中國風雲氣象衞星：50年從零開始到世界先進_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-12-23 14:07
撰文 | 董瑤海、陳文強、楊軍
風雲氣象衞星的發展是我國改革開放、科技發展的一個縮影。通過50多年來航天人和氣象人堅持不懈的奮鬥和自主創新，氣象衞星已成為現代氣象業務和國民經濟建設中必不可少的科技支撐。風雲氣象衞星觀測資料為氣象、海洋、農業、林業、水利、航空、航海和環境保護等領域提供了大量的公益性、專業性和決策性服務，產生了巨大的社會效益和經濟效益。如今，風雲氣象衞星已成為我國民用遙感衞星效益發揮最好、應用範圍最廣的衞星之一。
我國從20世紀70年代開始研製氣象衞星，至今已經發展到第二代。其中風雲一號衞星為中國第一代極地軌道氣象衞星，風雲二號衞星為中國第一代地球靜止軌道氣象衞星，風雲三號衞星和風雲四號衞星分別為中國第二代極地軌道氣象衞星和地球靜止軌道氣象衞星。
我國自1988年9月7日發射第一顆氣象衞星—風雲一號極地軌道氣象衞星以來，經過30多年的發展，已成功發射“2代4型”極地軌道和地球靜止軌道共19顆氣象衞星，截至2021年10月，共有8顆氣象衞星在軌穩定運行。極地軌道氣象衞星和地球靜止軌道氣象衞星組成了中國氣象衞星監測系統，實現了組網觀測業務化。中國成為繼美、歐之後世界上同時擁有兩種軌道氣象衞星的國家，是世界氣象組織天基綜合對地觀測網的重要支柱。
目前超過2700個國內用户及120多個國家和地區接收與利用風雲氣象衞星資料。風雲氣象衞星被世界氣象組織列入國際氣象衞星序列，是全球氣象觀測的主力衞星。
我國氣象衞星從無到有、從弱到強，實現了從跟跑國外衞星到並跑再到部分領跑的跨越，現已具備高低軌組網的全球觀測能力，且綜合性能達世界先進水平。
1970年我國決定發展第一代極地軌道氣象衞星，衞星研製任務由剛剛組建的上海航天基地承擔。1977年，國家氣象衞星方案論證會在上海召開，從此中國氣象衞星的新紀元開啓了。我國第一代氣象衞星的研製可謂白手起家，經過10多年的攻關，1988年風雲一號A星成功發射。
風雲一號A星是一顆高1.2m，長、寬各為1.4m的長方體，左右兩塊太陽電池翼被打開以後，其跨度為8.6m。衞星重750kg，在901km高的太陽同步軌道上運行。衞星攜帶多光譜可見光紅外掃描輻射儀，它有5個通道，用於獲取晝夜可見光、紅外雲圖、冰雪覆蓋、植被、海洋水色、海面温度等，性能與當時的美國第三代極地軌道氣象衞星相當。風雲一號A星入軌運行不久，發現儀器散發出的水汽對紅外探測器產生污染，性能指標下降。該衞星升空39天后便發生了意外，衞星遭遇強烈的太陽活動，星上計算機被太陽高能粒子擊中發生翻轉，傳回的圖像發生扭曲，衞星姿態沿飛行方向嚴重偏轉；地面控制中心無法控制衞星姿態，風雲一號A星最後徹底失控，消失在茫茫太空之中。
風雲一號B星於1990年9月3日用長征四號火箭發射升空，採取了污染防護設計和防護措施，衞星在軌圖像質量良好，超過預期。姿態控制系統相比於風雲一號A星有明顯改善，但系統的可靠性設計存在缺陷，在軌正常運行165天后，星載計算機突發故障造成衞星姿態失控，經過連續75天的搶救後恢復正常工作。但是星載計算機受到空間環境的影響，工作不穩定，衞星斷續工作至1991年11月，在軌累計正常運行285天。
風雲一號A星和風雲一號B星讓我國航天工作者第一次認識到光學遙感儀器污染、在軌空間環境影響及系統可靠性等一系列前所未有的困難。風雲一號C星汲取經驗教訓，經過了一系列改進，衞星探測性能、空間環境適應性和系統可靠性都大幅提高。風雲一號C星於1999年5月10日發射，設計壽命2年，在軌穩定運行並超期服役至2004年6月，開啓了中國氣象衞星長壽命、高可靠、連續穩定業務化運行的新紀元。風雲一號D星於2002年發射，在軌穩定運行10年。
風雲一號C星憑藉其優越的性能和穩定性，榮獲2001年國家科學技術進步一等獎；被列為20世紀末中國三大事件之一，銘刻在中華世紀壇上。2000年8月，世界氣象組織將風雲一號C星納入全球應用氣象衞星序列，成為全球綜合對地觀測系統（GEOSS）的重要成員。風雲一號C星與歐美國家的氣象衞星一起，形成了對地球大氣、海洋和地表環境的全天候、立體、連續觀測的衞星觀測網，大大增強了人類對地球系統的綜合觀測能力。
相比於國外，我國氣象衞星事業起步較晚，為儘快追趕國際氣象衞星觀測先進水平，我國航天工作者和氣象工作者共同努力，提出了氣象衞星研製“小步快跑”的發展理念。具體來講，就是摒棄國外同一代衞星狀態完全一致的理念，讓我國的同一代衞星中每顆衞星相比前一顆衞星都進行性能提升，用一代4顆星的發展追趕歐美極地軌道5代衞星的發展成果。風雲一號C星及D星性能指標相比A星及B星大幅提升，遙感儀器觀測波段由5波段提高至10波段，波段數增加了一倍；衞星壽命要求由1年提高至2年，性能指標全面達到當時的國際先進水平。
面對成績，我國的航天人和氣象人的目光並沒有停留於此。隨着我國經濟社會的快速發展，風雲一號衞星上裝載的遙感儀器已無法滿足氣象現代化的需求，於是發展我國第二代極地軌道氣象衞星的議案又擺在大家面前。“裝備一代、研製一代”，在研製風雲一號衞星的同時，第二代極地軌道氣象衞星論證開啓了。
第一代地球靜止軌道氣象衞星
我國第一顆地球靜止軌道氣象衞星風雲二號A星於1997年6月10日發射成功，至今已成功發射了8顆風雲二號衞星。
風雲二號衞星首次實現了“多星在軌、統籌運行、互為備份、適時加密”運行模式。雙星聯合由單星的30min獲取一幅地球全圓盤圖像縮短到15min，每6min進行一次中國區域觀測，提高了使用效率，有力提升了對中國全境的氣象綜合監測能力，為我國和世界氣候監測及天氣預報提供了實時動態資料。
風雲二號衞星裝載的主要有效載荷—多通道掃描輻射計是一台光學遙感儀器。它利用衞星自西向東的自旋運動和輻射計望遠鏡自北向南的步進，實現對地球的二維觀測，具有可見光、紅外和水汽等5個波段，可同時對地球大氣現象和快速變化情況進行實時、連續的觀測和監視，每天獲取28幅20°×20°範圍的地球全景圓盤圖；在（汛期）加密觀測下，每天可以獲取雲圖48時次（全景圓盤圖28幅、北半球圖20幅）；可按靈活機動業務需求以5～6min/幅頻次掃描我國及周邊區域雲圖。
風雲二號衞星在全球氣象衞星觀測網中佔有重要的位置。過去，對整個東亞，特別是對印度洋、青藏高原區域的衞星觀測是很薄弱的。風雲二號衞星定位於105°E，其位置決定了它是整個地球觀測系統中不可或缺的一部分，它獲得的觀測資料對國際的氣象界乃至地球科學界都有貢獻。在世界氣象組織的空間計劃中，風雲二號衞星被列為骨幹氣象衞星，承擔全球天氣和氣候觀測的義務。
風雲二號衞星的業務化應用，為氣象、海洋、農業、林業、水利、航空、航海、環保等領域提供了大量的公益性和專業性服務，已被世界氣象衞星組織納入國際業務應用氣象衞星序列，成為全球天基綜合觀測系統的重要組成部分，可為世界各國用户提供服務。
1997年6月我國成功發射第一顆地球靜止軌道氣象衞星後，2004年10月19日和2006年12月8日，我國又分別成功發射了風雲二號C星和D星，首次實現了“雙星運行、互為備份”，實現了地球靜止軌道氣象衞星的業務化運行。其中，風雲二號C星及地面應用系統還榮獲2007年度國家科技進步一等獎。
風雲一號衞星和風雲二號衞星的發射成功，結束了我國氣象預報衞星數據長期依賴國外衞星的歷史。從此，我國成為同時擁有極地軌道和地球靜止軌道兩個系列氣象衞星的國家。
第二代極地軌道氣象衞星
2000年9月，國家批准風雲三號衞星立項。經過長達8年的研製，中國第一顆第二代極地軌道氣象衞星風雲三號A星於2008年5月27日成功發射，風雲三號B星也於2010年11月5日成功發射，風雲三號A、B兩顆試驗星的成功發射和運行標誌着中國第二代氣象衞星全面進入業務運行階段，風雲三號衞星完全接替了風雲一號衞星的對地氣象觀測任務。此後我國分別於2013年9月、2017年11月、2021年7月發射了風雲三號的C星、D星、E星。
風雲三號A星的質量為2298.5kg，採用三軸穩定姿態控制方式，搭載有可見光紅外掃描輻射計、紅外分光計、微波温度計、微波濕度計、中分辨率光譜成像儀、微波成像儀、紫外臭氧總量探測儀、紫外臭氧垂直探測儀、地球輻射探測儀、太陽輻射監測器和空間環境監測器共11台有效載荷，有90多種探測通道，可以不分白天黑夜，對任何氣象環境進行探測。每天可對全球掃描2次，每次掃描幅寬為2900km。衞星上攜帶的垂直探測儀，可以對地表以上30km範圍內的大氣進行立體觀測，大大增強了氣象預報的精細水平和準確率。
全球首顆民用晨昏軌道氣象衞星風雲三號E星（也稱黎明星）於2021年7月5日發射，運行在830km太陽同步晨昏軌道上空，迎着黎明為全球提供氣象觀測數據。它的發射填補了我國晨昏軌道氣象衞星技術空白，與風雲三號C星、D星實現“上午軌道、下午軌道和晨昏軌道”三星組網觀測。風雲三號E星搭載的風場測量雷達實現了全球海面風場探測；攜帶的太陽觀測儀器，實現了對空間天氣擾動的源頭—太陽的成像觀測。
風雲三號極地軌道氣象衞星的技術指標達到了歐美最新一代氣象衞星水平，實現了從二維遙感成像到三維綜合大氣探測，從單一光學探測到全波段寬波譜探測，從千米級觀測提高到百米級觀測，從國內組網接收到全球組網接收的多項跨越。風雲三號衞星在監測大範圍自然災害和生態環境，研究全球環境變化、氣候變化規律和減災防災等方面發揮了重要作用；同時也可為航空、航海等部門提供全球氣象信息。世界氣象組織已將其納入新一代世界極地軌道氣象衞星網。
風雲三號衞星是我國第二代極地軌道氣象衞星，可在全球範圍內實施全天候、多光譜、三維、定量探測，主要為中期數值天氣預報提供氣象參數，並監測大範圍自然災害和生態環境，同時為研究全球環境變化、探索全球氣候變化規律、航空航海提供氣象信息。
第二代地球靜止軌道氣象衞星
風雲四號A星使用全新研製的SAST5000平台，設計壽命7年。它具備對地“多光譜二維成像+高光譜三維探測+超窄帶閃電探測”的氣象要素實時綜合觀測能力，同時具備對空間粒子、輻射和磁場等空間天氣的觀測能力。多通道掃描成像輻射計可15min獲取一幅14波段地球圓盤圖像，可見光空間分辨率最高為500m，紅外空間分辨率為2～4km；紅外最高靈敏度0.1K，定標精度優於1K，達到國際同類型載荷先進水平。干涉式大氣垂直探測儀採用邁克爾遜干涉儀，實現1650個通道的紅外輻射探測，全球首次從地球靜止軌道獲取高頻次的大氣温度和濕度垂直分佈信息，在軌實測光譜分辨率0.625cm-1，輻射定標精度優於1.5K，光譜定標精度優於10×10-6。閃電成像儀可以以500幀/秒高頻次獲取閃電探測數據，實時星上開展閃電事件探測，與地基觀測數據比對，實現對雷暴系統的實時、連續監測和跟蹤。輻射計、探測儀、閃電儀在軌實現聯合觀測強對流聚集伴隨明顯的天氣事件，輻射計觀測到的強對流雲細微結構和紋理特徵，與閃電事件、探測儀晴空區域感測數據聯合，對區域性災害天氣提前預警，提高強對流天氣、災害天氣的預報精度具有重要價值。風雲四號A星綜合探測能力達到國際先進部分領先水平。
風雲四號A星投入使用後，我國更加精確地開展了天氣監測與預報預警、數值預報、氣候監測。衞星裝載的閃電成像儀1s能拍500張閃電圖，探測區域範圍內的閃電頻次和強度，在國內首次提供閃電預警。輻射計每3min對台風區域進行觀測，彌補了在軌衞星雲圖時間分辨率不高的缺點，對災害及環境監測、人工影響天氣、空間天氣研究等提供了有力支撐。
2021年6月3日，我國成功發射風雲四號B星，風雲四號A、B兩顆衞星實現了更為靈活的雙星組網觀測，帶來高頻次天氣觀測能力的躍升。風雲四號B星在國際上首次實現了地球靜止軌道250m空間分辨率、中小尺度（2000km×2000km）1min頻次觀測，為強對流天氣監測、重大活動氣象保障提供了高頻次、高清晰度的觀測數據。人們看到風雲四號B星雲圖後都不禁感嘆道：“地球從未如此清晰。”
縱觀國際，風雲四號衞星帶領中國高軌氣象衞星趕超歐美，搶佔國際制高點，在世界上首次實現了地球靜止軌道的大氣垂直探測，大幅提高了天氣預報準確率和精細化水平，同時其圖像定位精度達到了國際一流水平。
作者簡介
董瑤海
上海航天技術研究院科技委常委、型號總設計師，主要從事氣象衞星的研製與發展戰略研究工作。歷任我國風雲三號、風雲四號氣象衞星總設計師，主持第二代極軌氣象衞星和地球靜止軌道氣象衞星的研製工作。“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，首屆上海青年科技英才。獲國家科技進步獎一等獎1項、二等獎1項，省部級獎勵及榮譽7項。
陳文強
上海航天技術研究院科技委型號總指揮，主要從事氣象衞星的研製和項目管理工作。歷任我國風雲二號氣象衞星副總指揮、風雲四號氣象衞星總指揮，完成多顆風雲二號氣象衞星以及風雲四號A、B氣象衞星的研製、發射任務。獲國家科技進步獎一等獎1項，省部級獎勵及榮譽1項。
楊軍
中國氣象局工程辦公室主任、工程總師，風雲氣象衞星工程常務副總指揮，衞星氣象學委員會主任委員長期從事風雲氣象衞星及應用發展研究。國家“百千萬人才工程”人選。獲國家科技進步獎一等獎1項、二等獎1項，省部級獎勵及榮譽8項。
本文經授權節選自《星耀中國：我們的風雲氣象衞星》（人民郵電出版社，2022年8月版）第四章《氣象衞星的“前世今生”》。
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