不是簡單複製A星,風雲四號B星有三大技術突破

新京報訊(記者 李玉坤)6月3日,由中國航天科技集團八院抓總研製的風雲四號B星在西昌衛星發射中心成功發射。

風雲四號B星是我國第二代靜止軌道氣象衛星風雲四號光學系列的第2顆衛星,也是該系列的第1顆業務衛星,在繼承A星綜合探測能力優勢的基礎上,風雲四號B星的觀測能力將進一步升級。

新裝載的快速成像儀,最高可見光解析度250米,相比A星的成像儀提升1倍;提高後的輻射成像儀、干涉式紅外探測儀等載荷的空間解析度、探測靈敏度和探測精度,使B星可在36000千米距離精確感知到地球大氣0。05攝氏度的溫度變化,其探測結果與真實值偏差小於0。5攝氏度。

6月3日0時17分,我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭,成功發射風雲四號B星,衛星順利進入預定軌道。郭文彬 攝

一場沙塵對B星提出新要求

2017年5月,我國北方出現了當年最強沙塵天氣過程。“如何才能最快地利用氣象衛星監測短時臨近極端天氣?”這對中國航天科技集團八院風雲四號研製團隊提出了新要求。

按照傳統,衛星論證、立項、研製至少需要十餘年時間,顯然不是最優解,任務壓到風雲四號B星身上。

2016年12月11日,風雲四號A星發射入軌。作為科學試驗衛星,A星原本的職責是用於驗證靜止氣象衛星的最新在軌技術,由於在軌表現良好,於2018年5月由科研試驗直接投入業務使用。A星投入業務使用,一方面為B星設計更改爭取了寶貴時間,另一方面,也給B星的研製工作帶來了巨大壓力——作為我國靜止氣象觀測主業務所急需的,B星需要儘快發射並應用。

想要實現新目標就要增添“新武器”,“快速成像儀”是B星最新的“殺手鐧”。但是增加新載荷,還是個一百多公斤的“胖傢伙”,衛星總體方案必須重新設計,衛星構型佈局、供配電、熱控、結構、電纜網、數傳、動力學等方面均要做出改變。

“作為衛星總體,我們的首要目的是達到系統最優,而不是選擇一個相對更改較少的方案,既然決定了要上快速成像儀,就要給出一份最好的總體方案,絕不能在A星的基礎上將就著改。”航天八院風雲四號總設計師董瑤海說。

為了解決快速成像儀帶來的急速增加的資料量實時下傳的問題,B星還要增加新的資料傳輸通道。資料傳輸分系統主任設計師楊炳軻帶領團隊採用在衛星側板展開的方案,展開軸由傳統的三軸變為兩軸,簡單可靠,並根據靜止軌道陽光照射的特點設計了特殊的遮光裝置,防止活動部件的區域性高溫,讓風雲四號B星高速資料傳輸變為可能。

研製中的風雲四號B星。航天科技集團八院供圖

定標試驗:四萬公里高空測地球體溫控制溫差

風雲四號B星大氣垂直探測儀採用干涉式光路探測垂直方向的大氣溫度溼度廓線,地面定標精度要求1。5K(開爾文,溫度單位),相當於在四萬公里高空為地球測量體溫,但溫差不能超過1。5℃。A星的實際資料與定標資料仍存在微小的差異,為進一步提高地面定標準確性,研製團隊對A星定標方案進行最佳化提升,充分校驗定標資料,全面摸清載荷光學效能。

作為載荷之一的探測儀譜段覆蓋範圍寬、探測精度高,對汙染物及干擾訊號極其敏感。試驗前,試驗隊員對兩個“致敏”因素——汙染物和干擾訊號進行逐一試驗,各個攻破。進罐前,為避免汙染物影響,大家採用窮舉法,將罐內工裝、裝置、定標器、定標車等涉及的約10餘種材料分析窮舉,耗時40天透過4次試驗對可能引起汙染的因素逐一進行分析、檢測、追溯、排除,確保所有器件本身潔淨後再入罐試驗,杜絕一切汙染可能。

關罐前,為保證訊號質量,對探測儀再次進行全系統電測,發現了非常微弱的干擾訊號。雖然分析認為不會影響試驗,但是技術人員還是透過4個晝夜的連續奮戰終使干擾訊號徹底消除。

研製中的風雲四號B星。航天科技集團八院供圖

突破1:高頻成像

百萬平方公里區域1分鐘級連續觀測成像

記者從航天八院瞭解到,為進一步提高我國及周邊熱點區域氣象資料獲取的時效性、增強我國對中小尺度和災害性天氣系統的監測能力,風雲四號B星在研製之初就瞄準“更高時空解析度、更高探測靈敏度、更高定量化精度”的設計目標。

此次B星最新裝載的快速成像儀透過長線列探測器、離軸三反光學系統結合二維靈活掃描成像,成功實現區域高時間解析度和高空間解析度監測能力。結合先進的靜止軌道輻射成像儀,B星在A星每5分鐘對我國及周邊區域成像1次的基礎上,將實現百萬平方公里區域1分鐘級連續觀測成像,可為颱風、短時強降水、強對流等短時極端天氣提供小於1分鐘間隔的區域高解析度晝夜連續監測資料,以及實現30秒一次颱風暴雨等中尺度災害天氣的連續靈活觀測。

“東西佈局、聯合觀測”,風雲四號A星、B星雙星在軌將能提供更高頻次的全圓盤及中國區觀測資料,可有效監測颱風、強對流等極端天氣的生成、發展和消亡過程,為數值天氣預報、短臨天氣預報提供更高頻次的觀測資料。

不是簡單複製A星,風雲四號B星有三大技術突破

研製中的風雲四號B星。航天科技集團八院供圖

突破2:探測靈敏

精確感知大氣0.05攝氏度變化

風雲四號B星將提供比A星更高的探測靈敏度和探測精度,可在36000千米距離精確感知到地球大氣0。05攝氏度的溫度變化,其溫度探測結果與真實值的偏差在0。5攝氏度以內,相比A星提高1倍。可為區域數值天氣預報提供更高精度的初始場資料資料,提高對突發天氣的預報精度。

利用裝載的先進的靜止軌道輻射成像儀,B星可對陸地、海洋、雲和大氣等地球環境引數進行高精度、多光譜定量遙感,直接服務天氣分析和預報、氣候預測以及環境和災害監測。

多通道雲圖資料可以用來捕捉不同的天氣變化,透過觀察雲的運動還能輔助捕捉風的資訊。透過多通道觀測,還可捕捉沙塵及其運動資訊。陸地觀測產品可提供火點資訊,輔助森林草原火險監測和撲救工作。

星上裝載的靜止軌道干涉式紅外探測儀,可探測人眼難以捕捉的大氣溫溼度廓線資訊,為大氣做“三維CT”,晴空大氣溫溼度資訊可提示未來幾小時哪些區域將會發生強對流等極端天氣。空間環境監測儀器包可開展空間環境綜合探測,實時監測空間粒子、磁場等變化資訊,為航天器活動、空間科學研究及空間天氣預警預報提供資料支撐。

研製中的風雲四號B星。航天科技集團八院供圖

突破3:高畫質分辨

可見光解析度比A星提高一倍

風雲四號B星將在國際上首次實現靜止軌道氣象衛星250米可見光解析度觀測,比A星提高1倍。同時,干涉式紅外探測儀空間解析度由16千米提高至12千米,晴空觀測資料可利用率提高25%。空間解析度提升的同時,星上影象導航配準定位精度進一步提高。

此外,風雲四號B星突破了大視場光學系統、亞角秒級高精度掃描控制、長線列焦平面探測器技術、長線列星上導航配準技術等關鍵技術,將進一步為颱風觀測、颱風路徑預報、強對流天氣系統等分析和定位提供更加精細的觀測資料。

新京報記者 李玉坤

編輯 白爽 校對 趙琳

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