■搭載迄今為止我國最先進的靜止軌道輻射成像儀，在赤道上方約35800公里處，可獲得高時空分辨率成像資料；
■搭載世界首個靜止軌道干涉式紅外探測儀，1個小時就能完成一次對我國及周邊區(qū)域大氣的垂直探測；
■我國首次在衛(wèi)星上安裝靜止軌道閃電成像儀，可對我國及周邊區(qū)域的閃電頻次和強度進行探測；
■能夠?qū)Φ厍蛲杰壍赖膸щ娏Ｗ虞椛浜痛艌霏h(huán)境進行實時監(jiān)測；
■首次使用全新研制的SAST5000平臺，采用力矩補償技術(shù)、星地一體化圖像導(dǎo)航與配準技術(shù)和整星隔震系統(tǒng)，實現(xiàn)兩臺載荷同時工作，解決世界性難題。
嘉賓：“風(fēng)云四號”衛(wèi)星工程總師李卿
“風(fēng)云四號”A星地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮魏彩英
“風(fēng)云四號”A星地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師張志清
采訪人：中國氣象報記者盧健
12月11日凌晨，駕乘“長征三號乙”改進Ⅲ型運載火箭，“風(fēng)云四號”A星成功發(fā)射。這是一顆史上最先進的綜合大氣觀測衛(wèi)星，它的成功發(fā)射開啟了我國新一代靜止氣象衛(wèi)星的新時代。
在距離地球赤道上方35800公里的高空中，等候“風(fēng)云四號”A星的有幾位勞苦功高的“兄弟”——“風(fēng)云二號”F星、G星，還有幾位實力強大的“外國朋友”——美國GOES-R、日本“葵花8號”?！帮L(fēng)云四號”與它們一樣站在靜止軌道上，可謂自信滿滿：它能獲得高時空分辨率成像資料，進行大氣垂直探測，抓得住轉(zhuǎn)瞬即逝的閃電，還能探測空間磁場強度。
懷揣這幾樣絕技，未來，“風(fēng)云四號”系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)將在天氣監(jiān)測與預(yù)報、氣象防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對氣候變化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和空間天氣等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
太空“千里眼”：輻射成像儀
500米可見光最高分辨率，15分鐘完成東半球圓盤圖觀測
了解一顆衛(wèi)星，公眾對這樣的問題感興趣：它拍出來的圖片清晰嗎？能看清我們小區(qū)嗎？能看到我住的樓嗎？
作為一顆氣象衛(wèi)星，“風(fēng)云四號”系列衛(wèi)星最關(guān)心的拍攝對象并非是地表的建筑物，而是高空中無時無刻不處在運動狀態(tài)的大氣。但是，對“風(fēng)云四號”系列衛(wèi)星的評價同樣繞不開“清晰度”這個話題。
“風(fēng)云四號”A星的可見光最高分辨率是500米，和兩年多前發(fā)射的“風(fēng)云三號”C星的250米分辨率相比似乎優(yōu)勢并非十分明顯。但從太空來看這兩顆衛(wèi)星，就不難發(fā)現(xiàn)“風(fēng)云四號”A星真的擁有一雙“千里眼”。
氣象衛(wèi)星分太陽同步軌道衛(wèi)星和地球同步軌道衛(wèi)星兩種。
地球同步軌道衛(wèi)星，就是靜止衛(wèi)星，即相對于地球保持靜止。當衛(wèi)星軌道在赤道上方約35800公里時，衛(wèi)星繞地球運轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期一致，于是產(chǎn)生同步效應(yīng)?！帮L(fēng)云四號”A星就是一顆靜止軌道氣象衛(wèi)星。
太陽同步軌道衛(wèi)星距離地面的高度只有大約800公里，“風(fēng)云三號”系列衛(wèi)星便是其中的一員。35800公里和800公里，簡單對比就能發(fā)現(xiàn)，“風(fēng)云四號”距離地球表面的距離是“風(fēng)云三號”的40多倍，如果要得到同樣分辨的圖像，靜止軌道衛(wèi)星的難度可想而知。
“風(fēng)云四號”A星的500米可見光最高分辨率與今年11月19日美國發(fā)射的新一代靜止氣象衛(wèi)星GOES-R相當，而與我國第一代靜止氣象衛(wèi)星“風(fēng)云二號”的1.25公里可見光最高分辨率相比，有了5倍的提高；紅外通道的分辨率也從“風(fēng)云二號”的5公里提高到了2公里和4公里。
而這位讓“風(fēng)云四號”擁有更佳視力的功臣是“風(fēng)云四號”四大載荷之一——先進的靜止軌道輻射成像儀，它也是迄今為止我國靜止軌道最先進的成像儀。
從通道數(shù)來看，先進的靜止軌道輻射成像儀在“風(fēng)云二號”5通道的基礎(chǔ)上，增加到了14通道，包括可見光、近紅外和紅外通道。
除了能看得更清楚以外，“風(fēng)云四號”的反應(yīng)更敏捷，這與“風(fēng)云四號”的三軸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。
“風(fēng)云二號”采取的是類似陀螺旋轉(zhuǎn)的自旋穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，技術(shù)難度相對較小，但缺點顯而易見：在自轉(zhuǎn)過程中，從35800公里外觀測地球，只有一小部分時間可以掃描地球，其他大部分時間都在掃描太空。
而相較于自旋穩(wěn)定，三軸穩(wěn)定就像把相機放在三角架上，可以24小時“凝視”地球，完成1幅圓盤圖觀測圖由“風(fēng)云二號”需要的30分鐘縮短至15分鐘；還可以靈活地對想要觀測的區(qū)域進行高頻次連拍，針對東西、南北各1千公里的區(qū)域觀測時間僅需要1分鐘。在實際應(yīng)用中，這一性能相當“給力”，比如某個區(qū)域有突發(fā)天氣狀況，需要馬上獲取當?shù)卦茍D，“風(fēng)云四號”A星只要1分鐘就可以掃出一張區(qū)域圖像。
但如果姿態(tài)有一點點變化，獲取圖像時就會無可奈何地“差之千里”。所以，姿態(tài)控制對于靜止氣象衛(wèi)星來說非常關(guān)鍵。
大氣“CT機”：大氣垂直探測儀
對中國及周邊區(qū)域1小時完成一次垂直探測，具備現(xiàn)有探空系統(tǒng)3000倍的能力
大氣在空間分布上是三維的，其溫度、濕度和壓強又是隨時間變化的，大氣的運動和變化便是天氣現(xiàn)象的本質(zhì)，而天氣預(yù)報就以大氣觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。
大氣的水平運動就是我們通常所說的風(fēng)。實際上，除了水平運動之外，大氣還同時一刻不停地進行著垂直運動，即大氣的上升和下沉。當大氣垂直運動變化劇烈時，就會生成讓人談之色變的強對流天氣。摸清大氣的垂直運動的“脈搏”，就能及時預(yù)報強對流天氣的發(fā)生、發(fā)展。
獲取晴空大氣三維結(jié)構(gòu)和垂直運動信息的任務(wù)就交給了大氣垂直探測儀。
在衛(wèi)星上工作的垂直探測儀在投入應(yīng)用之前，有一個設(shè)備可以幫助我們獲得大氣溫度、濕度的垂直分布情況，就是全國一百多個探空站每天上下午定時施放的探空氣球。帶著無線電探空儀，探空氣球從地面緩緩上升至30千米至40千米的高空中，從而獲得不同高度的氣溫、氣壓、空氣濕度等氣象數(shù)據(jù)。
但探空氣球存在地域局限性，在沒有人的偏遠陸地和海洋就無法通過施放探空氣球來獲取探空資料。有了衛(wèi)星垂直探測技術(shù)以后，在理論上讓在世界任何地方收集大氣垂直資料成為可能。
此前，“風(fēng)云三號”系列衛(wèi)星已經(jīng)搭載了微波大氣溫濕度探測儀。雖然每顆極軌衛(wèi)星只能每天兩次經(jīng)過地球上同一地區(qū)，但是集合全世界多顆極軌氣象衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，就能提供全球每六小時一次的大氣垂直觀測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被同化進數(shù)值預(yù)報模式中，便可以進行全球數(shù)值天氣預(yù)報。
“風(fēng)云四號”A星搭載的是世界首個靜止軌道干涉式紅外探測儀。這個探測儀有1600多個探測通道，就像CT切片一樣，把晴空大氣在垂直方向上切層，獲得大氣垂直方向上的精細數(shù)據(jù)。重要的是，“風(fēng)云四號”A星與地球保持相對靜止，1個小時就能完成一次對我國及周邊區(qū)域大氣的垂直探測，相較于極軌衛(wèi)星多星組網(wǎng)探測頻次和探空站的12小時一次，在時間分辨率方面強勢勝出；同時，靜止軌道干涉式紅外探測儀的空間分辨率是16公里，大大優(yōu)于探空站200公里的平均間隔，具備現(xiàn)有探空系統(tǒng)3000倍的能力，對于亟待進一步提高的精細化預(yù)報來說無疑是雪中送炭。
靜止軌道干涉式紅外探測儀還有一個優(yōu)勢，就是通過探測晴空大氣，生成大氣不穩(wěn)定指數(shù)。在晴朗無云天氣時，該一起可以向預(yù)報員提示未來幾個小時內(nèi)哪些區(qū)域會發(fā)生強對流等極端天氣，特別像《西游記》里孫悟空的火眼金睛，能在青天白云下看到前方有“妖怪”出沒。
值得一提的是，像先進的靜止軌道輻射成像儀一樣，靜止軌道干涉式紅外探測儀完全為我國自主研制。在世界新一代靜止氣象衛(wèi)星中，“風(fēng)云四號”A星是首個搭載靜止軌道高光譜紅外探測儀的衛(wèi)星。
強對流“示蹤器”：閃電成像儀
“捕捉”轉(zhuǎn)瞬即逝的閃電，對強對流天氣實施監(jiān)測與跟蹤
閃電是發(fā)生在大氣中的一種瞬時放電現(xiàn)象，根據(jù)科學(xué)研究，其活動和暴雨、臺風(fēng)、冰雹等強對流天氣系統(tǒng)有著密切的關(guān)聯(lián)性。這些強對流天氣具有強度大、破壞力強、水平尺度小、生命史短等特點，長期以來，對強對流天氣的監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警一直是氣象工作中的難點。強對流天氣往往都伴隨著強烈而密集的閃電，因而閃電監(jiān)測也被人們稱作是強對流天氣的“示蹤器”。
鑒于閃電對強對流天氣獨特的指示作用，以及靜止衛(wèi)星觀測平臺突出的時空覆蓋優(yōu)勢，近年來，發(fā)展地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀，以實現(xiàn)對閃電和強對流天氣的實時、連續(xù)觀測，成為國際上閃電探測的一個重要發(fā)展課題。
“抓閃電”的想法很好，然而，閃電抓起來卻絕不那么簡單。一般來說，閃電持續(xù)時間很短，比人類眨眼的速度還快?！帮L(fēng)云四號”儀器團隊中抓閃電的高手就是靜止軌道閃電成像儀，這也是我國首次在衛(wèi)星上安裝。
閃電成像儀的主要作用是對閃電成像的觀測，獲取觀測覆蓋區(qū)范圍內(nèi)的閃電分布圖。該儀器可對我國及周邊區(qū)域的閃電頻次和強度進行探測。對閃電的實時、連續(xù)觀測數(shù)據(jù)與云圖疊加起來，就能實現(xiàn)對強對流天氣的監(jiān)測與跟蹤，進而形成閃電災(zāi)害預(yù)警。
空間“監(jiān)視器”：空間天氣儀器包
對地球同步軌道的帶電粒子輻射和磁場環(huán)境進行實時監(jiān)測
空間天氣儀器包，包括高能粒子探測器、三軸磁通門磁強計、衛(wèi)星輻照計量儀與充電電位測量儀。
高能粒子探測的目標是衛(wèi)星軌道上來自不同方向的高能質(zhì)子和高能電子的流量和能譜。磁場監(jiān)測的目標是衛(wèi)星軌道上的三維矢量空間磁場強度?？臻g天氣效應(yīng)監(jiān)測的目標是由空間帶電粒子輻射引起的衛(wèi)星表面充電（差異值和絕對值）、深層充電和輻射劑量等衛(wèi)星效應(yīng)。
“風(fēng)云四號”A星能夠?qū)Φ厍蛲杰壍赖膸щ娏Ｗ虞椛浜痛艌霏h(huán)境進行實時監(jiān)測，空間天氣預(yù)報員可以據(jù)此開展空間天氣預(yù)報和預(yù)警；同時，對衛(wèi)星空間天氣效應(yīng)的監(jiān)測有助于對衛(wèi)星異常狀態(tài)進行甄別，并能對衛(wèi)星防護和運行策略提供必要的參考依據(jù)。
例如，飛機和船只導(dǎo)航、衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)控，輻射帶環(huán)境計算等都需要精確的磁場模型。同步軌道磁場數(shù)據(jù)可以驗證全球磁場模型，還可同化到磁場模型中，進行業(yè)務(wù)應(yīng)用；同步軌道磁場可以用于評估地磁活動水平，增加對近地空間環(huán)境的認識，促進對地球磁場與太陽風(fēng)相互作用的理解，提高空間天氣的研究和應(yīng)用水平。
SAST5000衛(wèi)星平臺：保證四大載荷和諧相處
如果把世界上同期發(fā)展的同類衛(wèi)星做一個比較，“風(fēng)云四號”A星有兩個世界第一：裝載了靜止軌道高光譜紅外探測儀和單顆衛(wèi)星上裝載儀器最多；還有一個世界第二：“風(fēng)云四號”A星的閃電成像儀比美國發(fā)射衛(wèi)星上的閃電成像儀晚了不到一個月。能實現(xiàn)這些目標，都是倚仗“風(fēng)云四號”衛(wèi)星平臺的“獨門特技”。
靜止衛(wèi)星距地球的距離是極軌衛(wèi)星的40多倍，因此，要達到準確觀測地球上指定的同樣目標，靜止衛(wèi)星三角架的晃動必須比極軌衛(wèi)星三角架的晃動幅度小40多倍，需要有更好的定力。這是通過高精度姿態(tài)測量和控制來實現(xiàn)的。
但控制衛(wèi)星不晃動太難了！衛(wèi)星上的活動部件非常多，大大小小加起來差不多有幾十個：太陽能翻板要轉(zhuǎn)，姿態(tài)控制的輪子在轉(zhuǎn)，觀測儀器的掃描鏡也在工作……這些都會對衛(wèi)星平臺和其他載荷產(chǎn)生姿態(tài)上的干擾。比如，垂直探測儀實際上是一種邁克爾遜干涉儀，通過動鏡相對運動與定鏡之間產(chǎn)生光程差來產(chǎn)生干涉，只要有一點點擾動、一點點晃動，光譜就亂了，根本形成不了干涉。
“風(fēng)云四號”A星首次使用了全新研制的SAST5000平臺，采用力矩補償技術(shù)、星地一體化圖像導(dǎo)航與配準技術(shù)和整星隔震系統(tǒng)，解決了這一世界性難題，實現(xiàn)了兩臺載荷同時工作，這樣的技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平。
遇到這樣的難題，同時為了滿足成像質(zhì)量要求，歐洲只能無奈地將垂直探測儀器和成像觀測儀器分別放在MTG-I和MTG-S兩顆衛(wèi)星上，避免載荷之間相互干擾導(dǎo)致“誰也干不了活兒”的情況。
將兩個載荷分裝于兩顆衛(wèi)星上確實是一種解決方案。但如果能讓載荷之間和諧共處，能額外獲得兩個收益：一方面，在先進的靜止軌道輻射成像儀進行高時空分辨率成像觀測的同時，靜止軌道干涉式紅外探測儀可以對大氣進行垂直探測；另一方面，發(fā)射一顆衛(wèi)星的成本是很大的，合二為一也就節(jié)約了一筆很大的資金。
編輯:莫毅
