中科院上海技物所先進(jìn)儀器助力我國氣象事業(yè)跨代發(fā)展

[2018/6/6]

  作為我國第二代極軌氣象衛(wèi)星的首發(fā)星，風(fēng)云三號A衛(wèi)星自2008年5月27日入軌工作，至今運行滿十年，已被世界氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織列入新一代世界極軌氣象衛(wèi)星觀測網(wǎng)。

  縱觀全球風(fēng)云變幻

  風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星是為滿足中國天氣預(yù)報、氣候預(yù)測和環(huán)境監(jiān)測等方面迫切需求而建設(shè)的新一代極軌氣象衛(wèi)星。1994年“新一代極軌氣象衛(wèi)星”列入航天技術(shù)“九五”規(guī)劃，2000年11月國務(wù)院正式批準(zhǔn)立項“風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星”。風(fēng)云三號的目標(biāo)是獲取地球大氣環(huán)境的三維、全球、全天候、多光譜、定量、高精度資料。它的升空入軌，標(biāo)志著我國極軌氣象衛(wèi)星和衛(wèi)星氣象事業(yè)成功地實現(xiàn)了技術(shù)換代，實現(xiàn)了新的跨越發(fā)展。

  中科院上海技術(shù)物理研究所圍繞我國大氣探測戰(zhàn)略需求，瞄準(zhǔn)國際上空間遙感技術(shù)競爭的制高點，為風(fēng)云三號A衛(wèi)星研發(fā)了自主可控的氣象探測光學(xué)主載荷和單機(jī)：掃描輻射計、中分辨率光譜成像儀、紅外分光計、地球輻射探測儀，以及紅外地平儀。載荷具備單軌覆蓋3000公里、多光譜、三維垂直探測、定量遙感探測等功能，為衛(wèi)星獲取全球資料和進(jìn)行多種要素綜合探測提供了技術(shù)升級路徑，支撐我國氣象衛(wèi)星實現(xiàn)了從單一遙感成像到地球環(huán)境綜合探測、從公里級分辨率到百米級分辨率的大幅提升。

  繼承超越比肩歐美

  上海技術(shù)物理研究所貢獻(xiàn)的四臺有效載荷均為風(fēng)云三號衛(wèi)星業(yè)務(wù)運行所需，除十通道掃描輻射計尚有風(fēng)云一號經(jīng)驗可供借鑒和部分繼承外，其余三臺光學(xué)遙感儀器均為我國首次研制，性能已達(dá)到并且部分超越當(dāng)時運行的國際同類產(chǎn)品。

  掃描輻射計作為衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用連續(xù)觀測的有效載荷基本配置，主要任務(wù)是獲取共十個波段的地球二維景像信息，以1.1公里分辨率發(fā)送、處理并作全球圖像記錄。中分辨率成像光譜儀主要任務(wù)是對地球的海洋、陸地、大氣進(jìn)行全球動態(tài)監(jiān)測，提高中國天氣預(yù)報、氣候變化研究和地球環(huán)境監(jiān)測能力，具有百米分辨率成像能力。作為風(fēng)云系列衛(wèi)星中的新載荷，它具有新技術(shù)多、功能多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能指標(biāo)要求高等特點，研制難度相當(dāng)大，相關(guān)技術(shù)積累和儲備長達(dá)數(shù)十年。紅外分光計主要任務(wù)是探測大氣溫度、濕度輪廓線、臭氧總含量、云參數(shù)和氣溶膠等，為數(shù)值天氣預(yù)報、氣候變化研究和環(huán)境監(jiān)測提供重要參數(shù)。地球輻射探測儀承擔(dān)探測地氣系統(tǒng)的長波輻射及地氣系統(tǒng)反射的太陽輻射，為中長期氣候變化研究提供精確輻射信息的任務(wù)。

  經(jīng)過十年在軌運行，風(fēng)云三號A衛(wèi)星目前工作在晨昏軌道，上海技術(shù)物理研究所研制的成像載荷均隨衛(wèi)星正常運行，超期服役8年，紅外地平儀工作正常，為提高氣象預(yù)報精度和防災(zāi)減災(zāi)、保證衛(wèi)星的連續(xù)穩(wěn)定工作發(fā)揮了重要作用，取得了良好的社會效益。幾臺載荷在軌工作以來，獲得了大量對地成像、探測遙感數(shù)據(jù)，由地面應(yīng)用系統(tǒng)處理生成了多項遙感業(yè)務(wù)產(chǎn)品，直接應(yīng)用于全球及中國地區(qū)重要天氣、環(huán)境事件以及氣候變化等方面的衛(wèi)星遙感監(jiān)測和分析。

  探索創(chuàng)新永無止境

  上海技術(shù)物理研究所在承擔(dān)研制風(fēng)云三號衛(wèi)星有效載荷的過程中，瞄準(zhǔn)當(dāng)時歐洲正在研制的METOP衛(wèi)星、美國開展研發(fā)的NPOESS計劃以及即將研制的NPP極軌氣象衛(wèi)星的有效載荷技術(shù)，突破多項技術(shù)難題，實現(xiàn)了所有核心技術(shù)的自主研發(fā)，力爭實現(xiàn)中國空間有效載荷研制技術(shù)從“跟跑”到“并跑”的發(fā)展。在經(jīng)年累月的技術(shù)攻關(guān)中，每個技術(shù)方案被推翻三四次是常事，甚至整套設(shè)計方案被推倒重來，目標(biāo)就是趕上國際最高技術(shù)水準(zhǔn)。風(fēng)云三號這四臺載荷的相關(guān)技術(shù)成果先后獲得兩項上海市科技進(jìn)步一等獎、兩項上海市科技進(jìn)步二等獎，2017年中國科學(xué)院杰出科技成就獎，同時也支撐了風(fēng)云三號A衛(wèi)星獲得國家科技進(jìn)步獎。

  在風(fēng)云三號A星的基礎(chǔ)上，上海技術(shù)物理研究所研制的多臺有效載荷在B、C、D星上持續(xù)運行。升空半年有余的風(fēng)云三號D星中分率光譜成像儀已開始源源不斷回傳高質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括8K高清真彩色地球影像在內(nèi)的25個光譜通道成像數(shù)據(jù)，還原了一個最真實的地球。成像儀多個通道的空間分辨率達(dá)250米，幅寬超過2800公里，每天都能將全球“掃”2遍。D星另一臺先進(jìn)光學(xué)載荷——紅外高光譜探測儀，則采用新的光學(xué)設(shè)計方案，將九個光學(xué)零件集成在一個探測器組件上，可有效提升靈敏度——大氣溫度分辨能力可達(dá)到0.1℃。它提供的數(shù)據(jù)能使我國大氣溫度和大氣濕度廓線反演精度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上得到顯著提升，進(jìn)一步提高中長期天氣預(yù)報的準(zhǔn)確度。

  目前，研發(fā)團(tuán)隊正在開展風(fēng)云三號03批衛(wèi)星的有效載荷研制工作，目標(biāo)是繼續(xù)做該領(lǐng)域的世界翹楚。這給團(tuán)隊帶來了無與倫比的成就感，是團(tuán)隊堅持20多年的動力，更是吸引諸多年輕人投身這項科學(xué)事業(yè)的重要原因。

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