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也是我国成功发射的第16颗风云系列气象卫星,高

2019-10-06 13:10

近几来,全球遥感卫星发射的次数在不断的增加。根据统计,2018年我国发射的遥感卫星已经达到了40颗,远超过2017年发射的19颗。而卫星上携带的多种仪器仪表载荷成为了卫星的“眼镜”和“耳朵”,延伸了卫星的功能,在多个领域发挥着重要的作用。 卫星遥感是在远离目标和非接触目标物体条件下探测目标地物,获取其反射、辐射或散射的电磁波信息,并进行提取、判定、加工处理、分析与应用的一门科学和技术,涉及到了观测仪、光谱仪以及成像仪等多种仪器仪表。 目前,国内已经形成了气象、海洋、高分、资源、环境等对地遥感观测卫星系列,在土地资源调查、生态环境监测、农业监测与作物估产、灾害预报与灾情评估、海洋环境调查等方面发挥着重要的作用。 其中,我国发射的用于环境减灾两颗卫星通过携带的光学和红外传感器,迅速准确的拍摄到澳大利亚火场的光学、红外和雷达图像,极大的帮助了澳大利亚的灭火行动;发射的用于监测大气污染状况的高分五号搭载了大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪,从不同方面实现对大气主要污染气体、温室气体、云和气溶胶等的综合探测。 在海洋观测领域,我国发射的海洋一号C星携带了海洋水色水温扫描仪、紫外成像仪、海岸带成像仪、星上定标光谱仪和船舶自动识别监测系统五种仪器,海洋二号B卫星携带了雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计、校正辐射计、数据收集系统和船舶自动识别系统6个有效载荷,来推动海洋环境的监测。 在地震机理研究、空间环境监测和地球系统科学研究等领域,我国发射了“张衡一号”卫星,搭载的载荷主要有电磁场有效载荷、电离层原位参数测量有效载荷、电离层结构层析成像载荷等3大类共8种仪器仪表,共同对空间环境进行监测。 虽然目前,世界各地已经发射了多颗卫星,但是卫星发射还远远没有进入到快速发展的阶段。2015年我国的 “吉林一号”项目中,计划于2030年完成138颗卫星组网。2019年5月,SpaceX“星链计划”正式启动,“星链计划”由近1.2万颗卫星组成,按照约定,SpaceX需在2024年之前成功发射6000颗卫星。未来,卫星的数量还会不断增加。无论对国防安全还是经济社会发展,卫星遥感的作用都不可小觑。 同时,采用快速、准确的实时观测技术,获得大范围、长时间序列的数据始终是卫星发射的目标,而观测技术的进步就取决于卫星上携带的仪器仪表。在卫星的不断发射过程中,也在推动着仪器仪表技术的不断升级。从被动的接受地物发射的自然光发展到接受地物发射的长波红外辐射,并能利用合成孔径雷达和激光雷达主动发射电磁波,实现全天候的对地观测,仪器仪表的功能在不断提升。此外,在性能上,仪器仪表也在不断的提高。相比海洋一号A星、B星来说,海洋一号C星海岸带成像仪的幅宽提升近2倍,分辨率提高了5倍,在轨寿命也从3年延长到5年,同时重量、体积、功耗等指标也得到了进一步优化。 随着我国经济的不断发展,城市化进程的不断加快,城市规划建设、旅游服务、城市公共安全等的发展,遥感技术的应用领域还将继续扩大。对于仪器仪表来说,也将与遥感卫星一起,发挥着更大的作用。

11月15日凌晨,我国在太原卫星发射中心成功发射风云三号D气象卫星,卫星顺利进入预定轨道。风云三号D星设计寿命5年,是我国第二代极轨气象卫星风云三号的第4颗卫星,可实现全球、全天候、多光谱、三维、定量遥感。该卫星共搭载了10台遥感探测仪器,其中7台由中国科学院研制。

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。

中国化工仪器网 行业动态】浩瀚宇宙再添一颗“中国星”!日前,由上海航天技术研究院抓总研制的高分五号卫星在太原发射基地成功升空并进入预定轨道,这是上海航天人的骄傲,也是“上海制造”的荣耀时刻。高分五号是我国首颗高光谱综合观测卫星,也是我国高分重大专项中唯一一颗高光谱观测卫星,是我国实现高光谱分辨率对地观测能力的重要标志之一。 要做就做好。立项之初,研制团队对标国际同期在轨运行的大气高光谱探测仪器和规划中的新一代星载高光谱成像仪的技术指标,果断决定搭载6台全新研制的有效载荷。其中,包括2台先进的高光谱/多光谱陆地观测载荷(可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪)和4台先进的大气类观测载荷(大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪和大气气溶胶多角度偏振探测仪),光谱分辨率国内高,国际领先。 高分五号卫星投入使用后,将为我国环境综合监测、国土资源勘察、气候变化研究、防灾减灾、农作物分类与估产等提供有力支撑,为美丽中国建设增添了一双“慧眼”。 不仅能探矿还可分析是何种矿 高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域。高分五号卫星总指挥蒋光伟说:“用户对高分五号卫星的需求非常迫切,2012年12月31日赶在当年的后一天卫星获批立项。”那时,闭幕不久的党的十八大上提出了要建设美丽中国,这也是当时环境保护部作为用户的颗卫星。 地球上不同物质都有自己独特的光谱特征,如果说肉眼只能看到物质的形状、尺寸等信息,光谱探测则可以分析物质的具体成分。比如说通过高光谱遥感技术,不仅能探测一个地方有没有矿,还可以分析是何种矿。蒋光伟告诉记者,一般多光谱卫星有几个到几十个探测通道,高分五号卫星6台载荷不仅实现了从紫外至长波红外全谱段的高光谱观测,而且其中可见短波红外高光谱相机一个载荷就有330个探测通道,可以获取0.4-2.5微米谱段的图像和连续光谱信息,其强大探测能力自不待言。 大气主要温室气体监测仪,是国际上首台采用空间外差干涉体制进行温室气体探测的有效载荷,可获取二氧化碳、甲烷等大气温室气体的高光谱数据,可用于对区域大气环境监测以及全球温室气体起源与经风向传播的“旅行图”进行分析等,为气候变化研究及环境外交提供基础数据。“高分五号卫星其实是将大气和陆地观测两类卫星的功能集合在一颗星上。”高分五号卫星总设计师孙允珠说。 突破关键技术实现高可靠长寿命 高分五号卫星就像是一个“运动员”,在国内运用高光谱/多光谱对地成像观测、天底观测、掩星观测、海洋耀斑观测、多角度观测、偏振观测等多种探测手段,是国内探测手段多的光学遥感卫星,工作模式多达26种。它强大的综合观测能力让用户对卫星的需求更为迫切。据蒋光伟透露,当时国内低轨遥感业务星设计寿命一般为3-5年,高分五号作为首颗科学试验卫星,设计寿命要求达到8年,还要提前发射,这使研制工作难度进一步加大。 要知道,高分五号在705公里的太阳同步轨道,每天都要经历近15次高低温变化和空间辐照影响,这对卫星使用寿命无疑是极大考验。为此,研制团队整整花了一年时间重新论证并改进、优化原先的设计方案,从元器件到线缆,从电源到活动部件,从载荷到平台,一一梳理,并针对探测器、制冷机等寿命薄弱环节开展了75项试验验证,突破多项关键技术。 为验证数传分系统的核心单机固存的长寿命和高可靠性,团队做了8万次的读写试验,相当于在轨使用16年,没有发现一个坏区。卫星天线在轨每天要进行大角度的摆动,是对使用寿命考验大的部件之一。即使卫星实际在轨运行8年也只需6万多次摆动,但高分五号团队在地面做了8万次摆动验证试验。 高分五号卫星从立项研制到成功发射正好经历了国家提出建设美丽中国砥砺奋进的五年,在轨运行的前三年是我国进行环境治理攻坚战的三年。投入使用后,将在我国高光谱分辨率遥感卫星应用方面起到重要示范作用。 编辑点评 可见短波红外高光谱相机可用于观测叶绿素、藻胆素、木质素、植被细胞和含水量、水体悬浮物、水汽和二氧化碳的强吸收带、冰雪粒大小、地表矿物成分、岩石类别和油气渗漏等。将有力提升我国在环境、生态、资源、农业、林业等多个领域遥感监测方面的能力,助力美丽中国和富强中国的建设,使我国高光谱遥感技术再上新台阶,走在国际前列。 (原标题:沪研首颗高光谱观测星成功发射 高分五号为美丽中国建设添“慧眼”)

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在这10台先进的遥感探测仪器中,除微波温度计、微波湿度计、微波成像仪、空间环境监测器和全球导航卫星掩星探测仪等5台继承性仪器外,红外高光谱大气探测仪、近红外高光谱温室气体监测仪、广角极光成像仪、电离层光度计为全新研制、首次上星搭载。此外,核心仪器中分辨率光谱成像仪进行了大幅升级改进,性能显著提升。

这是我国第二代太阳同步轨道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。

也是我国成功发射的第16颗风云系列气象卫星,高分五号是我国首颗高光谱综合观测卫星。中科院上海技术物理研究所升级改进出中分辨率光谱成像仪Ⅱ型,并全新研制了红外高光谱大气探测仪。中分辨率光谱成像仪Ⅱ型是此次卫星搭载的核心光学仪器,可与美国最新发射的联合极轨气象卫星的成像仪器相媲美,有望成为国际上最先进的宽幅成像遥感仪器之一。该载荷是在风云三号前三颗星配置的两台成像仪器——扫描辐射计和中分辨率光谱成像仪的基础上升级而来,新增了6个红外通道以及地面分辨率可达250米的红外分裂窗通道,仪器定标精度和探测灵敏度指标全面提高。研制团队在高灵敏度探测、全谱段星上实时定标提高定量化性能、多光路低温光校等技术上实现新的创新和进步,载荷可以通过250米可见光近红外通道每日无缝隙获取全球真彩色遥感图像,并可成为世界上首台获取全球250米分辨率长波红外分裂窗区资料的成像仪器。它可实现云、气溶胶、水汽、陆地表面特性、海洋水色等大气、陆地、海洋参量的高精度定量反演,为我国生态治理与恢复、环境监测与保护提供科学支持,为全球生态环境、灾害监测和气候评估提供中国观测方案。红外高光谱大气探测仪的“新”主要体现在:采用目前国际最先进的动镜式傅里叶干涉探测技术,实现对地气系统的高光谱分辨率红外观测。通过60毫米有效大口径、每秒4辐的快速光谱探测,可以在3.92微米到15.38微米红外光谱波段范围的1370个通道均实现0.625波数的探测能力,对大气进行分层精细观测。它可使我国大气温度和大气湿度廓线反演精度在现基础上提高1倍以上,接轨国际先进水平。研制团队在实现高精度甚长波红外多元探测的同时,首次在国内实现中波波段锑化铟材料光伏探测器的高性能航天应用;此外还实现了仪器研制和用户预处理的协同研究,有效提升了仪器定量化水平。

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。

中科院国家空间科学中心承担了微波湿度计、GNOS掩星探测仪、空间环境监测器、电离层光度计4台主载荷的研制任务。微波湿度计是风云三号气象卫星的重要载荷,探测全球大气温湿度分布、台风、暴雨等灾害性天气现象,对中长期数值天气预报和全球气候变化研究具有重要作用。风云三号C、D星微波湿度计是A、B星的升级换代产品,在国际上首次采用了下视方式118GHz进行对地观测,实现了温度和湿度的同步观测,探测数据被植入欧洲中期天气预报中心预报模式,与欧洲、美国的卫星一同在全球气象服务中发挥主导作用。空间环境监测器用于监测卫星轨道空间的质子和重离子、高能电子,实测粒子引起的辐射剂量效应、表面电位效应等,开展空间环境及其效应的综合探测,通过提供空间天气监测信息,为航天器安全保障服务。D星空间环境监测器采用了新型传感器并进行了设计改进,进一步降低了噪声干扰,提高了测量精度。GNOS掩星探测仪在风云三号C星在轨运行超过四年的基础上,探测能力显著提升,精密定轨精度、掩星观测数据质量和数量均达到国际先进水平,将为我国数值天气预报业务系统提供高时效、高质量的掩星数据产品,同时将有效改善全球掩星观测数据严重不足的现状。电离层光度计是我国首次在卫星上开展电离层全天候探测的定量化光学遥感载荷,可实现电离层电子密度TEC、峰值电子密度及O/N2的在轨实时监测。该载荷灵敏度高,在探测电离层小尺度扰动方面有极大优势。电离层光度计工作波段在远紫外波段,这也是我国首次在轨开展相关波段的探测,探测到的远紫外辐射强度将有力填补我国现有大气背景辐射数据库。

4台全新仪器 性能国际领先

中科院长春光学精密机械与物理研究所全新研制的广角极光成像仪是全球首台从空间获取远紫外波段、高时间分辨率、大空间范围极光图像的遥感仪器。它由大视场范围远紫外波段离轴反射多层膜光学系统、远紫外波段光子计数成像探测器、大运动范围扫描机构和电子学系统组成,可以对地球极区产生的140至180nm辐射进行高灵敏度、大范围成像,获取极光形态随时间和空间变化过程。广角极光成像仪在轨运行后,将在高磁纬地区实现每2分钟一幅130°×130°大范围的极光图像,星下点空间分辨率10公里,可以监视极光边界位置、电离层全局图像和沉降电子分布,实现极光强度和范围、极区沉降粒子变化的现报,进而开展磁暴预报、磁层亚暴预报和极区电离层空间天气预报。

风云三号D星共装载遥感探测仪器10台,其中4台为全新研制,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。

风云三号D星将与2013年9月发射成功的风云三号C星进行组网观测,进一步提高大气探测精度,增强温室气体监测、空间环境综合探测和气象遥感探测能力,促进气象卫星综合应用水平的提升,为促进生态文明建设、国家综合防灾减灾和“一带一路”建设等提供重要支撑。中科院研制的七大载荷无疑将在未来发挥重大作用。

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。

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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。

11月15日2时35分,我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭,成功将风云三号D气象卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。新华社发 张宏伟 摄

4台全新的有效载荷让风云三号D星的功能更为强大。

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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。

风云三号卫星有效载荷(图片来源:中国气象局)

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、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。

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。 来源:航天科技网站

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