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中科院三大載荷助力風云四號獲取首批圖像和數據

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風云四號A星多通道掃描成像輻射計第一幅彩色合成圖像(國家衛星氣象中心制圖)

風云四號A星多通道掃描成像輻射計第一套圖像(國家衛星氣象中心制圖)

2月27日,國防科工局和中國氣象局聯合發布了我國新一代靜止軌道氣象衛星風云四號獲取的首批圖像與數據。由中國科學院上海技術物理研究所研制的星上兩大光學載荷——多通道掃描成像輻射計和干涉式大氣垂直探測儀,以及由中國科學院國家空間科學中心研制的空間環境監測儀表現出色,發揮了重要作用。

此次發布的風云四號衛星首批影像圖和數據主要包括:多通道掃描成像輻射計獲取的圖像、干涉式大氣垂直探測儀獲取的大氣紅外輻射光譜、閃電成像儀獲取的閃電分布和強度信息、空間環境監測儀獲取的空間效應及粒子探測信息。經過對首批獲取的圖像和數據初步分析,圖像層次分明,云層和地表紋理豐富,風云四號衛星的主要探測功能得到全面驗證,綜合探測能力達到國際領先水平。

通過近二十年的努力,中科院上海技物所研發團隊先后破解了亞秒級指向精度的碳化硅雙掃描鏡二維掃描機構研制技術、高靈敏度面陣探測器技術、甚長波紅外探測技術等技術難題,填補了多項國內空白,實現了所有核心技術自主研發,完成了從基礎機理到核心元部件再到系統集成全創新鏈的自主可控研制,確保風云四號的兩只“超級慧眼”——多通道掃描成像輻射計和干涉式大氣垂直探測儀為純正的“中華牌”。這兩大紅外光學載荷充分利用衛星姿態的三軸穩定方式,成功搶占了地球靜止軌道氣象衛星在國際上競爭的制高點:高頻次觀測和高分辨率區域機動探測能力。

多通道掃描成像輻射計承擔獲取地球表面和大氣的多種光譜輻射信息,為天氣預報、氣候觀測提供觀測數據的重任。與第一代靜止軌道氣象衛星“風云二號”配置的掃描輻射計相比,它成功實現了技術的代際跨越,大幅提升了儀器性能。輻射計探測覆蓋了可見光至波長達13.8微米的甚長波紅外波段,光譜通道增加到14個;可見光通道最高空間分辨率由1.25公里提高到500米;每15分鐘即可對地球圓盤掃描成像一次,還新增了高速區域掃描功能,可以最快30秒獲取一張圖的速度,對一百萬平方公里(1000km×1000km)范圍進行的多光譜密集觀測。

干涉式大氣垂直探測儀是國際上首臺靜止軌道干涉式垂直探測儀,填補了人類在高軌三維精細遙感觀測領域的空白。這種利用傅立葉變換原理的探測儀來實現對大氣的垂直探測是遙感領域紅外光譜技術的一場革命,將引領人類對地遙感探測步入三維立體階段,為氣象觀測提供一種新的更可靠的手段。該探測儀在長波紅外和中波紅外波段可實現1500個以上細分光譜的探測,光譜分辨率達0.625波數,紅外波段空間分辨率達16公里,相當于給大氣做超過1500層的精細“立體CT”切片式探測。它為人類深入研究大氣對流,更精細預測災害性天氣提供了新的可能。這兩臺光學主載荷同時裝載在高軌氣象衛星上,在國際上率先實現高時效對地三維探測,對提高我國氣象衛星全球觀測能力具有劃時代的重要意義。

由中科院空間中心研制的空間環境監測儀包含了3臺高能粒子探測器以及磁強計、輻照劑量儀、充電電位探測器和環境遠置單元,共計7臺單機21件產品,是目前我國在氣象衛星上布局空間環境探測單機數量較多的型號。該系統的主要作用是監測空間環境狀況、記錄空間環境對衛星的影響、保障衛星在軌運行安全。空間環境監測儀具備三大功能,分別是粒子探測、磁場探測和效應探測。具體來說,高能粒子探測器可以實現對電子和質子的通量及能量探測;磁強計可以實現對地球同步軌道的磁場探測;效應探測主要指對空間環境輻射劑量以及衛星表面電位和絕對電位的探測。依靠這三大功能,科研人員可以準確獲取衛星軌道的空間環境信息,為空間天氣監測預警業務提供重要數據支撐。

風云四號衛星是我國靜止軌道氣象衛星從第一代(風云二號)向第二代跨越的首發星,于2016年12月11日在西昌衛星發射中心成功發射,經過5次機動變軌后,12月17日成功定點于東經99.5°赤道上空,并正式命名為風云四號A星。星上搭載多通道掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀、閃電成像儀和空間環境監測儀共4臺遙感儀器。風云四號衛星是我國航天科技自主創新的新成就,實現了多項重大技術突破。與第一代衛星觀測系統相比,觀測的時間分辨率提高了1倍,空間分辨率提高了6倍,大氣溫度和濕度觀測能力提高了上千倍,整星觀測數據量提高了160倍,觀測產品數量提高了3倍。目前,風云四號衛星已完成衛星平臺主要功能測試和主要載荷成像模式測試,衛星工作狀態良好。風云四號衛星與地面應用系統協調匹配、工作正常,標志著我國靜止軌道氣象衛星成功實現了升級換代。

目前,衛星在軌測試正按計劃有序開展,預計今年6至7月交付使用。此外同步組織力量在天氣預報、防災減災、應對氣候變化、資源開發、生態環境監測和空間天氣預警等領域開展應用攻關,積極推動在水利、農業、林業、環境、減災、海洋、能源和航空等行業的應用。同時,為“一帶一路”沿線國家提供高精度的氣象衛星資料,為共同構建防災減災體系提供支撐,在區域各國的經濟社會發展中發揮作用,體現我國對國際社會的重要貢獻,進一步提升我國航天事業和氣象事業的國際地位和影響力。

經過40多年的發展,我國氣象衛星及應用取得了舉世矚目的成就。迄今為止,我國已成功發射了15顆氣象衛星,其中8顆衛星在軌運行,實現了氣象衛星業務化和系列化,成為世界上少數幾個同時擁有極軌和靜止軌道氣象衛星的國家。

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責任編輯: 閆月

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