[科普中国]-风云二号气象卫星

简介

风云二号系列静止气象卫星是我国第一代静止气象卫星，共发射6颗，即风云二号A/B/C/D/E/F，两颗试验星（风云二号A/B），四颗业务星（风云二号C/D/E/F）。其中风云二号A星于1997年6月10日发射成功，风云二号B星于2000年6月25日发射成功，姿态均为自旋稳定，只有一个三通道扫描辐射计，设计寿命3年。从风云二号C星起，扫描辐射计由三个通道增加到五个通道，在性能上较风云二号A/B两星有较大的改进与提高。风云二号C星、D星、E星和F星已分别于2004年10月19日、2006年12月8日、2008年12月23日2012年1月13日发射。

风云二号卫星既是高科技的产物，同时也是一个复杂的系统工程。涉及电子技术、光学技术、材料技术、关键的元器件技术，以及应用技术，其背后体现的是国家综合科技实力，参与卫星、运载、测控、发射、应用五大系统的科技人员成千上万，历经20余年，付出了极其艰苦的努力。1

发射历程风云二号A星发射之后，上天运行了3个月左右就开始出现一些故障。只能间歇性工作，每天工作6到8小时之后就要休息。B星发射上去之后，前面两颗星，大家搞了很多年，在气象业务应用上都没有达到预期的效果，最终没有实现业务化。但这两颗卫星在天上运行给我们积累了大量的经验，包括空间环境，卫星运行的环境数据很多都是在卫星运行过程中逐渐暴露，然后科技人员经过分析研究和大量的地面模拟试验，再拿出解决办法。在两颗星的基础上，风云二号C星做了256项大的技术改进，这些改进完全是在A星、B星失败的基础上总结出来的。完全可以说，风云二号卫星的成功是一代人，甚至是两代人、三代人艰苦努力，各部门通力合作的结果。

A星FY-2A卫星是我国第一代静止气象卫星风云二号气象卫星的第一颗试验卫星，FY-2A卫星于1997年6月10日发射成功，姿态均为自旋稳定，只有一个三通道扫描辐射计，设计寿命3年。 1997年12月1日正式交付用户进行业务使用。卫星云图资料在监测台风和海洋天气、暴雨预报、为防汛服务、进行青藏高原上空天气系统分析、航空气象保障及气候变化等方面已发挥出重要作用。

FY-2A卫星运行了3个月左右就开始出现一些故障，只能间歇性工作，每天工作6到8小时之后就要休息。在气象业务应用上都没有达到预期的效果，最终没有实现业务化。2

B星FY-2B卫星是我国第一代静止气象卫星风云二号气象卫星的第二颗试验卫星，FY-2B卫星于2000年6月25日“长征三号”火箭从西昌卫星发射中心发射升空，并于7月6日成功获取第一张原始云图。姿态均为自旋稳定，只有一个三通道扫描辐射计，设计寿命3年。

FY-2B星发射上去之后，运行了不到8个月，星上有一个部件开始出毛病，卫星转发下来的信号比正常情况下衰减很多，接收起来非常困难。在气象业务应用上都没有达到预期的效果，最终没有实现业务化。这颗卫星的运行给风云二号气象卫星后续卫星积累了大量的经验。2

C星FY-2C卫星是我国第一代静止气象卫星风云二号气象卫星的第一颗业务卫星。2004年10月19日，FY-2C卫星发射升空后，24日定位于东经105度赤道上空，定点距地面36000千米，占据了FY-2B卫星位置，以对亚太地区气象情况进行观测。卫星定位后4天，地面应用系统进行了适应性调试，与卫星进行了技术对接，打通了业务测控、数据传输与转发信道，开通了扫描辐射计。

D星2006年12月8日风云二号（FY-2D）静止业务气象卫星发射成功，实现了“在轨备份”。风云二号D星运行稳定，技术状态良好。

E星2008年12月23日08时54分04秒，我国自主研制的第三颗业务静止气象卫星——风云二号E星在西昌卫星发射中心由长征三号甲运载火箭成功发射升空。风云二号E星的成功发射，为我国静止轨道气象卫星增添了新的一员，对于确保我国静止气象卫星观测业务的连续稳定运行具有重要的意义。

F星2012年1月13日8时56分，风云二号07星在西昌卫星发射中心成功发射。风云二号F星是风云二号03批3颗卫星中的首发星，星载两个主要载荷：扫描辐射计和空间环境监测器。

扫描辐射计包括1个可见光和4个红外通道，可以实现非汛期每小时，汛期每半小时获取覆盖地球表面约1/3的全圆盘图像。同时，风云二号F星还具备更加灵活的、高时间分辨率的特定区域扫描能力，能够针对台风、强对流等灾害性天气进行重点观测，将在我国气象灾害监测预警、防灾减灾工作中发挥重要作用。空间环境监测器实现对太阳X射线、高能质子、高能电子和高能重粒子流量的多能段监测，用于开展空间天气监测、预报和预警业务。3

技术特色总体来讲，在一些基础性、关键性基础上，我国和国际先进水平相比仍然有些差距，但是风云二号卫星有我们的特色，在许多地方做的令世界同行侧目。所以它获得国家科技进步一等奖也是当之无愧的。

归结起来来说，有五个方面能够体现风云二号的技术特色：

静止轨道观测的技术静止轨道距离地球有35800公里，在这么远的地方获得高清晰图象，技术上是有相当难度的。所以它的第一个技术特点就是星上的观测仪器，有5个通道，就是可以同时获取5张图。

卫星总体设计技术风云二号的图象质量是非常好的，为了保证高质量的图象，卫星设计做了大量的工作，包括星上怎么提供能源，怎么样控制好卫星的姿态，怎么样保证星上数据处理和下发等等。

星地一体化星地一体化实现了高精度的图象定位，一般网友对这个可能不是很了解，遥感卫星要实现对地球的图象精确定位是比较难的事情，尤其是静止轨道卫星，这么远，我们实现了图象定位准确度“像元级”。定位准的好处有：1.对发生灾害位置的估计就会减少误差。2.会使连续动画保持稳定。

定量应用风云二号最大的亮点，就是我们做的定量应用比较有特色，有些应用技术也是国际同行公认的。在处理风云二号观测到的数据时形成了各种各样定量的产品，用这样一些观测数据可以反演出各种大气物理参数。比如风场、云参数、降水信息等。

稳定业务运行气象卫星要求观测是连续的，卫星一旦停止工作，就会给天气预报、灾害监测造成严重影响。风云二号星地系统实现了一年365天、每天24小时连续运行。

双星观测首先，是在轨卫星由于它的不可维护性，风险较大，难免有在轨故障或者失效，但是组织一颗卫星发射需要很长时间。如果天上就一颗星，它突然坏了，那气象业务就中断了。所以双星的第一个作用是实现在轨备份，确保气象业务不中断。

第二，两颗星可以同时观测，并不是冷备份，是一种热备份的概念。同时观测的好处是：从空间上，可以扩大监测范围。从时间角度，每一颗卫星每半小时观测一次地球，如果把半小时错开，比如这颗卫星10点30开始观测，下颗卫星是10点45开始观测，这样使时间间隔每次观测缩短到15分钟，这样重叠区域地方，每隔15分钟就可以看到天气过程。通过实际的工作表明，双星15分钟的加密观测对气象预报有十分明显的作用，因为很多中小尺度的天气系统，发展非常快，特别是汛期，观测时间间隔过长会漏掉这些重要的天气过程。比如有些局地的强降雨持续时间只有十几分钟，双星观测后这些过程我们可以更好地捕捉到。双星重叠区动画技术，做的非常出色，是风云二号卫星应用的一个亮点。

数据处理风云二号气象卫星的观测数据经数据和指令接收站(CDAS)站接收后被传送到数据处理中心(DPC)，在 DPC 进行各种数据处理。风云二号气象卫星的数据处理指逻辑数据的处理，其内容包括将卫星观测数据处理成图像和产品的全过程。

风云二号静止气象卫星是通过卫星和地面应用系统协同工作完成对地观测任务的。运动中的卫星观测运动中的地球。每一个瞬间，卫星只观测地球上一个地点，获取一组观测数据。原始观测数据取到以后立即传给地面。地面应用系统获得原始观测资料后，将它们拼接，形成一幅好像是卫星相对于地球静止地从太空往下看，所观测到的地球景观图， 称为展宽图像。展宽图像的形成过程是卫星和地面应用系统协同工作的过程，另文叙述。本文介绍展宽图像形成以后，处理出定量产品的过程。

风云二号气象卫星上的扫描辐射仪从太空遥感地球大气，逐个像元地获得来自地球表面和云的若干个波段的辐射资料。风云二号静止气象卫星的数据处理，是要从卫星遥感观测数据中，提取遥感目标物所在地点的关于地表、云和大气状态的定量参数产品。其中有三个基本的科学问题要解决。4

第一个问题是卫星所遥感的观测目标物在什么地方。这个问题称为图像配准和定位。风云二号气象卫星是通过星地协同工作完成对地观测的。星载多光谱扫描辐射仪对地球进行两维扫描获取地球图像数据。扫描阶段所获取的数据尚不能组成可用的图像。地面系统利用遥测数据，将扫描过程中所获取的对地观测数据，处理成一幅相当于在卫星所在位置直视地球所看到的可用图像，并指出图像上每一个观测像元所在的地理经纬度位置。这就是图像配准和定位。

第二个问题是卫星上的传感器所感应到的辐射量是多少；以及离开遥感目标物的辐射，在传递到卫星的路径上，由于与大气介质的相互作用，改变了多少。这方面的问题称为定标和辐射的大气订正。风云二号产品定量处理的目的，是要从卫星观测数据中提取地表、云和大气状态的定量参数产品。而卫星所观测到的，是传感器测量计数值。根据传感器测量计数值，求解地物状态参数，要做一系列的数据变换。先将遥感仪器的辐射观测数据标定为辐射当量，即定标。定标后，获得了进入卫星遥感仪器的入瞳辐射。然后要对入瞳辐射做一系列的数据处理。这些数据处理，实际上是对辐射从离开观测目标物开始，直到被扫描辐射仪测得为止，每一种物理过程所带来辐射附加值的订正。经过定标和大气订正处理，获得了离开遥感观测目标物的离物辐射。前面两个问题统称卫星观测数据预处理。4

第三个问题是，从来自位置己知遥感观测目标物的离物辐射数据中， 提取出能代表地表、云、大气物理状态和运动的参数。或根据云图的时间序列，推导出代表地物和大气的状态和运动的产品。这个问题称为产品定量处理。

风云二号是自旋稳定的地球同步气象卫星。 准确的定位需要知道每个瞬间卫星的位置和姿态。表达卫星位置和姿态的参数系由 13 个参数组成。其中包括表达卫星位置的 6 个轨道参数；表达卫星姿态的 3 个姿态参数；还有 3 个扫描仪失配参数和 1 个 β 角参数。这些参数联合起来完整地描写了运动中的观测工具卫星与运动中的观测目标物地球之间的几何关系。

风云二号产品定量处理的目的，是要从卫星观测数据中提取地表、云和大气状态的定量参数产品。而卫星所观测到的，是传感器测量计数值。根据传感器测量计数值，求解地物状态参数，要做一系列的变换。这些变换实际上是对辐射从离开观测目标物开始，直到被扫描辐射仪测得为止，每一种物理过程所带来辐射附加值的订正。
首先考察红外和水汽辐射，由于卫星观测到像元的辐射中存在来一部分自环境的辐射， 观测目标物的真实温度与黑体温度差别可能相当大。5

蓄电池组北京时间 2012 年 1 月 13 日 8 时 56 分 04 秒，风云二号03 批工程的首发星 F 星成功发射。卫星最终定点于东经112°赤道上空。03 批卫星设计寿命由 3 年提高到 4 年，将择机接替目前在轨超期服役的同类卫星。目前在轨正常工作的风云二号气象卫星有 C 星、D 星、E 星和 F 星。

风云二号卫星电源系统由太阳电池阵、 镉镍蓄电池组和电源控制装置三部分组成。电源分系统采用全调节母线技术，不论是光照期还是地影期，母线电压始终恒定在(29.5±0.5) V。在光照期，太阳电池阵为星上有效载荷和公用平台供电，同时为蓄电池组充电，并由分流器进行分流调节，保证母线电压恒定在(29.5±0.5) V。在地影期由蓄电池组给星上负载供电，由升压调节器对蓄电池组进行升压并调节，使母线电压恒定在(28.5±0.5) V。由于为静止轨道卫星，风云二号卫星每年在春分和秋分前后经历两个共 90 天左右的地影时间，蓄电池组只在地影期间供电，全日照期蓄电池组涓流充电，不参加整星的供电。

02 批镉镍蓄电池组额定容量为 25 Ah，03 批镉镍蓄电池组额定容量为 28 Ah，都是由 19 只单体电池串联组成，其中有两只单体电池带信号电极（第三电极），提供蓄电池组充电终止信号电压。每只单体电池并联一只保护二极管组件，提供单体电池内部开路失效时的旁路保护。25、28 Ah 镉镍电池设计和工艺相同，极板为全烧结式，采用陶瓷 - 金属极柱密封技术。电极容量为正极限制，过量的负极活性物质用于吸收充电后期生成的氧气，确保电池的密封性。利用镍正极在充电后期和过充电情况下生成氧气的特性，在第三电极电池中装配吸氧信号电极，与负极相对形成气体电池，外接信号电阻，提供电池组的充电状态，并作为充电终止控制信号。6

经济效益风云二号气象卫星的效益首先体现在重大的灾害性天气过程以及重大的气象自然灾害监测方面，发挥了非常特殊的作用。2006年至2008年这三年过程中，据统计，影响我国的台风72个，其中有23个台风是登陆的，所有的这些台风风云二号一个都没有漏过。比如2005年登陆我国的超强台风“海棠”，2006年超强台风“桑美”以及2007年超强台风“罗莎”的监测预报过程中风云二号卫星都发挥了功不可没的作用。

风云二号卫星对暴雨、沙尘暴、大雾、草原和森林火灾等也有很强的监测能力。比如2007年的江淮暴雨，由于持续暴雨最后作出了在安徽王家坝分洪的决策，在这个过程中从国务院领导到当地政府，以及中国气象局领导都高度重视，迫切需要了解天气的实况过程以及预报结果，关键时刻风云二号卫星提供的资料发挥了很好的作用。再举个例子，2006年黑龙江和内蒙古的森林草原大火，风云二号卫星不仅提供了持续不断的动态火情监测产品，还提供了人工影响天气作业的天气分析产品，为最终扑灭大火立下了汗马功劳。7

社会效益电视观众每天都能通过各种电视节目收视到风云二号的云图，通过云图来了解天气形势，比如今天晚上肯定会有台风“浣熊”的预报。这既是对百姓的服务，同时也是宣传和普及气象知识，增强公众对自然灾害防御的意识有很重要的价值。当然，它的社会效益远远不限于如此，除了在气象防灾减灾应用上。国内的民航、交通、农业、渔业、水利、电力、林业、军队等很多部门都在利用风云二号的资料。举个例子，风云二号有大雾的监测能力，交通部门就很需要这方面的资料。类似这样的例子有很多。所以，风云二号卫星的投入产出比是很高的，效益巨大。

国际地位风云二号卫星系统从整体上讲，与国际上目前正在使用的静止气象卫星技术水平是相当的。尽管在一些基础性和关键技术上，我们仍然有一定的差距，但是我们在某些方面也比其他国家做的好，同时，我们赶超的势头和进步的速度是最快的，这是不争的事实，国际公认。我们在较短的时间内达到了国际在轨卫星同等的水平，这给我们国家在气象领域赢得了尊重。

风云二号卫星在全球气象卫星观测网中占有重要的位置，在整个东亚这块，特别是印度洋、青藏高原的卫星观测过去是一个很薄弱的区域。我国风云二号卫星定位于东经105度，其位置决定了它是整个地球观测系统中不可或缺的一部分，它获得的观测资料对国际的气象界乃至地球科学界都是一个贡献。在世界气象组织的空间计划中，风云二号卫星被列为骨干业务卫星，承担为全球天气和气候观测的义务。在上个世纪我国的气象卫星应用主要依靠国外的卫星资料，不仅有自主卫星，还对外快进行资料共享和数据服务，用通俗的话说就是使用人家的变成人家使用我们的，这体现了非常大的变化，这也奠定了我国家在世界气象组织的地位。

国际上越来越多的国家和地区使用风云二号卫星资料，评价也很积极，比如澳大利亚、日本、美国、欧洲以及东南亚的一些国家，包括我们国家的香港、澳门、台湾地区都在用风云二号的卫星资料。