风云四号:我是最牛“地球摄影师” 气象卫星风云四号如何给地球拍高清“写真”?研发团队给您揭秘

▲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

　　●和上一代相比,“风云四号”卫星大气温度和湿度观测能力提高了上千倍,整星观测数据量提高了160倍
　　●从太空中,“风云四号”卫星可以精准捕捉到地球上的地标,比如东方明珠、青海湖等
　　它每天24小时、需要2555天从不休假地在空中“执勤”。和上一代相比,它观测的时间分辨率提高了1倍,空间分辨率提高了6倍,大气温度和湿度观测能力提高了上千倍,整星观测数据量提高了160倍,观测产品数量提高了3倍。
　　无论地球云卷云舒,潮起潮落,它一直凝视,从未挪开过自己的眼睛,从未放下自己发酸的胳膊。
　　它是技术最高超、视角最广阔、成像最清晰、却也最孤单的地球“摄影师”。
　　它就是我国新一代静止轨道气象卫星的首发星“风云四号”。究竟这颗“史上最牛”的气象卫星是如何展现自己的最强男友力,为地球拍出高清“写真”的?它背后的设计师们,用三句歌词,向大家揭秘了它的内心世界,和航天人的星辰大海。

“眼里只有你没有他”

“1个像素”的最高精准指标

　　和其他卫星不同,气象卫星具有显著的特点,它好比是地球男友力最Max的“摄影师”。既要“体贴入微”,在太空中准确地判断地面的温度、湿度等,并给出精确的参数；又要“24小时在岗”,必须保证一年365天、每天24小时地运行,须臾不能“移情”。
　　而当中国宣布要在2016年前后发射新一代静止轨道气象卫星,并达到美欧同期卫星水平时,国际上曾有声音——这是不可能的事。其中一个不可能就是图像定位与配准技术难以攻克。
　　所谓图像定位与配准,就是专门解决静止轨道气象卫星图像存在偏移、错位和图像抖动问题的关键技术。目前这项技术国际上仅美国掌握,也是经过十几年研究,在多颗GOES系列卫星上持续改进,才逐步掌握的。
　　风云四号卫星总体团队从概念研究阶段就着手进行技术攻关,但一开始总是不得要领,从预研到立项,近10年的时间,团队先后调用了近10名博士持续研究。“有时,大家也感觉坚持不下去了。研制人员就来找我们诉苦,压力太大了,关键是看不到成果,看不到未来。”风云四号卫星总设计师董瑶海回忆道。
　　但牢骚过后,大家又默默的拾起自己的小情怀,接着钻进不见底的技术深渊。直至2009年,这支队伍才彻底把图像定位与配准的问题整明白,确定了星上实时补偿的工程实现方案,把精度指标定在了国际最高的“1个像素”。
　　2015年图像定位与配准试验验证时,补偿后卫星定位误差在几个到几十个微弧,载荷对地成像定位误差从百公里左右缩小到了公里级。这意味着,从太空中,它可以精准捕捉到地球上的地标,比如东方明珠、青海湖等。

“在我的身边感觉到安稳”

防抖的高清地球写真

　　除了要看得准,想要拍出高清的地球写真,还需要“手不抖”。简单说,卫星在太空中运转,没有任何依靠,它搭载的设备的运转、太阳帆板的转动等等,都会给卫星姿态带来影响。而为了精确观测地球,风四搭载的观测仪器又要求提供一个十分严格的稳定运行的环境,这样一对矛盾就需要设计师们去克服。
　　风云四号卫星因搭载高灵敏度的干涉式大气垂直探测仪,对外界振动环境提出了极为严苛的要求,就连试验现场有人走动都会致使图像质量大受影响。
　　从前,国内卫星并不提微振动技术,唯一上天验证过该技术的也只有美国。为此,团队陷入了两难境地。但毕竟是平地起高楼,要实现从无到有的突破,首先得明确微振动技术研究的内容和技术难点。大家遍查国内外与振动相关的资料,阅读了上千份相关文献。遗憾的是在浩瀚的文献中,可用的材料基本没有,唯有一些语焉不详的片段。
　　靠着这些线索,团队理清了微振动问题的主要内容和技术难点,逐渐形成给载荷坐上超级“软沙发”的微振动隔振系统设计方案。理论设计都很好,但无数次试验隔振性能始终达不到要求。直到一次试验中,电话铃偶然响起,传感器幅值迅速升高,大家才意识到,试验结果被周围的环境噪声淹没了,一定要在完全安静的情况下才能完成。
　　为了不影响研制进度,微振动研制团队将试验时间都选择在半夜,清场、关闭空调、拔掉电话线,在静得让人发慌发困的绝对安静环境中几小时几个小时的不停试验,甚至不敢随意走动,生怕自己一不小心成为意外的微振动源头,影响测试数据。

“总想飞奔到你身边”

信息传输的高速公路

　　风云四号卫星在国内卫星首次应用spacewire高速星载信息网络,实现多载荷数据高速路由传输,相当于把裁剪后的地面因特网搬到了天上,提高数据传输的效率,也增强后续卫星系列化发展卫星平台的通用性与拓展性。
　　第一个吃螃蟹,碰到问题是难免的。临近出厂不到两个月的时候,风云四号卫星真空热试验期间开展了星地数据传输对接试验,在地面模拟卫星在轨业务工作流程,发现数据偶有丢包。
　　“在这样的节骨眼出现问题,大伙都慌了。为什么会出现问题?怎么解决问题?”总体主任设计师金历群当即组织相关人员讨论,并搭建试验平台进行故障复现。经过三天三夜连续奋战,路况监视和数据分析显示,是一个载荷软件中出现了BUG,导致载荷数据发送出现了超速。
　　“就好比高速公路限速120公里每小时,但有人超速行使到200公里每小时,就易导致事故,造成了交通堵塞。”星载网络技术负责人王震解释。
　　目前,风云四号卫星的数据传输“高速公路”投入运行后,RVTP协议标准路况监视显示,网络传输状态良好。在这三个多月的时间里,还进行了网络路由切换,相当于高速公路分流作业,实现载荷数据顺利“变道”。
　　1970年4月24日21时35分,作为中国发射的第一颗人造地球卫星,“东方红一号”唱着歌离开地球,在太空中工作了28天,最终停止了发射信号,与地面永远失去了联系。到现在47年过去,它仍孤独地、倔强地在太空中飞行,永远无法到达终点,却也不会放弃前行。
　　风四背后的这群航天人,和他们研制的卫星一样,选择了起航,就未给自己标注终点。
　　（本文来源：新华每日电讯13版）

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