日本首顆新一代氣象衛星向日葵－8入軌

肖武平（北京空間科技信息研究所）

向日葵－8（Himawari－8）是利用三菱電機公司DS－2000衛星平臺為日本氣象廳研制的新型氣象衛星，也是日本首顆第三代“氣象衛星”（GMS）。該衛星于2014年10月7日由H－2A－25火箭發射，星箭分離后，衛星利用其自身攜帶的遠地點發動機將衛星送入35800km高的地球靜止軌道。

1 向日葵－8概要

“向日葵”系列氣象衛星的發展概況

“向日葵”是日本“氣象衛星”系列的愛稱。日本氣象廳從1978年開始用“向日葵”進行氣象觀測，已持續36年，成功發射了8顆。日本是一個地震活動頻繁的國家，受臺風影響也相當嚴重，利用包括“向日葵”衛星在內的各類衛星來監視臺風動向、地震等的活動狀況，預測臺風行進路線以及監視和預測、預報暴雨等已成為一種必不可缺的重要手段。“向日葵”的觀測數據除用于氣象業務外，還有效地用于氣候、水資源、地球環境保護以及抗震、防災、救災等眾多領域。

向日葵－8和向日葵－9的應用計劃

包括向日葵－8，日本共發射了9顆氣象衛星，其中除首顆“多用途運輸衛星”（MTSAT）由于火箭問題發射失敗外，其他衛星都發射成功并投入在軌應用。向日葵－1～5屬于采用自旋穩定的第一代靜止“氣象衛星”系列，采用美國休斯公司的衛星平臺。向日葵－6、7屬于采用三軸穩定的第二代“氣象衛星”，不僅具備氣象觀測功能，還可提供航空管制服務，也稱“多用途運輸衛星”。平臺采用美國勞拉空間系統公司的LS－1300，其首發星發射失敗，其備份星“多用途運輸衛星”即向日葵－6，于1999年用H－2A火箭發射成功，以軌道工作星正式執行氣象觀測任務，同時提供航空管制服務。為確保連續、準確地向用戶提供滿意的氣象服務，日本氣象廳決定研制和發射“多用途運輸衛星”的軌道備份星。為推進氣象衛星國產化，在經濟產業省和文部科學省等的反復推薦下，日本運輸省最終同意了氣象廳選用三菱電機公司的DS－2000衛星平臺研制“多用途運輸衛星”的軌道備份星（多用途運輸衛星－1R），即向日葵－7，并于2006年2月26日用H－2火箭發射入軌，其設計壽命和執行觀測任務時間與多用途運輸衛星－1相同，分別為10年和5年。自發射入軌后，一直作為備份星在軌運行，其性能和功能都滿足了設計要求，令用戶滿意。當多用途運輸衛星－1即將停止工作前（2010年7月），多用途運輸衛星－1R就開始正式執行氣象觀測和提供航空管制服務任務。按設計壽命，向日葵－7將于2015年達到壽命期限。由于向日葵－7在軌運行正常，加之政府強力支持國產化，氣象廳提出繼續采用三菱電機公司的DS－2000衛星平臺研制向日葵－8和9。在得到設計行政部門運輸省批準后，于2010年與三菱電機公司正式簽署訂單，也被稱之為第三代“氣象衛星”。三菱電機公司自2009年財年開始研制向日葵－8和9，按合同要求，于2014年10月完成向日葵－8的發射任務，于2015年接替達到執行任務壽命期限的向日葵－7繼續執行觀測任務；而向日葵－9則按計劃要求將于2016年發射。

向日葵－8衛星概況

向日葵－8和9都是一顆全長約8m（含單太陽電池翼）的衛星，發射質量約3500kg。采用三菱電機公司DS－2000衛星平臺（三軸控制）為用戶設計的氣象衛星的組態，設計壽命為15年，執行觀測任務壽命長于8年。

在向日葵－8的研制過程中，重點解決了以下5個問題：

1）完成包括新型主遙感器—可見光紅外輻射計（AHI）在內的衛星本體的研制；

2）開發處理可見光紅外輻射計觀測數據的專用軟件；

3）完善與衛星（向日葵－8和9）通信用的地面設施；

4）完善對衛星（向日葵－8和9）進行監視與控制用的地面設施；

5）完善執行對可見光紅外輻射計觀測數據進行處理用的軟件處理設施。

其中，為確保衛星的穩定運行，按設計要求，要確保有效載荷對準觀測對象和太陽電池翼對準太陽，以及開發出高分辨率的可見光紅外輻射計是關鍵。

在衛星指向地球方向的臺面（ZS方向）上受震動和熱影響較小，主要配置有效載荷儀器和姿態測量部件，其核心有效載荷部件是可見光紅外輻射計；姿態測量部件則包括可大幅度提高測量精度和衛星測量精度的儀器，包括星跟蹤器（STT）、慣性基準單元（IRU）、高頻速率敏感器（ARS）和加速度計（ACC）等。

向日葵－8的構造

向日葵－8和9的姿態確定選擇以星追蹤器和慣性基準單元為主體，采用把星追蹤器和慣性基準單元獲取的數據與高頻速率敏感器和加速度計獲取的數據同時發送到地面，經地面處理后用于高精度的姿態確定。同時，在衛星本體也對經地面處理后的數據作為姿態控制用的信息，進行高精度的姿態控制。這樣就可以避免像向日葵－7等那些以地球敏感器為姿態檢測主體的衛星，有時會出現無法連續進行姿態控制等問題，確保衛星在整個運行過程中都能夠大幅度地提高控制精度（采用地球敏感器為姿態檢測主體的向日葵－7的姿態控制精度：滾動0.045°；俯仰0.043°；偏航0.128°；而以星跟蹤器和慣性基準單元作為姿態檢測主體的向日葵－8的姿態控制精度：滾動0.013°；俯仰0.022°；偏航0.013°），可確保穩定地完成各種觀測。此外，還可以做到只要在全球范圍內辨識出任何一顆星，就可以根據進入視野范圍內的那顆星所在的具體位置確定衛星的姿態，在不受時間限制的情況下保持姿態穩定。另外，采用這種控制方式不僅可以確保在通常運行時，就是在發射后進行姿態捕獲時以及萬一喪失姿態時，也能夠在不受任何限制的情況下進行再捕獲。在這一平臺上配置的測量儀器與這種將可見光紅外輻射計的觀測數據和位置檢測數據匹配使用，更加有利于完成高精度姿態控制和位置調整等。

此外，這一平臺上還配備有傳送觀測數據用的Ka頻段天線、發送和接收遙測指令用的Ku頻段天線、轉發通報數據和接收地面數據用的特高頻（UHF）天線。

與上一代氣象衛星向日葵－7相比，向日葵－8總質量大幅度下降，執行任務能力增強，設計壽命和執行任務時間大幅度延長，并且具有多波段、觀測間隔縮短、空間分辨率更高等特點。

向日葵－8與向日葵－7性能參數

2 氣象觀測能力

作為向日葵－7的后繼星，向日葵－8搭載了世界上最先進的下一代氣象觀測遙感器—可見光紅外輻射計，不僅大幅度地提高了設計壽命（向日葵－7的設計壽命為10年，執行觀測任務時間為5年，而向日葵－8的設計壽命為15年，執行觀測任務時間為8年以上）；而且還率先在星上搭載了領先國際水平、具有很強觀測能力的可見光紅外輻射計，大幅度地提高了氣象觀測能力（增加了近紅外頻段，觀測頻段多達16個），獲取的數據量是向日葵－7的50倍；大幅度地縮短了對全球觀測所需的時間（向日葵－7需30min，而向日葵－8僅需10min）。完成在軌性能試驗后,將按計劃于2015年正式接替向日葵－7執行氣象觀測任務。

向日葵－7搭載的紅外線輻射計僅有5個波段，分別是可視光，1個頻段，僅黑白圖像；紅外，4個頻段。而向日葵－8搭載的可間光紅外紅外輻射計共有16個頻段，其中，可視光，3個頻段（彩色，包藍、綠、紅，可進行圖像合成）；近紅外，3個頻段；紅外，10個頻段。頻段的大幅度增加，不僅大幅度地提高了觀測性能，同時還提高了對圖像的分辨率，如向日葵－7對可見光圖像的分辨率僅為1km，而向日葵－8則達0.5km；向日葵－7近紅外對圖像的分辨率為4km，而向日葵－8則無論是近紅外還是遠紅外都達到了1km。就對全球進行觀測所需的時間而言，向日葵－7需要30min，而向日葵－8僅需10min。再比如，用3臺可見光紅外輻射計的可見光圖像（藍色：0.47μm、綠色：0.51μm、紅色：0.64μm）合成的圖像與人在太空中看到的地球圖像非常相似，用其可有效監測黃沙和森林火災等。

搭載向日葵-8的H－2A火箭

向日葵－8與向日葵－7搭載的紅外線輻射計頻段的區別

在一個基本單位內實施的觀測計劃

1個基本單元內各觀測區域可完成的觀測次數

與向日葵－7相比，向日葵－8大幅度地加快了觀測頻率。向日葵－8要完成對全球觀測以及5個特定區域的觀測合計僅需10min，而它通常是以10min作為1個實際觀測基本單元，在一個基本單元時間內不僅可以從西向東掃描，還可從北向南依次完成23次掃描，獲取從地球北端到南端的觀測數據，即全球觀測數據，同時還有可重復獲取若干個小范圍的觀測數據的功能。實際上，向日葵－8在每實施一次全球觀測時段內就能夠對5個特定區域進行重復觀測，相當于每2.5min就可以對日本周邊的2個區域（即圖中區域1和區域2，從東到西2000km、從南到北1000km的區域）進行1次觀測，對這2個區域的觀測是固定不變的；而另外3個觀測區域是可變的，其中1個是每2.5min就可觀測1次的區域（即圖中區域3，從西到北1000km、從東到西1000km），這一觀測對象為臺風、火山和低氣壓發展區域；另外2個區域（從東到西1000km、從南到北500km）則大約每30s就可改變一次，主要是根據需求對地球上最有典型特征的海岸線進行觀測，依次獲取所需的海岸線圖像，同時還計劃根據獲取的海岸線的觀測位置與預測位置之差對衛星姿態參數進行修正。此外，還可以根據所觀測到的對快速生成的堆積烏云等驟然變化監視各種特殊的氣象現象。

3 結束語

向日葵－8的發射成功引起了航天界和氣象界人士的普遍關注，其正式投入使用后的效果更為人們所關心，希望它能夠取得理想的應用效果，為人類提供更準確的天氣預報、環境保護所需的信息，為防災、減災做出貢獻。