风云三号D星技术亮点及功能效用全解析

中国航天报 2017/11/22

11月15日凌晨,太原卫星发射中心,风云三号D星在长征四号丙运载火箭的托举下顺利升空。这颗卫星由中国航天科技集团公司八院抓总研制。

这是我国第二代太阳同步轨道气象卫星(又称极轨气象卫星)风云三号的第四颗卫星,也是我国成功发射的第16颗风云系列气象卫星。

作为我国对地观测遥感卫星的重要组成部分,这位第二代极轨气象卫星的新成员携“利器”而来,为中国乃至全球的气象卫星界带来新期待。

4台全新仪器 性能国际领先

风云三号D星共装载遥感探测仪器10台(套),其中4台(套)为全新研制,分别为红外高光谱大气探测仪、高光谱温室气体监测仪、广角极光成像仪和电离层光度计。

相对于之前的风云三号C星而言,此颗卫星的整星技术状态发生了较大变化。“10台遥感探测仪器让风云三号D星成为当前世界上有效载荷最多的气象卫星,直接结果就是这颗卫星的功能大大增加。”航天科技集团八院风云三号卫星总指挥兼总设计师高火山说。

风云三号D星相对于前面三颗星而言,核心遥感仪器技术状态基本不变。“但新增的这些遥感仪器可以逐步满足气象领域对大气探测精度、温室气体监测能力和空间环境综合探测能力的新需求。”八院风云三号D星副总设计师朱维介绍。

4台(套)全新的有效载荷让风云三号D星的功能更为强大。

红外高光谱大气探测仪可以测量大气在不同光谱通道的辐射值,再定量反演得到全球大气温、湿度的三维分布,为数值天气预报提供基础数据,服务全球气候变化监测和评估。

高光谱温室气体监测仪能对全球主要温室气体二氧化碳、甲烷以及一氧化碳等气体柱总量进行高精度探测,可用于全球温室气体排放、温室气体源与汇分析、温室气体与气候变化关系等一系列科学问题的研究。

广角极光成像仪和电离层光度计则分别用于获得磁层不同区域的时空信息和电离层电子总含量(TEC)、O/N2等参数信息、电离层赤道异常区的二维精细结构,以及准确定位极光边界等。

4台(套)全新载荷,全都从方案做起,经过初样研制,再到正样研制,每一个技术状态的确定都要经过无数次的技术协调,在工程实施阶段面临着每个载荷都要签署接口数据单,经过强制检验点、定标试验、环模试验、验收测试、装星测试等多个环节。

在技术指标上,风云三号D星的有效载荷指标瞄准国际同类仪器的先进水平。据八院风云三号总体主任设计师李叶飞介绍,高光谱温室气体监测仪和高光谱大气探测仪性能等同甚至领先于国际同类产品,广角极光成像仪和电离层光度计均是我国首次研制。另外,作为卫星核心载荷之一,中分辨率光谱成像仪可获取高精度250米分裂窗资料,这在国际上尚属首例。

组网“兄弟星” 壮大“新一代”

风云三号气象卫星是我国第二代太阳同步轨道气象卫星。我国已分别于2008年、2010年和2013年成功发射了风云三号A星、B星和C星三颗卫星,目前主要由B星和C星在轨服役。

“此次发射升空的风云三号D星将与C星进行组网观测。”高火山说。至此,我国新一代极轨气象卫星家族的实力进一步壮大。组网运行后的风云三号气象卫星将增强观测数据更新时效性,大幅提高中国气象观测能力和中期天气预报能力。

2013年,风云三号C星发射升空,作为新一代极轨气象卫星的第三个成员,与风云三号A星、B星实现三星组网运行,使气象观测能力获得质的提升。风云三号卫星实现了对大气的三维探测,实现了全球高分辨率观测和全天候、全天时工作。

“风云三号卫星走过一条跨越式发展道路,风云三号A星发射时,其技术水平符合上世纪90年代的状态,到C星时,其性能指标有了一个显著提升,如今发射的D星,装备以红外高光谱大气探测仪等为代表的先进设备,其性能指标均获得大幅提升。”高火山说。

据气象部门人士介绍,风云三号卫星与美国现役NOAA系列气象卫星、欧洲新一代气象卫星METOP一起,被世界气象卫星协调组织(CGMS)纳入新一代世界极轨气象卫星观测序列,是全球天基气象观测系统的重要组成部分。

在国内,风云三号卫星观测资料先后被国家“重大气象信息专报”、“两办刊物信息”等引用超百次,在北京奥运会、新中国成立60周年、舟曲暴雨泥石流灾害、上海世博会、广州亚运会、西安世园会、雪龙号事件以及2008年之后的历年汛期气象服务保障中发挥了不可替代的作用。

如今,新成员的加入,无疑将使风云三号极轨气象卫星构筑的“气象监测能量圈”更加稳定,也更加强大。

满足苛刻条件 打造气象“神器”

试验队员笑称对D星的各项要求近乎“苛刻”,而为了满足这种苛刻条件,设计师们使出了浑身解数。

八院812所总装中心主任陈小弟介绍,总装厂房的洁净度都是优于十万级的,有些区域甚至优于一万级。这是什么概念?一般来说生产药品的厂房才能达到这个标准,不同的是,卫星作为一个系统工程,比生产药品更复杂,要求也更苛刻。

在我国气象卫星刚起步的时候,人们还没有意识到防污染技术的重要性,直到风云一号A星搭载的红外相机因吸附的水汽在真空环境下释放,信号严重衰减乃至失效。

上海湿润的空气对于搭载着红外相机的风云系列气象卫星来说是致命的。为防止厂房内湿度升高给卫星星体带来水汽污染,哪怕身处梅雨季节,室外湿度高达95%,卫星厂房内的湿度都会严格控制在30%~45%之间。同时,厂房内的温度一直维持在20℃±3℃,无论是严严寒冬,还是烈日酷暑,卫星厂房内永远“四季如春”。

伴随着风云三号卫星一同成长的,有一台著名仪器——微波成像仪。这台仪器曾成为制约风云三号研制进程的瓶颈。当时,美欧俄等国家垄断该技术,费用堪比天价。

困难面前,八院设计师毅然决定自主攻克该产品研制难题。八年的心酸付出,自主研发的微波成像仪终于在风云三号A星、B星、C星上得到应用。如今,在风云三号D星上,微波成像仪性能有了新的提升。据设计师介绍,其性能与美国同类产品相当,达到国际先进水平,今后将为全球气象研究和提高全球天气预报的准确性提供有效信息数据。

风云三号D星的技术难度和复杂程度并不比风云三号首发星低,且发射试验的风险性更大。与风云三号C星相比,D星技术状态变化很大,单是二、三类技术状态更改就达100多项。此外,D星采用分舱段铁路运输,单独运送的产品量大,至发射场后再完成结构合舱、单机装配、卫星总装等流程,无疑增大了风险。

为此,研制团队提出“要把D星当做首发星对待”的理念,加强风险识别和控制。针对卫星技术状态,试验队员对发射试验全过程的上百个工序进行分析梳理,确定了14个强制检验点。“强制检验点的设置有助于提高卫星操作过程中的安全性、可靠性和可追溯性。”朱维说。

提高预报水平 实现一星多能

风云三号D星的强势加盟,将再度提升极轨气象卫星的观测能力。

“届时(风云三号D星发射后),我国全球数值天气预报模式预报精度再提高3%左右,预报时效延长2~3天左右。或者说,可使台风登陆等高影响天气预报时效提前到5~7天。”国防科工局系统工程司副司长赵坚说。

风云三号D星装载的多台(套)有效载荷,为卫星实现“一星多能”提供了强大支撑。除了提高气象预报的精度外,还在更大范围内提高了中国遥感观测水平。

据高火山介绍,风云三号D星交付使用后,将与在轨的风云三号C星组网观测,实现功能互补,大大提高天气预报的更新时效。此外,风云三号D星将进一步加强对全球冰雪覆盖、臭氧分布等方面的观测能力。再进一步而言,除了直接的气象应用,卫星还将最大限度地发挥遥感卫星效能,广泛应用到农业、林业、水利、海洋、交通等多个行业领域。

对二氧化碳等温室气体进行监测,是风云三号D星带来的另一可能。作为我国首台干涉型温室气体观测试验载荷,高光谱温室气体监测仪伴随风云三号D星顺利入轨。这台由五院508所打造的试验载荷有望在温室气体监测方面进行有效的技术探索和在轨试验,为后续业务应用型温室气体监测仪的上星应用打下坚实基础。

风云三号卫星并未打算就此止步,打造更多该系列卫星的计划已经在实施当中。

“后续,我们还将在2018年至2021年前后陆续发射四颗风云三号卫星。”赵坚说,其中两颗为风云三号上午星和下午星,适时增加新型遥感仪器,满足不断增长的新需求;另外两颗分别为晨昏轨道运行的气象卫星和低倾角近圆轨道降水测量卫星。

届时,晨昏星、上午星、下午星和降水星功能互补、相互配合,组网打造完整的低轨气象卫星业务综合观测能力,实现高时效全球中高分辨率光学成像观测、高精度光学微波组合大气温湿度垂直分布探测、气候变化温室气体探测、风场精确探测、全球高精度的降水测量以及太阳和空间环境综合探测能力等六大主要能力。(赵聪)

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