中国航天2001年第5期 【中国报道】
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中 国 气 象 卫 星 的 进 展

=========== 上海航天技术研究院风云一号气象卫星总师 孟执中 风云二号气象卫星总师 李 卿 ==========

  气象卫星具有显著的社会和经济效益。一颗极轨气象卫星每天可对全球进行两次气象观测,可获取全球气象资料;一颗静止气象卫星可对全球近四分之一的地区连续进行气象观测30分钟或在更短时间内获取一幅全景圆盘图,实时将资料送回地面。气象卫星除对天气预报和气候预测有重要作用外,在自然灾害和地球环境监测以及海洋、航空、航海和农业、渔业等方面都有着广泛应用,成为应用卫星中最重要的多用途卫星。因此,越来越多的国家投资发展气象卫星,几乎所有的国家和地区都应用气象卫星的资料及其产品。
  目前,我国极轨和静止两种气象卫星的发展已初步取得进展,继美国、前苏联、欧空局、日本之后,是第5个自行研制和发射静止气象卫星的国家;继美国和前苏联之后,是第3个自行研制和发射极轨气象卫星的国家。

  一、国外气象卫星的发展状况

  气象卫星经历了逐步发展和日趋成熟的过程。从20世纪60年代初到1978年前后近20年时间,是气象卫星初期技术发展、试验和试用阶段,这一时期主要是美国和前苏联大量发射气象卫星,在空间遥感技术、图像资料处理与应用等方面做了大量研究和试验,卫星的性能得到不断改进和提高。
  从1978年到90年代中期,气象卫星性能不断提高,取得了稳步发展,建立了由5颗静止气象卫星和2颗极轨气象卫星组成的全球观测网,美国、日本、欧空局和中国等建立了由大型计算机构成的地面资料接收处理系统;全球100多个国家建立了各种不同规模的气象卫星数据接收利用站。气象卫星和地面资料接收处理系统与地面资料接收利用站一起组成全球业务应用系统,日夜不停地监视着全球大气和环境的变化。气象卫星在天气预报,特别是在灾害性天气预报中发挥了巨大作用;大气探测资料已在数值预报中得到应用;气象卫星的应用领域扩大到包括气候和全球环境变化研究等许多方面。
  从90年代中期到 2000年前后,气象卫星进入比较成熟的业务应用阶段,在全球、全天候、多光谱、高分辨率、高精度定量遥感和数据反演技术等方面取得了新的进展,可实现对地综合观测。
  美国是最早研制和发射气象卫星的国家。1998年5月发射的第5代极轨气象卫星诺阿-15是经过20年建设和发展后的新一代气象卫星,标志着极轨业务气象卫星技术已经成熟。诺阿-15的遥感器在诺阿-14的基础上有较大幅度更新。这一系列共5颗星,装载先进甚高分辨率辐射计(AVHRR)以及由先进微波探测器(AMSU)和高分辨率红外辐射探测器(HIRS)-3组成的业务垂直探测器。在轨道上同时运行两颗星,一颗上午星,一颗下午星,每天可对全球进行4次观测,可获取全球全天候卫星遥感资料。计划发展的第6代极轨业务环境气象卫星系统,将原来的诺阿极轨业务环境卫星系统与国防气象卫星系统合并,使卫星遥感资料能同时满足军用与民用的要求,达到一星多用的目的。
  1994年4月,美国发射了新一代三轴稳定静止气象卫星的第1颗星GOES-8。该系列已发射3颗,还将发射5颗,携带可同时单独工作的成像仪和大气垂直探测器。三轴稳定卫星改变了自旋卫星每旋转一圈只对地球扫描一行的工作方式,始终不断地监视着地球,大大提高了图像质量、观测效率和时间分辨率,可获得有关云的形成更加详细的资料,对监测中小尺度,特别是短时间、小尺度天气系统十分有利。
  预计今后10年,美国气象卫星系统将会有更大发展,欧洲气象卫星组织、日本和印度的静止气象卫星,在遥感器性能、探测通道空间和时间分辨率等方面都将有许多改进和提高。全球静止气象卫星、极轨气象卫星和资源卫星与其它对地观测卫星一起,将组成功能强大的全球对地观测网,人类将迎来卫星对地遥感新的发展时期。

  二、我国极轨和静止两种气象卫星并行发展互相补充的发展态势

  极轨和静止气象卫星是两种不同观测特性的卫星。中期数值天气预报、气候演变预测和全球生态环境变化,包括大气成分的变化和军事上所需的资料等,主要从极轨气象卫星获得;静止气象卫星则对灾害性天气系统,包括台风、暴雨和植被生态动态突变的实时连续观测具有突出能力。两种气象卫星的观测功能是不能相互替代的。
  我国气象卫星的观测任务,要求实时准确监测不同时空尺度的天气系统、气候过程和全球变化,需要同时发展极轨和静止两种气象卫星,使其互相补充,以获取完整的大气遥感资料。风云一号极轨和风云二号静止气象卫星的研制已取得了成效。风云一号先后成功发射了两颗试验星,完成了各项试验任务;第3颗星已进入业务应用,并被世界气象组织列入全球气象业务应用卫星行列。风云二号也发射了两颗试验星,第2颗星已进入业务试运行,美国已将其列入全球静止气象卫星观测网。风云一号和风云二号卫星的研制和在轨运行,为建成我国由极轨和静止两种气象卫星组成的气象卫星业务监测系统打下了良好的基础。
表1 风云一号3颗星轨道参数比较表
卫星ABC
发射时间1988.9.71990.9.31999.5.10
轨道太阳同步太阳同步太阳同步
轨道高度(km)901901863
轨道周期(min)102.86102.86102.30
轨道倾角(°)99.098.998.79
偏心率<0.005<0.005<0.00188
降交点时间03:3007:5008:34~09:30
  1.风云一号极轨气象卫星的发展状况
  风云一号卫星于1977年形成总体初步方案,全面开展研制工作。1985年10月,风云一号卫星工程被列入“七五”期间卫星型号发展的重点项目。
  1988年9月和1990年9月先后发射的A、B两颗试验星,验证了卫星方案和采用的多项新技术。星载五通道可见光和红外扫描辐射计的性能和卫星的主要功能,与美国第3代极轨气象卫星相当,接近业务应用水平。卫星可见光通道图像质量良好,信噪比高于设计要求。A星发现水汽对红外探测器造成污染,卫星正常运行39天,因姿控分系统失控而失效,没有达到预定的工作寿命要求。B星主要性能与A星一样,但质量有较大提高。由于采取防污染设计和防污染技术措施,红外图像质量良好,获得了实际应用效果。卫星正常运行165天后,由于星载计算机突发故障造成姿态失控,后经抢救恢复正常工作。但星载计算机受到空间环境的影响造成姿态失控,卫星断续工作,没有达到设计寿命要求。
  1999年5月发射的C星,由于采取了一系列有效的技术措施,产品质量、空间环境影响的适应性和系统可靠性都得到较大提高,已稳定工作近2年。目前,卫星运行正常,全天连续不断地向地面发送高清晰度的图像资料。
  风云一号卫星采用太阳同步轨道。C星轨道高度863千米,轨道倾角98.79度,重950千克,外形为1.42米×1.42米×1.2米的六面体,沿飞行方向星体两侧各对称安装4块可伸展的太阳电池翼板,伸展后总长度为10.556米。卫星有效载荷有10通道可见光和红外扫描辐射计、空间粒子探测器、图像传输和数据收集与转发分系统,其它为服务分系统。卫星三轴稳定姿控分系统采用偏置动量轮加磁进动、章动控制和磁平稳卸载方案,3台红外地平仪完成姿态测量,1750A星载计算机完成姿态控制器任务。卫星主要任务是获取地面和大气层可见光与红外辐射资料,向世界各地和国内接收站实时发送数字量云图资料;记录全球或全球任一区域延时图像资料,向国内接收站回放;监测全球环境。
  C星的性能有较大的改进与提高:
  (1)提高了卫星观测能力
  C星的近圆轨道设计为上午轨道,降交点时间为8:34~9:30,轨道偏心率小于0.00188(A、B星小于0.005),以利于卫星对地观测和地面数据处理(见表1)。
  1)增加扫描辐射计的观测通道
  C星携带两台互为备份的10通道可见光与红外扫描辐射计,观测通道已由A、B星的5通道增加到10通道,其中7个为可见光通道,3个为红外通道。观测波段与应用见表2。
  2)提高卫星数据量化精度
  C星数据量化的位数由A、B星的8比特增大到10比特,与诺阿卫星相同,提高了数据的应用价值。
  以上两项卫星性能的改进,大大提高了对陆地与海洋的观测能力,拓宽了我国极地气象卫星的应用领域。
  (2)延时云图记录存储容量由60分钟增加到300分钟,能获取全球覆盖资料
  A、B星记录的为60分钟的模拟量信号。C星增加到300分钟的数字量信号,可以记录4个设定通道(1,2,4,5)、4千米分辨率的均匀化延时全球图像资料,存储容量为300分钟,当卫星过境时回放,每天可以获得一次全球覆盖资料;或记录10个通道、1.1千米分辨率的全球任一区域的延时图像资料,存储容量为20分钟,当卫星过境时回放,可获得全球任意地区的云图资料。
表2 风云一号C星10通道可见光和红外扫描辐射计观测波段与应用表
通道波长(mm)信噪比(括号内为实测值)应用范围
10.58~0.68≥3(14.6)白天云、冰雪、植被
20.84~0.89≥3(18.4)白天云、植被、水陆区界、大气状况、冰雪
33.55~3.93温度探测灵敏度≤0.8K(0.25K)昼夜图像、高温热源、地表温度、森林火灾
410.3~11.3温度探测灵敏度≤0.45K(0.20K)昼夜图像、海表和地面温度
511.5~12.5温度探测灵敏度≤0.45K(0.27K)昼夜图像、海表和地面温度
61.58~1.64≥3(4.5)白天图像、云雪判识、干旱监测、云相区分
70.43~0.48≥3(22.2)低浓度叶绿素(大洋水体)
80.48~0.53≥3(26.2)中浓度叶绿素、泥沙、海水衰减系数、海冰
90.53~0.58≥3(24.8)高浓度叶绿素(近海水体)、海流、水团
100.900~0.905≥3(16.2)水汽
  (3)提高数据传输速率,向世界各地提供图像资料
  C星具有高分辨率实时图像传输和延时图像传输两种方式。C星运行过程中,实时向当地发送10通道、星下点分辨率1.1千米的高分辨率图像数据。数据格式与诺阿卫星的高分辨率图像传输格式相同,但传输速率是诺阿卫星的2倍。世界各地任何可以接收诺阿卫星高分辨率图像的接收设备,只要作较小的更新,就可接收风云一号C星的资料。为此,C星可以向世界各地提供图像资料,以满足需求。
  (4)设计寿命、产品质量和可靠性有较大提高
  C星除个别器件外,所有单机都是国内自主研制生产的。根据姿控分系统和星载计算机出现的故障和问题,研制时把重点放在提高姿控分系统和星载计算机可靠性上。首先,对产品元器件质量严格把关,国产元器件全部选用特别加严的产品,并实施下厂监制和验收制度。装星前,对全部元器件进行二次筛选和破坏性物理分析,证实合格后方可使用。在选择国外元器件时,挑选那些质量等级高、抗辐射能力强的器件。
  C星对单机采用了充分的热设计、降额设计和抗辐射设计等技术。除按技术规范进行所有地面试验外,还增加冷热循环冲击和随机振动等应力筛选试验,剔除早期失效的零部件。部分单机和大规模集成电路还进行抗单粒子翻转、抗闩锁以及辐射总剂量试验。为了能适应恶劣的空间环境,特别是能经受住重粒子对器件的影响,星载计算机CPU改用抗辐射能力强的芯片,在软件设计中采用容错技术,按照软件工程化管理的要求开展工作。
表3 风云二号B星S波段数传和云图广播
  转发器及数据收集转发器主要性能
及在轨测试结果
名称实测值指标
遥测EIRP(dBm)5347
原始云图EIRP(dBm)59.357.5±1
原始云图G/T(dB/K)-10.9-15.1
原始云图C/NO(dBHz)98.690.4
数据收集转发器EIRP(dBm)3119.8
数据收集转发器G/T(dB/K)-15.8-18
数据收集转发器通道数(路)133133
  冗余设计,是保证卫星长寿命工作的一项重要手段。C星的姿控和电源等关键分系统,都充分采用冗余设计,消除单点失效模式,保证任一部件或单机发生故障时,能够进行故障诊断,并重组系统,以确保完成工作任务。
  以上技术措施经在轨验证是有效的,产品质量和系统可靠性都得到较大提高。
  2.风云二号静止气象卫星的发展状况
  1986年3月,国务院正式批准风云二号卫星研制任务;1989年,国务院和中央军委批准研制任务书。风云二号气象卫星工程被列入我国国防科学技术“八五”计划八项重点任务之一。
  风云二号卫星采用双同心圆筒式结构,内筒为承力筒,外筒为上、下太阳电池壳,中间用腰带连接,外部敷贴太阳电池片,上太阳壳开有扫描辐射计光路窗口。发射重量1369千克,定点初期重量573千克,末期重量536千克。星体外形呈圆柱体,高1.606米,直径2.1米,星箭分离后,卫星最大高度4.376米,远地点发动机分离后卫星高度3.081米;柱体中间环形仪器板上、下两面安装仪器;辐射致冷器在卫星进入准同步轨道与远地点发动机分离后,对准冷空间,实现辐射致冷。
  风云二号卫星有效载荷有可见光、红外和水汽三通道扫描辐射计,S频段数传和云图广播转发器,UHF/S频段数据收集转发器和空间环境监测器,其它为服务分系统。该卫星采用双自旋稳定姿态控制方案,保证扫描辐射计光学望远镜对地扫描和卫星天线定向对准地面。卫星定点于东经105度赤道上空,处于我国中部区域,主要任务是获取可见光、红外云图和水汽分布图,收集和转发气象、海洋、水文等环境监测资料,转发数字展宽云图,广播天气图传真云图,监测空间环境。
表4 风云二号B星扫描辐射计主要性能指标及在轨测试结果
项目可见光水汽红外
波段(mm)0.5~1.056.3~7.610.5~12.5
通道数(个)4+4(备)1+1(备)l+l(备)
动态范围反射率α=0.5%~95%190~290k180~330K
星下点分辨率(km)1.25~1.445~5.755~5.75
S/N与 NEΔTα=2.5%,S/N≥6.5
α=95%,S/N≥43
NEΔT优于1K(260K)NEΔT优于 0.3K
量化等级及精度6±1LSB8±1LSB8±1LSB
数码速率(Mb/s)141414
辐冷工作温度(K)--95,夏至前后10095,夏至前后100
  风云二号第一颗试验卫星于1994年2月在发射场技术厂房测试时发生重大意外事故而停止发射。第二颗试验星,即A星,在安全性、可靠性和空间环境适应性方面作了较大改进,经过两年多的研制和试验,于1997年6月发射成功。卫星正常运行10个月后,因天线消旋系统出现故障,一直处于间断消旋工作方式。3年多来,虽然星上各分系统工作均正常,在对辐射致冷器末进行加热去污染的情况下,云图质量仍然良好,但应用受到很大影响。2000年6月发射了第三颗试验星,即B星,使A星上出现的天线消旋失锁故障和地影期间太阳对红外与水汽云图干扰等问题都得到了很好的解决。B星完成在轨测试之后,于2001年1月1日正式投入应用。B星有效载荷的主要性能和在轨测试结果见表3和表4。
  风云二号02批业务星计划已经确定,共3颗星,第一颗将于2003年发射。在 A、B星基础上,02批业务把10.5~12.5微米热红外窗口分裂为两个,增加3.5~4.0微米通道,性能将进一步提高,与美国GOES-8和日本多用途运输星(MTSAT)探测通道相同。
  扫描辐射计主要性能见表5。

  三、风云一号卫星的业务应用与技术特点

表5 风云二号02批业务卫星扫描辐射计主要技术性能
--可见光红外1红外2红外3水汽
波段(mm)0.55~0.90(0.50~0.75)10.3~11.311.5~12.53.5~4.06.3~7.6
瞬时视场角(mr)35140140140140
动态范围反射率α=0%~98%180~330K180~330K180~330K180~290K
扫描行数100002500250025002500
S/N与NEΔT(K)S/N≥1.5(α=0.5%)
S/N≥50(α=95%)
0.4~0.2
(300K)
0.4~0.2
(300K)
0.5~0.3
(300K)
0.6~0.5
(300K)
量化等级(bit)61010108
辐冷温度(K)--93,夏至
前后98
93,夏至
前后98
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  风云一号卫星的发展已走过20多年的历程。该项目投资少,发射数量也少,但卫星技术起点高,总体设计方案采用先进技术,发展与国外体制兼容,能与国外气象卫星组成统一的观测网,向世界各地发送气象资料,并为其所接收,实现气象资源共享。
  我国应用卫星从20世纪80年代的试验阶段,逐步发展到在90年代进入应用阶段。由于多方面的原因,三轴稳定应用卫星仍未很好解决在轨长期稳定运行问题,未能达到预定的工作寿命要求,严重影响了卫星的应用。因此,实现业务应用卫星的高可靠和长期稳定运行,一直是我们追求的目标。通过艰苦的努力,吸取失败的教训,风云一号卫星已初步实现这一目标,我国极轨气象卫星已进入业务应用阶段,提供业务应用。
  1.C星已正式投入业务应用
  风云一号C星自1999年8月交付,9月1日正式转入业务运行以来,已全天连续稳定运行一年半以上,每天两次向世界各地气象卫星地面接收站实时发送10通道、星下点分辨率1.1千米的高分辨率数字量云图资料;每天两次经北京、广州和乌鲁木齐3个地面站接收,向气象部门提供我国境内及周边地区实时的10通道气象观测资料;每天提供一次设定的4个通道、3.1千米分辨率的延时全球覆盖图像资料;或提供10通道、1.1千米分辨率全球任一选定地区的区域延时图像资料。我国为数众多的省市级地方气象卫星接收站,也直接接收和使用C星的云图资料,开展多方面的气象分析和环境监测业务应用。
  C星转入业务运行以来,国家卫星气象中心的数据处理中心已处理了大量的全球和区域卫星观测资料,制作气象产品,包括各种投影云图拼图和气象资料,如海表温度、云顶覆盖、海冰和陆地覆盖等,可定时自动对外发送,提供使用。对水灾、旱灾、森林火灾和雪灾以及农作物长势监测和估产的特定用户,可生成二次处理分析产品。这些经处理后形成的图像、陆表、海洋和大气四大产品资料,在天气分析与预报、气候预测研究、自然灾害与生态环境监测以及航空和航海等方面都具有重要的应用价值,拓宽了在国民经济多个行业中的应用。
  C星使全国范围的森林、草原的火情监测从原来每天4次增加到6次,提高了监测效率。新增加的1.6微米通道可提供更为准确的积雪和雪灾资料。新增加的海洋水色通道在海洋赤潮监测、海上石油污染分析和提高海洋捕捞能力等方面发挥了作用,并用于植被指数计算订正、沙尘暴和大雾等的监测研究。
  C星每天可获得一次全球定量观测资料,加强了我国对全球天气、气候和环境的监测能力。它使我国首次能够直接、独立地获取全球卫星定量观测资料。
  由于C星在轨运行的稳定性和获取数据的准确性,世界气象组织于2000年8月正式将风云一号C星列入世界业务极轨气象卫星的行列。这是我国第一颗列入世界气象业务应用系列的卫星,可为世界各国免费提供气象资料。去年9月,世界气象组织奥巴西秘书长在中国访问期间受到江泽民主席的接见。在上海访问期间,他在与徐匡迪市长会见时再次感谢中国政府利用卫星技术为全世界提供气象服务。欧洲气象卫星组织代表沃尔夫先生高度赞扬了风云一号C星为世界气象事业的发展作出的令人瞩目的贡献。
  目前,美国、欧洲和亚洲等多个国家都建立了兼容接收我国风云一号C星的数据接收系统和相应的数据处理与应用系统,我国极轨气象卫星正在为世界灾害监测、环境变化研究作出贡献。
  2.风云一号卫星的技术特点
  (1)极轨气象卫星平台的可靠性和稳定性获得突破
  风云一号卫星采用多项新技术,有的是国内首次使用的,获得了成功,并重点解决了三轴稳定极轨卫星长期工作稳定性和可靠性问题。通过艰苦的努力,已初步实现高可靠和长期稳定运行,进入业务应用阶段。
  1)卫星构形和太阳电池阵设计技术
  由于遥感器扫描视场、多种天线在同一平面上布局和星上定标等要求的限制,风云一号构型被设计成具有很大的对地面和太阳电池阵在星体两侧伸展、不对太阳定向跟踪的方案。经三次在轨验证,表明这种设计方案是成功的,太阳电池阵能在卫星入轨后几秒钟内实现一次解锁、伸展和到位锁定,为风云一号卫星实现高可靠和长期稳定工作迈出了关键的第一步。20世纪70年代末国内卫星尚未使用大面积折叠式太阳电池阵设计方案,风云一号卫星是首次使用。该卫星在研制中,解决了大面积刚性多层折叠式太阳电池阵及其展开机构等多项关键技术。
  2)长寿命高可靠姿态控制系统的研制和经验
  风云一号卫星采用三轴稳定对地定向姿控系统,尽管指向精度要求不高(约0.3度),但由于要求卫星连续不间断地获取全球资料,获取资料的可用率要求大于97.5%,因此对姿控系统的可靠性和稳定性提出了较高要求,以保持长期和连续稳定的卫星姿态。
  A、B星在轨验证说明所采用的姿控方案是正确的,具有较强的控制能力。但由于个别仪器工作不正常,导致姿态失控。
  A星采用固体润滑轴承的反作用飞轮方案;B星采用反作用飞轮为主,偏置动量轮为备份的方案,两者都用磁控卸载。这是我国卫星首次采用飞轮姿控方案。偏置动量轮方案中,磁力矩还用于卫星的进动控制和章动阻尼。这种方案在国内外卫星三轴稳定姿态控制中还未采用过,有其特色。C星采用偏置动量轮控制方案,包括全方位姿态重新获取、故障自主识别和系统重构等,中央控制器改用1750A星载计算机。由于采用磁控进动、章动控制和磁平稳卸载,偏置动量轮的工作转速始终保持在中心动量附近平稳运行,携带的氮气自卫星建立起稳定姿态后从未动用,高压气瓶仍保持卫星发射时的压力,工作寿命不再受携带气源量的限制,很好地解决了姿控系统可靠性和长期工作稳定性问题。
  风云一号是我国三轴稳定卫星连续稳定运行时间较长的一种应用卫星,经过三次在轨试验验证,已趋于成熟,经过适当改进,可以作为中小型的三轴稳定极轨卫星公用平台。
  (2)气象遥感器技术已达到国际先进水平
  在A星5通道可见光和红外扫描辐射计开始研制时,便注意到与诺阿卫星同类气象遥感器的兼容性,在工作体制、信息传输频道和信息格式编排等方面,尽可能与诺阿卫星相一致,技术性能也尽量接近。
  C星装载的10通道可见光和红外扫描辐射计,除包括诺阿-15的6个通道外,还具有美国海洋卫星海洋水色扫描仪相近的通道,并增加区分云、雪的1.6微米通道。
  C星可连续发送10个通道的图像资料,而诺阿-15设计6个通道,其中2个通道交替工作,只发送5个通道的图像资料。C星具有同时获取10通道图像资料的能力,图像质量良好,这是目前世界上气象卫星观测通道最多的成像观测仪器,也是诺阿-15的AVHRR仪器和海洋卫星的海洋宽视场遥感器无法相比的。
  C星获取全球资料的地面分辨率达到3千米,而诺阿卫星AVHRR仪器的全球观测资料的星下点分辨率为4千米,当向两侧扫描时,分辨率则迅速下降,边缘分辨率约为20千米。由此可见,C星获取气象资料的能力和获取全球资料的空间分辨率均优于诺阿卫星,具有中国自己的特色,在技术上已达到国际先进水平。
  5通道和10通道可见光和红外扫描辐射计,是风云一号A、B星和C星唯一装载的气象遥感器。由于没有装载大气垂直探测器,主要是红外分光计和微波辐射计,所以只能进行二维平面成像,不能进行三维定量遥感,也无法实现全天候遥感,这是风云一号与诺阿卫星的主要差距。但5通道或10通道可见光和扫描辐射计具有很高的探测能力,是极轨气象卫星最重要和最基本的遥感仪器,是获取用于天气预报和环境监测所需资料的主要手段,也是向全国各地乃至世界各地中小用户提供气象资料的主要来源。已研制的红外分光计和微波辐射计样机,性能相当于诺阿卫星的同类仪器,将装载在我国第二代极轨气象卫星风云三号上,以满足三维和全天候探测要求。
  (3)卫星图像资料记录器的新进展
  风云一号A、B星采用大容量图像记录磁带机,获得了很高质量的回放云图,可记录图像资料60分钟,记录频带0~1.6kHz,记录比1:4。
  C星要求全球记录,存储容量为300分钟,录放比1:15。在研制转动磁头磁带机遇到困难时,除加大磁带机研制力度外,提出研制两种不同类型器件的大容量固态存储器。在固态存储器研制中,解决了真空条件下散热、抗辐射总剂量和抗空间带电粒子引起的单粒子效应等问题。经过努力,研制成功了由FLASH和DRAM存储器件组成的固态存储器,存储容量为2Gb,存储码速率1.33Mb/s(录放比1:1)、 88.72kb/s(录放比1:15),误码率10-9~10-10。
  固态存储器首次使用在C星上,已成功获取全球资料。两种固态存储器性能稳定,连续工作超过一年半,为我国卫星图像和数据记录?倭诵碌耐揪丁?
  (4)气象卫星防污染技术和措施取得经验
  风云一号A星在辐射致冷器加温除汽后,开启保护罩不到3天,出现红外通道信号迅速衰减的问题,使图像无法使用,造成通道完全报废。经分析和模拟试验,发现红外通道遭受了卫星本身污染物的污染,主要是水汽的污染。
  在B和C星研制中,针对红外通道受污染的原因、途径和机理,进行了严格的防污染设计,采取了一系列地面环境防护措施。风云二号也相应进行了严格的防污染设计并采取了地面环境保护措施,取得了明显的效果。

  四、风云二号静止气象卫星的应用效果和技术特点

  1.风云二号卫星取得良好的应用效果
  风云二号卫星可连续对我国及其周边地区的天气变化进行实时监测,能较大地提高对影响我国各种尺度天气系统的监测能力,获得的云图资料可填补我国西部和西亚、印度洋上的大范围气象资料的空白,是对国际气象合作,特别是对亚太地区灾害性天气监测作出的贡献。
  风云二号A星在轨试验和B星在轨运行,证明了卫星的技术性能能够满足使用要求。该星在准确预报台风登陆,减少经济损失;长江三峡截流气象保障;长江流域异常天气预报;大规模军事演习气象保障以及观测来自孟加拉湾的暖湿气流和为大型体育盛会提供气象保障等方面,取得了应用效果。
  2.风云二号卫星的技术特点
  风云二号卫星瞄准20世纪90年代正在运行和提供使用的日本静地气象卫星(GMS)卫星和欧空局M气象卫星采用的设计技术,继承了我国成熟的空间技术,同时采用多项我国卫星首次使用的新技术。它对国内成熟技术加以改进利用和移植,进行星地一体化设计,达到了90年代初期国外同类气象卫星的主要性能,技术水平与其相当。风云二号卫星具有以下技术特点:
  (1)自旋稳定地球同步遥感卫星的构型与结构设计
  风云二号在东方红二号甲卫星的基础上,解决了安装扫描辐射计光机和辐射致冷器的布局构型问题。卫星仪器板首次采用预埋热管的铝蜂窝夹芯技术,同时采用碳纤维材料的筒体和撑杆,减轻卫星结构重量。
  为满足扫描辐射计的布局要求,设计上使卫星在远地点发动机分离前为细长体。卫星定点后每分钟转速为100转,比东二甲每分钟40~60转快得多。通过整星模态分析找出了薄弱环节,采用提高部件刚度和纵向构件的连续刚度及缩短结构传力路线等办法,较好地解决了细长体卫星的力学性能和横向一阶频率的提高问题。
  (2)卫星双自旋稳定姿控方案的改进和新技术的应用
  风云二号卫星采用机械消旋双自旋稳定姿态控制方案,解决了由于扫描机构运动和机械消旋天线运动对姿态的影响,使姿态短期稳定度达到2×10-4度/秒。针对卫星在过渡轨道段为细长体的不稳定自旋状态,星上具有自主章动控制功能,并首次采用在轨动平衡调整技术。这些技术保证了高质量的卫星云图。
  (3)国内最大光学口径多通道扫描辐射计的应用获得成功,达到20世纪90年代国外同类产品的先进水平
  风云二号卫星可见光、红外和水汽三通道扫描辐射计,是一种精密的光机扫描成像系统,具有大光学口径、高分辨率、高精度和高可靠性等特点,涉及光、机、电、热以及红外探测、辐射致冷和薄膜光学等多项技术。中科院上海技物所经过不懈努力,研制成功了相当于国外20世纪90年代先进水平的气象遥感器,为我国气象卫星的发展作出了贡献。
  (4)数传、云图广播、数据收集与业务测控功能
  风云二号卫星多功能S频段数传和云图广播转发器工作点频多,具有数传、云图广播、业务测控和测距功能。原始云图的发送、展宽云图和低分辨率云图转发广播共用固体合成功放,分时工作。高隔离度快速功能转换开关通过星地一体化设计,实现了在卫星每旋转一圈600毫秒内,40毫秒传输原始云图,560毫秒转发经过处理后能应用的展宽云图。UHF/S频段交连的数据收集转发器有133个通道,允许地面5000个数据收集平台分时分频工作。
  (5)远地点发动机与卫星分离技术
  远地点发动机点火结束后,在准同步高度与卫星分离,使卫星处于稳定自旋状态,同时使辐射致冷器开口面在防污染罩抛弃后对着冷空间。研制中解决了防冷焊分离、分离面受温度影响以及分离装置动作时序等技术问题。两次轨道试验均获得满意结果。
  风云二号卫星定点后,卫星图像获取系统、无线信道和业务测控、全母线调节电源稳压技术等都获得了成功,达到了星地一体化设计的目的。

  五、我国新一代气象卫星的发展计划和任务要求

  风云一号01批发射两颗试验星,02批按计划研制两颗业务星,已发射C星,第二颗 D星预定于 2001年夏季发射。
  风云二号01批已发射两颗试验星,第二颗星于2000年6月发射,已完成在轨测试,卫星运行正常。02批按计划研制3颗业务星,工作到2010年,由第二代静止气象卫星风云四号衔接。我国气象卫星发展的目标,是建立新一代风云三号极轨气象卫星和新一代风云四号静止气象卫星,最终建成长期稳定运行的气象卫星业务监测系统。
  1.第二代极轨气象卫星风云三号的发展
  (l)风云三号的任务要求
  风云三号卫星是我国第二代极轨气象卫星。90年代初期,国家气象局便开始研究与该卫星建造有关的工作。该项目1993年3月列入国家航天计划;1994年7月评审并确认了01批使用要求和上星探测仪器,开始进行总体方案可行性研究;1996年8月通过总体方案可行性研究报告,确认关键技术;1998年10月基本完成卫星关键技术预研攻关,确认具备条件进入工程研制;2000年9月经国务院批准正式立项研制。
  风云三号卫星将提供全球温、湿、压、云和辐射等参数,实现中期数值预报;监测大范围自然灾害和生态环境;探测地球物理参数,支持全球气候变化与环境变化规律研究;为航空、航海和军事等提供全球任意区域的气象信息。
  风云三号是我国气象卫星工程建设中一种重要的业务应用卫星,将实现全球、全天候、多光谱和三维定量遥感。它的建造具有重要的战略意义,可缩短与国外的差距,能较好地满足我国经济建设和国防建设的需要。
  (2)主要遥感器和卫星技术
  风云三号采用太阳电池阵定向跟踪控制和三轴稳定姿态控制等技术,装载可见光与红外扫描辐射计、红外分光计、微波辐射计、中分辨率成像光谱仪、微波成像仪、紫外臭氧探测器、地球辐射收支探测器、空间环境监测器以及数据收集系统等9种仪器。它可实现大气垂直探测,获取全球大气垂直探测资料;进行全球辐射收支和臭氧含量观测;携带微波遥感器,首次进行轨道试验,通过微波资料的应用,满足获取大气水汽含量和降水的需求。红外分光计和微波辐射计等仪器的性能,相当于当前诺阿卫星的同类仪器。
  2.第二代静止气象卫星风云四号的发展
  风云四号是中国气象局和总参气象局为军民用户共用的新一代静止气象卫星,将按照“军民综合应用”的原则进行设计,还要充分考虑海洋和农、林、水利以及环境、空间科学等领域的需求,实现综合利用。1999年11月,国家卫星气象中心召开了第二次风云四号使用要求专家研讨会,提出了风云四号的初步使用要求。它采用三轴稳定姿控方案,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。
  从国外第二代静止气象卫星发展的趋势看,重点是扩展探测谱段,加强三维探测,提高时间、地域和光谱分辨率,并增加新颖的探测仪器,以获取更多的信息。
  静止气象卫星采用三轴稳定控制方案的优点是很明显的,可大大提高卫星的观测效率,对有效载荷的发展也是有利的。由于对地观测有较长的驻留时间,可提高遥感器的探测灵敏度,改善地面分辨率,有利于增加观测通道,实现大气垂直探测。由于卫星始终对地定向,具有对地凝视功能,可实现小区域快速观测,增加观测的灵活性,为采用CCD相机和闪电成像仪提供条件,增强卫星的观测能力,也为装载微波辐射成像仪等仪器提供了可能性。
  但是,静止气象卫星采用三轴稳定控制方式,技术难度大,研制周期也长。美国从1975年就开始研究研制和试验三轴稳定静止气象卫星的问题,但直到1994年4月,才发射成功第一颗三轴稳定静止气象卫星GOES-8(即GOES-I),在研制和在轨运行中遇到不少问题,诸如遥感器扫描对卫星姿态的影响和图像畸变;图像的导航配准、运动补偿技术;由于卫星一面始终对着太阳,另一面始终背着太阳,卫星温度不均匀,引起扫描镜温度梯度过大以及光学遥感器光轴热变形对图像的影响等。特别是扫描镜温度梯度过大,是GOES-I卫星推迟发射的直接原因。
  根据我国卫星技术的发展状况,风云四号卫星如采用三轴稳定控制方式,GOES-I卫星研制和试验中出现的各种问题,都将不可避免地要遇到,如大尺寸小质量太阳帆的伸展、高稳定度姿态控制和柔性动力学等关键技术。二维扫描成像仪和大气垂直探测器的研制,同样要解决相应的技术关键。卫星构型要满足遥感器的安装与精度要求,图像的运动补偿和像元的配准补偿等也都应予以解决。
  根据我国卫星研制周期一般比较长的现实状况,如果风云四号采用三轴稳定控制方式,其研制周期可能较长。按照风云二号02批3颗业务星工作到2010年的计划安排,风云四号有可能赶不上与风云二号在轨衔接。因此,必须加快风云四号的预先研究和立项工作。美国研制GOES-I卫星用了15年时间。究其原因,美国专家认为是步子跨得过大。根据我国卫星发展的技术能力,可以逐步增加遥感器的种类和卫星的功能,最终使风云四号卫星达到或接近国外静止气象卫星的先进水平。外国同行专家也建议,星载仪器可以逐步发展,先搞三轴稳定加成像仪,取得成功后再增加垂直探测器。
  欧空局发展第二代欧洲气象卫星作了大量的研究和分析工作。欧空局从1987年开始制订新一代欧洲静止气象卫星计划,经过较长时间的调查和综合分析,鉴于垂直大气探测的应用还很不成熟,决定继续采用自旋稳定控制方案,只装一台高性能成像仪,扩展成像仪的功能。成像仪的时间分辨率和地面分辨率均优于GOES-8,共12个通道,其中2个通道用作垂直探测试验,据认为可以满足欧洲各国气象部门的需求。由于分析充分,缩短了卫星的研制周期,降低了成本,卫星的业务管理也相应简化。
  我国气象卫星历经20多年的建设,已经建立了极轨和静止两种气象卫星系列,包括相应的地面应用系统,并已取得初步成效,未来10年将迎来新的发展。由新一代极轨气象卫星和新一代静止气象卫星组成的气象卫星业务监测系统的建立和投入运营,不仅将为我国天气预报、气象科学和环境遥感科学研究提供重要工具,也将为国际气象卫星观测网提供一种重要的卫星系统,受到世界气象组织和世界各国的关注,在国际气象合作中发挥重要作用。我国气象卫星将对国民经济和国防建设以及全球气象观测作出重要贡献,成为我国社会效益和经济效益最显著的对地观测卫星系列之一。

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