中科院上海技物所全力打造“中华牌”超级慧眼

2019-10-16 02:15 来源:未知

结构尺寸

  • 3.2米×3.7米(10.5英尺×12.1英尺)

  Meteosat是欧洲的系列地球同步气象卫星。这些卫星的主要目标是提供云层覆盖和温度的可见光与红外线昼夜图像。它们每30分钟从3个光谱通道(可见光、红外线和水蒸气)采集一次数据。这些卫星由欧洲航天局负责设计,欧洲气象卫星组织负责运行,从1977年开始正式运转。Meteosat系列卫星在长达四分之一个世纪的时间内连续提供欧洲一非洲半球的图像和天气预报数据。这一系列的最后一颗卫星(Meteosat-7)发射于1997年,现在仍在运行。

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2月27日,国防科工局联合气象局在京召开新闻发布会,公布了新一代静止轨道气象卫星“风云四号”的首批卫星云图。自2016年12月11日成功发射至今,中科院上海技术物理研究所研制的星上两大光学载荷——多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪先后顺利开机工作并进入在轨测试,成功传回大量气象探测数据,图像细节清晰、波段光谱特征明晰。其中部分数据是国际气象界迫切期望使用的,除了中国的“风云四号”气象卫星,目前没有任何一颗在轨卫星能够提供。

  • 名称:Meteosat/MSG 同步气象卫星
  • 制造商:阿尔卡特空间技术公司
  • 发射日期:2005年12月21日
  • 发射地点:库鲁,法属圭亚那
  • 轨道:0°,地球静止转移轨道(GEO)
  • 运载火箭:阿丽亚娜5G

结构尺寸

  • 2.2米×3.5米

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  日本的地球同步气象卫星系列,又称为向日葵,是由日本气象厅负责运行的。这些卫星位于东经140°附近地球静止转移轨道上,被用于亚太地区的天气预报。这些卫星也是世界天气观测网的重要组成部分。

这两大红外光学载荷充分利用卫星姿态的三轴稳定方式,成功抢占了地球静止轨道气象卫星在国际上竞争的制高点:高频次观测和高分辨率区域机动探测能力。其中,多通道扫描成像辐射计大幅提升了仪器性能,可加强中小尺度天气系统的监测能力;干涉式大气垂直探测仪更是填补了人类的高轨三维精细遥感知识的空白。两台主载荷同时装载在高轨气象卫星上,在国际上率先实现高时效对地三维探测,对提高我国气象卫星全球观测能力具有划时代的重要意义。这在国际气象组织中将更强地彰显“中国元素”,可切实提升我国空间天气监测预警能力。

结构特点

这种鼓形卫星的形体上覆盖着太阳能电池板,这些电池能够产生750瓦的电力。这些卫星是旋转稳定的,旋转速率为100转/分。它们的核心设备是旋转增强型可见光及红外线成像辐射计,能够提供分辨率为3公里(1.9英里)的红外线图片和分辨率为1公里(0.6英里)的可见光波段图片。GERB设备则用来测量地球的辐射平衡。

  • 名称:“向日葵”气象卫星
  • 制造商:NFC/休斯空间和通信公司
  • 发射日期:1995年3月18日
  • 发射地点:日本,种子岛
  • 轨道:东经140°(地球静止转移轨道)
  • 运载火箭:H-Ⅱ3F

多通道扫描成像辐射计是瞄准国际先进水平实现气象业务应用的成像仪器,承担获取地球表面和大气的多种光谱辐射信息,为天气预报、气候观测提供观测数据的重任。与第一代静止轨道气象卫星“风云二号”配置的扫描辐射计相比,它成功实现了技术的代际跨越:探测波段数大幅增加、空间分辨率和时间分辨率成倍提高、温度分辨率明显提高、光谱分辨率显著提高、辐射定标精度有进一步提升,载荷具有灵活的区域成像功能,可获取地球表面和云的多光谱、高精度定量观测数据和图像,包括昼夜的地球全圆盘图像、高频次的区域图像,将全面提高对地球表面和大气物理参数的多光谱、高频次、定量探测能力。具体而言,辐射计探测覆盖了可见光至波长达13.8微米的甚长波红外波段,光谱通道增加到14个;可见光通道最高空间分辨率由1.25公里提高到500米;每15分钟即可对地球圆盘扫描成像一次,还新增了高速区域扫描功能,可以最快30秒获取一张图的速度,对一百万平方公里(1000km×1000km)范围进行的多光谱密集观测。能做到这点,是因为卫星采用了新的三轴稳定架构模式、仪器采用了焦平面探测机制。欧洲空间局就因为该设计难度太大而未敢在业务气象卫星上尝试。

使用情况

第二代Meteosat卫星的数据传输速率比第一代快了将近20倍(达到3.2兆比特/秒),它们的设计寿命为7年。

有效载荷

  • 可见光和红外线旋转扫描辐射计(VISSR);搜索和救援中继。

探测仪实现了成像原理与傅里叶光谱仪原理相结合,是红外遥感探测领域几十年来科学家追逐的理想境界。上海技物所成功地将实验室的高精度分析仪器放到了36000km以外的轨道上,并以光线干涉方式对地面目标实施大气垂直分布剖面的长期连续探测,充分体现了中国科学院“率先实现科学技术跨越发展”的创新实力。

有效载荷

  • 旋转增强型可见光及红外线成像辐射计(SEVIRI),对地静止地球辐射收支测量设备(GERB)

结构特点

GMS系列的第一颗卫星是于1977年7月14日从美国卡纳维拉尔角发射的,它的主要设备是一部美国制造的辐射计,安装在这颗以100转/分的速度旋转的星体上。卫星的天线是反自转的,保持一直指向地球方向。卫星的旋转使它能够进行自西向东的扫描,而自北向南的扫描则通过移动扫描镜来实现。

干涉式大气垂直探测仪是“风云四号”的关键有效载荷之一,最受同行关注和瞩目。早在1997年“风云二号”卫星刚上天,下一代高轨气象卫星开始规划之际,中科院院士匡定波便提出,我国应该发展干涉式大气垂直探测技术。这种利用傅立叶变换原理的探测仪来实现对大气的垂直探测是遥感领域红外光谱技术的一场革命,将引领人类对地遥感探测步入三维立体阶段,为气象观测提供一种新的更可靠的手段。美国、欧洲、日本都在朝这个方向努力。但由于技术难度过大、所需经费太多,美国放弃了,欧洲也延迟了计划。

研制历程

这些卫星由欧洲航天局负责设计,欧洲气象卫星组织负责运行,从1977年开始正式运转。Meteosat系列卫星在长达四分之一个世纪的时间内连续提供欧洲一非洲半球的图像和天气预报数据。这一系列的最后一颗卫星(Meteosat-7)发射于1997年,现在仍在运行。第二代Meteosat(MSG)系统在原来的基础上进行了重大改进,一共将发射4颗卫星,它们在2018年之间都将持续运转。

使用情况

在1999年替换它的卫星MTSAT-1发射失败之后,这颗卫星减少了对南半球的观测活动,以减少燃料的消耗。向日葵5号的运行寿命于2003年5月22日结束,并临时由美国的GOES-9代替。代替它们的MTSAT卫星也被称为向日葵号。

从1995年10月召开的“风云四号”气象卫星专家研讨会,到国防科工局2002年布局卫星和有效载荷预先研究,2010年国家正式立项进行工程型号研制,直至2016年12月11日零时11分卫星发射升空,前后历时整整21年。上海技物所研发团队先后破解了亚秒级指向精度的碳化硅双扫描镜二维扫描机构研制技术、高灵敏度面阵探测器技术、甚长波红外探测技术等技术难题,填补了多项国内空白,实现了所有核心技术自主研发,完成了从基础机理到核心元部件再到系统集成全创新链的自主可控研制,确保“风云四号”的两只超级慧眼——多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪为纯正的“中华牌”。

结构特点研制历程使用情况

型号演变

向日葵2号、向日葵3号和向日葵4号也都搭载了用于太阳风研究的传感器。这一系列的最后一颗卫星向日葵5号搭载了一部实验有效载荷,用于中继来自飞机和船只的超高频(UHF)搜索和救援数据。

“风云四号”气象卫星是我国第二代地球静止轨道气象卫星,这一类高轨气象卫星历来是国际竞争的制高点。美国国家航空航天局2016年11月19日发射的新一代静止气象卫星GOES-R,以及日本同年11月9日发射的“向日葵9号”静止轨道气象卫星均未搭载干涉式大气垂直探测仪。欧洲气象卫星开发组织的第三代气象卫星MTG-I和MTG-S将分别搭载成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪,前者首颗卫星将于2022年发射。与欧美国家的静止轨道气象卫星相比,一星同时搭载先进的成像辐射计和新型的高光谱探测仪的“风云四号”01星在综合实力上已在国际上遥遥领先。

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结构特点使用情况型号演变

国际上对风云四号卫星的发射给予高度重视和评价。美、俄、拉美国家的媒体第一时间进行报道和关注,认为“风云四号”气象卫星将提高中国气象局的定量观测和应用能力。欧洲气象卫星开发组织原主席、德国气象局原局长、世界气象组织空间计划卫星事务资深咨询专家蒂尔曼•莫尔表示:“国际气象界都在迫切盼望使用这种新型数据……如果最终这类探测数据的价值得到确认,干涉式大气垂直探测仪将成为气象卫星的重大突破,而中国气象部门将在这一领域走在前列。”

作为国际首台静止轨道的干涉式大气垂直探测仪,其在长波红外和中波红外波段可实现1500个以上细分光谱的探测,光谱分辨率达0.625波数,红外波段空间分辨率达16公里。相当于给大气做超过1500层的精细“立体CT”切片式探测。它为人类深入研究大气对流,更精细预测灾害性天气提供了新的可能。

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