定的改进算法；降水估计产品建立了基于中国区域降水时空分布特征和分裂光谱信息的雨区判识的新方法；开发了沙尘暴、洪涝、冰雪、干旱和火情监测等新产品，通过检验证明对灾害的监测预报能力有明显提升。并已在天气预报和自然灾害监测中实现了业务化应用。
星地一体化的业务能力扩展技术。通过卫星可靠性增长、章动收敛控制、地面全自动化业务运行控制设计和软件工程化研发，使星地系统在28时次/天的设计基础上扩展到48时次/天的加密成像观测能力，提高了时间分辨率，达到了国际同类卫星的先进水平。通过优化卫星变轨和定点捕获的设计方案，在地面图像导航配准宽容技术配合下，首次采用初期同步轨道2.5°负倾角设计，在卫星三年设计肼储量基础上，可满足四年以上在轨运行的需求。
风云二号卫星可以提供4类图像产品、21种定量产品，做到数据共享，可为中小规模利用站服务（800个直接接收站、2400个数据服务站）和数字视频广播系统（200个DVB-S）提供服务。风云二号C星实现了长期、稳定、连续的运行，取得了较高的图像获取和应用的成功率，在气象、防灾减灾及国民经济各领域和国防建设中得到了广泛应用，取得了巨大的社会和经济效益，在天气预报和灾害监测中在天气预报和灾害监测中起到了不可或缺的重要作用。根据国家卫星气象中心的气象效益分析，我国近年来气象卫星的投入与效益比约为1：15，其中还不包括发展气象卫星带动制造业发展所带来的间接效益与影响。
四、新一代FY-4静止轨道三轴轨道气象卫星
风云四号卫星是我国接替风云二号卫星的新一代三轴稳定静止气象卫星，用以满足我国日益增加的天气预报、气候预测和环境监测等方面的迫切需求。风云四号卫星将提高对地观测的精度、观测频次及观测区域的灵活性，加强对中小尺度天气系统的监测，进一步提高短时和短期天气预报的准确率，提高天气分析和地球环境变化动态监测能力，获取大气垂直探测资料，实现高频次三维探测，以及对雷电和空间天气的监测预警能力。
卫星平台主要技术指标是：采用三轴稳定零动量姿态控制方案；状态稳定度：（3σ）优于5×10－4 °/s；状态指向精度：（3σ）优于0.01°；状态测量精度：（3σ）优于5”；工作寿命大于5年。
有效载荷发展特点是：
高空间分辨率：可见光0.5km,近红外1km，中长红外2km；高时间分辨率：全球圆盘图5～15分钟，局部区域﹤1分钟。
高光谱覆盖和分辨率；
高辐射分辨率；
星载主要仪器有：先进的可见、红外扫描成像辐射计，超光谱大气垂直探测仪，闪电成像仪，太阳X射线极紫外成像仪，CCD高分辨率相机，地球辐射收支仪，毫米波、亚毫米波辐射计。
主要关键技术包括卫星总体技术、图像导航与配准技术、高精度和高稳定度控制技术、成像辐射计、大气垂直探测仪、闪电成像仪、CCD成像仪等七项技术。目前研制工作进展顺利。
来源：CAST空间技术论坛 |
