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晨昏线上亮出中国星
——专访风云三号极轨卫星地面系统总指挥和总设计师
来源:中国气象报社 日期:2021年07月05日10:02

  “黎明星”风云三号E星(以下简称E星)的成功发射,是一次拓展,填补了国际气象卫星领域的一个空白区;是一次腾跃,代表中国气象卫星科技攀升到一个新高度。这颗气象卫星从论证、研制到升空经历了怎样的历程?它具备哪些科技创新价值?在全球监测、全球预报、全球服务的目标下又将给世界各国百姓带来怎样的应用体验?中国气象报记者就此专访了国家卫星气象中心副主任、风云三号极轨卫星地面系统总指挥张鹏和风云三号极轨卫星地面系统总设计师胡秀清。

  “由我国自主研制的E星是国际上第一颗民用晨昏轨道气象卫星。”张鹏说,“它是当之无愧的百姓星、创新星、中国星。”至此,我国成为世界上唯一同时拥有上午、下午、晨昏轨道三星组网气象卫星的国家,填补了国际晨昏轨道气象卫星技术空白,可更好满足全球数值天气预报同化资料和时效的要求,进而提升全球中长期数值天气预报的精度,为百姓带来更多安全感。

  历尽十年磨砺——响应世界气象组织三轨卫星组网观测倡议,中国主动担当

  成就E星闪耀光芒的,是气象与航天科技工作者长达十年的卓绝之功。

  世界气象组织(WMO)2009年发布《2025年全球观测系统愿景报告》,提出建立上午、下午和晨昏轨道三轨卫星组网观测需求。彼时的中国,刚刚于2008年发射第二代极轨卫星的首发星风云三号A星,气象卫星事业进入蓝图落地的“黄金周期”。WMO的倡议再激新斗志。

  干还是不干?迟疑方提出,“为什么其他国家甚至是发达国家不牵头,三轨规划需要大量投入,我们搞能否得到国家支持?”“甘蔗没有两头甜,晨昏轨道星的独特性不可否认,但受制于晨昏时段的光照条件,会带来光学成像能力的损失。”“晨昏轨道星与上、下午轨道星在轨工作环境不同,研制缺乏借鉴,难度太大。”“应用是我们的薄弱环节,即便研制出来能否保证有效应用?”

  在重大选择面前,往往是那些更具战略眼光的结论被历史证明了科学性——即使是成像观测能力受损,也要让我国的气象卫星布局独具特色,甚至让国际上离不开我们的观测资料,所以要做,并且一定要做成。

  说干就干!达成共识,酝酿思路,储备信息,中国气象局在2012年第40届国际气象卫星协调组织大会上对发展晨昏轨道卫星做出积极响应;次年在WMO执行理事会第65次届会上正式表态,并牵头组织WMO晨昏轨道卫星应用效益论证国际组工作,举国际智慧论证报告,成为风云晨昏轨道卫星发展的关键性文件;2014年完成用户使用要求编制,并启动前期研制;2015至2018年间,组织技术力量对风云三号晨昏轨道卫星资料处理和应用的关键技术开展联合攻关,为工程建设任务提供支撑;2018年,将晨昏轨道卫星作为首星的风云三号03批卫星工程通过国家正式批复立项,E星开始研制。

  时间从不辜负有心人,当初顾虑的外围环境和条件也逐一改善。我国航天工业整体研制能力和水平的提高为晨昏轨道卫星研制添了底气;风云三号B星、C星、D星分别于2010年、2013年、2017年成功发射,实现我国极轨气象卫星升级换代、试验业务星向业务星的转换以及上下午星稳定组网观测;风云三号卫星数据在欧洲数值预报中心得到应用,被公认具备稳定优良的质量;我国卫星资料同化技术攻关成果和应用效益愈加显著……

  编年史般的回顾看似干涩,可这项重大工程的参与者在2012到2021年这十年的每一天都是充实而丰润的。他们克服晨昏轨道卫星背阴和向阳面温度梯度大的研制难题,锚定数值天气预报、气候研究、大气环境、空间天气等关键应用方向,持续推进卫星平台设计、遥感仪器配置、功能指标优化等从宏观到微观的每一个细节在千百次研讨论证中得到精准把控。这些细节就像一块块拼图,拼出了风云三号E星的挺拔身姿,也彰显出气象和航天科技工作者的坚韧品质。

  开辟一个时代——在跟跑并跑到部分领跑的每一段赛程,让百姓受益都是终极目标

  极轨气象卫星沿太阳同步轨道运行,在800千米左右的高度围绕地球旋转。上午轨道卫星飞跃赤道的时间在上午,观测地方时间白天在上午、夜间在前半夜,下午轨道卫星飞跃赤道的时间在下午,观测地方时间白天在下午、夜间在后半夜。

  欧洲、美国以及我国目前在轨的业务极轨气象卫星轨道均设计在上午轨道和下午轨道,双星协作组网已实现全球资料业务交换和共享。其中,风云三号D星观测质量和数据稳定性,已经同美国最新的JPSS-1卫星和欧洲最新的Metop-C卫星齐平,跻身全球气象卫星第一梯队的行列。作为风云三号03批第一颗星,E星开辟了一个新时代,它的独特性完善了现代气象业务观测体系,其资料的不可替代性也将改变全球气象业务卫星观测网格局。

  现有全球组网观测卫星,在每6个小时的数值气象预报观测资料同化时间窗内总有两三条轨道的观测空白区,无法提供全球覆盖的大气观测资料。晨昏轨道卫星的加入,将填补这一空白——它沿观测地方的晨昏线运行,观测地方时间总在凌晨和傍晚。分析认为,单星6小时可以观测全球将近45%的区域,双星6小时可观测85%左右的区域,三星6小时可以观测全部区域。E星实现了风云系列卫星首次主动遥感探测,可丰富常规气象观测匮乏的海洋观测资料,提高台风等海上气象灾害的预报能力。这个在清晨和夜间的“值班星”还能更加精准地判识晨雾、夜间火灾等特殊时段自然灾害;探测全球夜间城市灯光状况,间接反映城市经济状况、夜间污染排放等信息;遥感监测大气中一氧化碳、臭氧等痕量气体。

  卫星数据的顺利接收、处理和分发需要星地配合。E星是风云三号系列的第5颗卫星,地面应用系统在前4颗卫星的基础上有继承也有创新,特别是针对新载荷、新搭配,建立了新的算法和处理方法。目前,我国卫星辐射定标水平接近国际水平,核心算法均为自主研发,安全可控。

  全球卫星数据接收“1+5+2”站网格局,保证了各轨道资料“无一漏网”,也提高了数据接收的时效性。此外,管理卫星运行的“司令部”——集成运行控制系统,进一步优化了国内国外站的调度策略,实现对卫星管理、任务规划、资料接收处理的星地联动配置。该系统首次增加了卫星的“保健师”,可实现健康监视与故障诊断,若遇卫星载荷异常增温,可发出关闭该载荷的指令,让其降温恢复健康状态。

  当产品生成并通过质量检验后,则进入数据存档和分发环节。E星地面应用系统将继续在2小时至2.5小时内将产品分发给用户,这一分发时效在国内遥感卫星中属于领跑水平。此外,产品的推送方式在保留网上订购、内部共享、特殊用户“直通车”等渠道的同时,新增了“云”共享。

  科技的最大价值终将体现在惠民。作为国际上第一颗民用晨昏轨道气象卫星,E星的观测数据可用于支撑和改进全球数值天气预报、全球气候变化的监测预测、空间天气监测预警业务。未来,风云三号气象卫星03批还有三颗星待发,包括一颗首发的降水星,全球百姓都将是受益者。

  (作者:苗艳丽 李慧 责任编辑:张林)



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