我國風云衛星體系的發展思考

董瑤海

（上海航天技術研究院，上海 201109）

0 引言

我國幅員遼闊，氣象災害頻發，臺風、暴雨洪澇、干旱、霧霾等氣象災害每年均給我國帶來巨大的經濟財產損失和人員傷亡。據統計，我國氣象災害造成的經濟損失占所有自然災害的71%，平均每年約2 500 億～3 000 億元。在全球氣候變化背景下，極端天氣氣候事件趨多趨強，對人類的生命和財產安全造成極大威脅。氣象衛星的觀測不同于傳統的氣象觀測，主要特點是從宇宙空間自上而下、連續不停地進行全球或大區域范圍的觀測［1-2］。我國的風云衛星可對全球和區域范圍內的極端天氣、氣候和環境事件進行及時高效觀測，是防災減災、應對氣候變化和生態文明建設的重要手段［2-3］。有關部門統計數據表明，氣象災害造成的經濟損失占GDP 的比例由20 世紀90 年代的3%左右逐年下降至目前的小于1%，年平均死亡人數至少減少了50%。

當前，我國高度重視風云氣象衛星事業發展，已成功發射兩代四型17 顆風云氣象衛星，實現了長壽命、高可靠、覆全球、高精度、全定量的系列化和業務化自主發展，實現了從無到有、從跟跑到并跑，再到局部領跑的跨越式發展［4-5］。習近平總書記對推廣風云氣象衛星國際應用提出了明確要求和殷切期望。2018 年，習近平先后在上海合作組織青島峰會、中國-阿拉伯國家合作論壇第八屆部長級會議和中非合作論壇北京峰會提出要利用風云氣象衛星和氣象遙感衛星技術為“一帶一路”沿線國家和地區提供服務。2019 年，習近平訪問吉爾吉斯斯坦期間，見證了中吉兩國風云氣象衛星服務合作協議的簽署，并在兩國聯合聲明中指出要“建立氣象衛星數據共享機制”。

我國正在制訂《我國氣象衛星及其應用發展規劃（2021—2035 年）》，預計到2035 年，將逐步建立高低軌協同觀測、天地一體化發展、運行穩定、布局合理、性能優良和效益突出的第三代風云氣象衛星及應用體系，地面系統集約智慧運行，有效支撐國內各行業應用；全面建成衛星遙感綜合應用體系，打造服務“一帶一路”建設的品牌，使風云氣象衛星觀測能力和應用能力達到國際領先水平［4］。

1 全球氣象衛星發展現狀和趨勢分析

1.1 國外氣象衛星發展現狀

自1960 年世界上第一顆氣象衛星發射成功以來，先后經歷了從試驗到業務、從民用到軍用、從極軌衛星到靜止衛星、從單一儀器觀測到綜合儀器觀測、從定性到定量的發展歷程。國外氣象衛星經過幾十年的發展，已形成多軌道、種類較為齊全的衛星發展系列，目前已組成了全球氣象衛星觀測網［2］。國外典型氣象衛星見表1。

表1 國外典型氣象衛星系列Tab.1 Typical meteorological satellite series abroad

隨著氣象業務的不斷發展，對天基氣象觀測的準確度、時效、分辨率、觀測種類以及全球和全天候觀測能力等提出更高的要求，各國都競相開發研制新一代氣象衛星［5］。美國和歐盟分別發展了低軌系列氣象衛星上、下午星，采用光學、微波綜合觀測手段，實現組網業務觀測，美國還發展了專用的科研業務星在觀測時間維度上進行必要的補充。歐空局通過“哥白尼計劃”進一步拓展天氣氣候綜合業務觀測，計劃約有30 顆衛星組成龐大的觀測系統。日本、韓國和俄羅斯等最新一代高軌氣象衛星已成功發射，衛星平臺和載荷性能相比上一代大幅提升，可以高頻次獲取地球圓盤和中小區域氣象觀測數據，預計服務至2030 年前后。

國外氣象衛星觀測體系有如下發展特點［4］：

1）衛星系列完備。美國有完善氣象衛星發展體制，低軌方面有民用NOAA 衛星系列、聯合極軌衛星系統（Joint Polar Satellite System，JPSS）等；俄羅斯有Meteor-3 極軌氣象衛星；歐空局有METOP專用氣象衛星；靜止軌道主要以GOES、MTG 等光學衛星系列為代表。

2）載荷性能優越。美歐氣象衛星有效載荷性能日益提升，極軌氣象衛星方面以JPSS 衛星為代表，其主要有效載荷可見紅外成像儀、跨軌紅外大氣探測器（Cross-track Infrared Sounder，CrIS）等探測載荷，探測波段包括紫外至微波，可見紅外成像儀設置了可見至長波紅外22 個通道，同時還包含微光通道；靜止氣象衛星方面，GOES-R 衛星裝有先進基線成像儀（Advanced Baseline Imager，ABI）等，ABI 具有16 個通道，可見光近紅外分辨率0.5～1.0 km，紅外分辨率2.0 km，特別是可以每5 min 提供一次全圓盤圖。

3）衛星組網觀測高效。NOAA 衛星系列采取上、下午星的組網觀測方式，美國“國防氣象衛星”（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）為晨昏軌道軍事氣象衛星，軌道設計和應用中考慮與NOAA 衛星的探測結合和分工。歐洲METOP衛星在載荷配置上考慮與NOAA 衛星組網觀測的效能，美國NASA 積極組織多國參與進行全球觀測，建立EOS 系統，并積極發展TRMM 低傾角全球降水衛星系列和“A-train”全球氣候觀測衛星編隊等。

4）軍民共同使用。DMSP 衛星是專用軍事氣象衛星，所獲得的資料主要為軍隊所用，但也向民間提供云高、陸地和水面溫度、水汽、洋面和空間環境等信息。美國國防部負責的國防氣象衛星系統（Defense Weather Satellite System，DWSS），以及由NOAA 和NASA 共同負責的JPSS，形成了美國軍民共用氣象衛星系統計劃。

5）重視空間天氣監測。美國、歐洲等國家已建立空間環境監測衛星體系，監測空間環境并發布監測、預警報告。空間環境數據不但作為空間天氣預報、警報的輸入條件，也促進了空間環境模型的完善，有力保障了航天器在軌安全，我國目前還尚無專門的空間天氣監測衛星。

1.2 我國氣象衛星發展趨勢

我國同時發展極軌和靜止軌道兩種氣象衛星，可實時準確監測不同時空尺度的天氣系統、氣候過程和全球變化，獲取完整的大氣遙感資料。經過近50 年的發展，我國研制并發射了“兩代四型”氣象衛星，建立了長期、穩定、連續運行的高低軌組網氣象衛星觀測系統，實現了業務化、系列化的發展目標［2］。

風云一號、風云二號系列衛星為我國第一代風云氣象衛星，實現了我國氣象衛星的從無到有和業務化運行。風云一號衛星是我國自主研制的第一代太陽同步軌道氣象衛星，也是我國第一顆傳輸型遙感衛星，使我國首次實現了氣象、海洋和空間環境的綜合探測應用，真正實現了“一星多用”，開創了我國氣象衛星事業和航天事業的新紀元。風云二號衛星是我國第一代地球靜止軌道氣象衛星，突破了自旋靜止衛星5 通道觀測技術、高精度圖像質量的衛星設計技術、星地一體化圖像配準與定位技術、高精度定量產品及應用、星地一體化的業務能力擴展等關鍵技術。風云二號系列共發射8 顆衛星。

風云三號、風云四系列衛星為我國第二代風云氣象衛星，實現了我國氣象衛星的性能大幅提升和定量化應用。風云三號已成功發射了2 批次4 顆衛星，實現了從紫外、可見光、紅外到微波探測的多載荷集成，可實現全球、全天候、多光譜、三維、定量綜合對地觀測，探測能力達到國際先進水平。世界氣象衛星協調組織（Coordination Group for Meteorological Satellite，CGMS）已將風云三號衛星納入新一代世界極軌氣象衛星網發展規劃。風云四號衛星作為我國第二代靜止軌道氣象衛星，是目前全球所有靜止軌道氣象衛星中綜合對地觀測能力最強的氣象衛星；其為國際首次由一顆星實現“高精度二維掃描成像+紅外高光譜三維探測+超窄帶閃電探測”，率先實現了靜止軌道紅外高光譜大氣垂直探測，達到世界領先水平；首次實現了我國天基高幀頻高靈敏閃電探測。目前正在同步研制多顆風云三號和風云四號衛星，2025 年前將建成完整的第二代風云氣象衛星觀測系統。

隨著氣象應用技術的發展，對星載遙感儀器的探測時間、空間和光譜分辨率要求大幅度提高，對探測信息反演物理量的要求越來越趨于精確定量化，必須具備長期穩定連續觀測的能力。WMO 全球綜合觀測系統預計，到2040 年用戶將需要：更高分辨率的觀測和更高的時間與空間采樣、覆蓋；數據質量提升；新型數據類型，填補目前的觀測空白；高效且可交互操作的數據傳輸。從國內外氣象衛星發展的現狀和未來需求來看，氣象衛星的發展趨勢如下：

1）多星組網觀測，發揮不同軌道衛星觀測的優勢。不同軌道探測具有其獨特的觀測優勢，結合不同軌道氣象衛星進行組網觀測，能夠充分發揮不同軌道衛星的作用，通過優勢互補，實現對氣象、氣候的高時空分辨的高精度預報和預測。

2）衛星平臺能力不斷增強，為高精度探測提供保障。歐美氣象衛星平臺功能不斷增強，性能逐步提高，具有高性能的在軌自主管理、高精度的定位和姿態控制以及靈活高效的業務觀測，確保觀測數據的高質量和長期有效性。

3）配置多種探測手段進行數據融合處理，發揮不同探測體制的作用。目前歐美新一代氣象衛星均注重星載有效載荷的綜合探測技術，配置了多種探測手段，如光學探測、微波主被動探測、臨邊探測、高光譜探測等探測手段，通過對多類型傳感器協同觀測數據的融合處理，進一步提高對整個地球5 大圈層（大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈和生物圈）的綜合探測。

2 新一代風云衛星發展設想

新一代風云衛星在觀測要素、探測精度、探測手段、長期穩定性、協同觀測、數據高效融合和應急快速響應等方面實現跨代，最終實現新一代風云衛星協同智慧觀測體系。通過網絡化協同運行，提高綜合觀測效益。

2.1 衛星系統體系化發展

隨著氣象觀測需求的強勁增長和應用的不斷深入，風云氣象衛星及應用技術快速發展，新一代風云衛星由單星觀測向體系化、智能化方向發展。體系化包含兩層含義：

1）高效協同的體系化。對于短臨天氣預報而言，特別是突發天氣事件，其決策需要更高頻次的氣象觀測數據。比如：實時監測臺風、強對流系統的強度和路徑變化；對局地災害性事件（森林火災、火山爆發、局地暴風雪、空氣污染、化學或放射性事故等）進行實時監測和發展趨勢預測。新一代風云衛星通過衛星組網、協同觀測提供全球1 h 級和中國區域1 min 級數據，提高數據觀測和獲取時效性。通過空間布局、多星組網和協同觀測等方式充分發揮各類觀測手段的體系化優勢，實現高時空分辨率連續觀測能力［3］。低軌風云氣象衛星將建成由上午軌道、下午軌道、晨昏軌道等綜合觀測衛星和低傾角軌道專用測量衛星組成的完備觀測系統；高軌風云氣象衛星將建成光學星和微波星組網、東西布局、在軌備份的總體格局，最終形成高低軌、大中小衛星結合，支撐全要素和多圈層綜合觀測、高低軌互聯、智能協同的新一代智慧氣象衛星觀測體系［5］。

2）觀測要素的體系化。從觀測需求的角度出發，我國氣候種類多樣，地理特征獨特，自然災害頻發。我國自然災害以臺風、洪澇、地質和風雹等災害為主，地震、干旱、低溫冷凍、雪災、森林火災和草原火災等災害也以不同程度發生；數值天氣預報需要衛星能夠準確完整地給出大氣的初始狀態，涉及大氣溫、濕、壓、風、云和大氣成分等關鍵變量信息；青藏高原被譽為“世界屋脊”“地球第三極”“亞洲水塔”，是我國重要的生態安全保障、戰略資源儲備基地、生態環境脆弱區，也是全球氣候變化最為敏感的地帶之一。目前我國對青藏高原多圈層綜合觀測不足，對災害風險預估的科技水平有待提升。

目前，風云氣象衛星缺乏對影響與氣象、氣候預測精度的溫室氣體、痕量氣體和三維云微物理特性參數、全球風場以及高頻次的大氣降水測量等信息的探測能力，下一代氣象衛星將發展激光雷達、紅外高光譜和多普勒全球測風技術，近紅外、微波等氣壓探測技術，高頻次云雨穿透主被動微波及激光探測技術等。氣象衛星以國內氣象、氣候和自然災害監測迫切需求為牽引，開展體系組網、軌道布局、儀器配置等針對性研究，形成全要素觀測能力。通過光學與微波、主動與被動、天底與臨邊、偏振、多角度等觀測手段，實現全要素組合觀測能力，服務天氣氣候預報、生態環境監測和防災減災。

2.2 定量精度和穩定性提升

新一代氣象衛星將瞄準世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）全球綜合觀測系統（WMO Integrated Global Observing System，WIGOS）2040 年愿景和我國氣象衛星后續觀測需求，在補全探測要素的同時進一步提高定量化觀測精度，實現定量化更準的氣象觀測。未來數值天氣預報、短臨天氣預報和微尺度天氣現象觀測，均需要更高的空間分辨率和光譜分辨率。到2040 年，全球數值天氣預報分辨率將達到1 km（目前為10 km），區域數值天氣預報分辨率將達到100 m（目前為1.5 km），垂直分辨率將達到200 m（目前為2 km），對衛星觀測要求空間分辨率優于100 m，垂直分辨率優于200 m。

高精度天氣預報需要氣象衛星測量精度優于1%（可見通道）、0.1 K（紅外通道）、0.4 K（微波）；對于氣候預測和服務而言，由于氣候的長時間序列的緩慢變化特點，其對氣象衛星遙感儀器探測精度和穩定性的要求非常高，探測穩定性要求10 年變化率優于0.3%（可見通道）、0.1 K（紅外通道）、0.01%（太陽輻射測量）。因此，需要進一步提高觀測精準度（高精準度、高信噪比）以滿足氣候和痕量及污染氣體的觀測需求。

目前我國氣象衛星在觀測要素的全面性和精度方面，還無法滿足未來氣象業務的需求，而準確及時的精細天氣預報與國民經濟建設、國防安全，以及保障人民生命財產安全和提高生活質量密切相關。未來數值天氣預報水平分辨率全球尺度要達到“公里級、小時級”，區域尺度達到“百米級、分鐘級”，其關鍵突破口在于提供更高時間和空間分辨率、更高精度和穩定性的大氣溫濕度廓線等氣象衛星資料，需要進一步拓展觀測要素，填補天基觀測空白，從空間三維、時間和要素等三個維度來刻畫地球大氣圈層的快速發展變化，滿足應用需求［1-2］。

2.3 觀測手段和體制升級

氣象衛星產品是對地球多圈層、多要素和多尺度的長序列、高分辨率、高精度和高質量的多源觀測資料融合產品集。根據WMO 全球觀測系統和我國氣象衛星后續觀測需求，氣象衛星需填補觀測要素空白，補齊現有氣象觀測短板，提高衛星和有效載荷性能，實現多圈層、全要素、高效能和高質量觀測。

1）填補氣象觀測要素空白及短板。針對溫室氣體、痕量氣體和三維云微物理特性參數、全球風場以及高頻次的大氣降水測量等信息的探測空白，氣象衛星需配備“光學+微波、主動+被動、天底+臨邊”等多門類的新型的遙感儀器，采用新型的航天載荷探測技術，包括主動激光氣象雷達、主被動相結合的氣壓探測雷達、多頻段云雨測量雷達、氣象合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）、紫外-可見-紅外-微波全波段臨邊大氣痕量氣體廓線探測儀等新型探測手段，有效獲取地球多圈層、全要素的氣象宏觀參量和微觀特征信息，實現對大氣關鍵參量的高精度、準實時的有效觀測。后續靜止軌道衛星將考慮擴大觀測覆蓋范圍，提升全球觀測能力，進一步加強中小微尺度天氣現象的高動態觀測，如臺風、暴雨的秒級視頻成像觀測。通過要素的補齊和時空分辨率的提升，為天氣預報及全球氣候預測、生態和空間環境監測、氣象災害應急觀測等應用領域提供精細化的探測資料。

2）提升氣象衛星綜合觀測性能。隨著氣象衛星探測技術的不斷進步，在提升定量化測量精度的同時，氣象衛星用戶對航天器的智能化、網絡化提出了迫切的需求，要求新一代氣象衛星“好用、易用、管用”，要求衛星提升操控性和自主健康管理能力，減少地面運行維護的負擔。現有氣象衛星常規固化的觀測模式和數據時效性，制約著載荷探測資料在氣象災害應急觀測中有效快速應用，對區域強對流天氣高時間、空間分辨率探測及數據融合處理等能力也不足。新一代氣象衛星通過星間互聯互通、協同觀測和多源數據融合，提升氣象衛星體系綜合觀測效能［6-7］，實現星上自主任務規劃、自主健康管理、災害信息實時處理，以及高低軌星間、星地一體化網絡的運行［8-9］。

3 新一代風云衛星技術特點

新一代風云衛星體系將進一步滿足數值天氣預報、天氣氣候分析、生態環境監測等領域高精度、高穩定度的定量應用需求，全面瞄準國際先進和領先水平。

3.1 智能互聯互通體系技術

新一代氣象衛星數據傳輸呈現大吞吐量、多星組網通信、應急信息分發等特點，氣象衛星組網通信已成為信息快速獲取、多星協同智慧觀測的必備鏈路，新一代風云衛星體系朝著體系化及智能化方向發展。

3.1.1 氣象衛星體系網絡互聯互通總體技術

圍繞數據高效傳輸、暴雨、臺風、火災、陸地災害等應用需求，一體化氣象衛星網絡傳輸組網體系架構從功能架構、控制架構、部署架構三方面構建多場景適用、多任務滿足、資源高效利用和靈活可擴展的網絡體系架構。高軌衛星作為體系骨干網和核心網絡，利用其覆蓋和星上處理能力的優勢，并控制接入層低軌衛星實現高效的切換。風云衛星將具有高低軌異構星座自主接入模式多、可靠運行要求高、需要快速精準建鏈等特點，將實現星間網絡和星地傳輸網絡的互聯互通及高效融合［8-9］。

3.1.2 典型氣象遙感信息星上智能融合處理分發技術

面向未來天氣和氣候應用、環境和自然災害監測、海洋環境探測需求，在保障業務應用和應急觀測場景下，衛星遙感監測產品的實時業務化生成及分發，發展可見光/微光、紅外、微波等載荷的星上預處理、融合處理及動態生成算法；通過實現星上可見與紅外、紅外與微波數據融合處理，加強氣象災害應急處理能力，實現風云衛星體系協同智慧觀測，提升氣象衛星體系觀測及應用效能，進一步提升我國天基系統應急綜合服務能力［10-12］。

3.1.3 高低軌氣象衛星智能協同觀測及自主任務規劃技術

面向氣象要素遙感的星上知識系統構建、氣象遙感任務星上自主決策、在軌啟發式智能任務推理和基于網絡化協同的星上自主任務規劃等內容［13］，綜合利用載荷信息、資源信息、引導信息，實現對氣象常規、突發、自主生成等任務目標的最優化處理、資源管控和動作序列生成，從而大幅度提升星上智能化任務執行能力，實現自主智能的氣象災害快速響應智慧觀測體系［14-17］。

3.2 空間高精度基準傳遞技術

受傳統遙感載荷定標系統設計及地面輻射校正技術理論極限的制約［18］，目前氣象衛星輻射定標停留在太陽反射譜段2%、紅外譜段0.2 K 的不確定性水平，其精度難以繼續提高。進入21 世紀后，氣候變化問題成為全球關注熱點，對氣象衛星輻射測量精度提出了前所未有的要求。氣候變化研究需要甄別每百年不到1 K（每10 年0.1 K）的溫度變化，現有的輻射定標技術無法滿足這一需要。ASIC（Achieving Satellite Instrument Calibration for Climate Change）報告提出，為準確預測氣候變化，遙感衛星觀測必須長期保持在太陽反射譜段0.3%、紅外譜段0.1 K、太陽總輻射0.01%的不確定性水平。

為提升全球氣象等遙感衛星輻射測量精度水平和滿足全球氣候變化研究需求，美歐和中國科學家幾乎同時提出了空間輻射測量基準傳遞的概念。空間輻射測量基準衛星是具有極高輻射測量精度的定標衛星，與其他遙感衛星對地球同一目標的同時空觀測，去“標定”其他衛星，從而將輻射測量基準“傳遞”到別的衛星之上。既可以訂正其他遙感儀器不確定度，解決不同遙感儀器相互一致性問題，為空間地球觀測系統提供高精度可溯源的統一基準，又可以實現長期穩定的超高精度輻射測量，滿足全球氣候變化監測需求。

我國高度重視空間輻射測量基準問題，連續通過國家重點研發計劃等渠道支持空間輻射測量基準技術發展，部署了“空間輻射基準源研制”和“空間輻射基準載荷研制”等前瞻性預研項目，為空間輻射測量基準系統研制奠定了堅實的技術基礎［19］。空間輻射測量基準衛星定標精度要比現有遙感衛星高一個數量級，必須完成原理突破和技術革新。近幾年，國內相關優勢單位在空間輻射基準方面均取得了一定的理論突破和技術攻關成果，都為空間輻射基準載荷研制和基準傳遞技術奠定了基礎［20-21］。

瞄準支撐實現國際首次空間輻射測量基準溯源的目標，面向新體制的空間輻射測量基準載荷和復雜的輻射基準傳遞模式，必須采用全新的設計思想和實現方法，開展精細化、定量化、智能化遙感平臺技術研究，突破全球高低軌衛星遙感儀器高精度基準傳遞系統指標體系，構建面向長時間序列氣候觀測的大尺度平臺與載荷一體化高精高穩控制、面向多星交叉定標場景實時智能自尋優和調度管理等關鍵技術，進一步提高衛星平臺長壽命、高可靠、敏捷性、穩定性等方面能力，提升全球氣象、遙感衛星整體定標精度。根據我國相關規劃，中國將成為第一個建立空間輻射測量基準的國家，率先實現直接向國際單位（SI）溯源。

3.3 高性能新體制載荷技術

根據WMO 地球觀測系統2040 遠景目標和我國氣象觀測需求，新一代氣象衛星在現有載荷基礎上，發展氣象觀測必需的核心高精尖氣象觀測載荷，開展換代載荷功能、性能提升方面的技術攻關，帶動我國載荷核心技術發展，同時，對新型載荷開展技術攻關，填補應用空白。

3.3.1 換代載荷關鍵技術

瞄準用戶定量化精度、時空分辨率和光譜分辨率等需求，開展氣象衛星的多通道成像、高光譜探測、微波成像和極軌主動降雨測量等有效載荷功能、性能換代關鍵技術研究，包括多功能可見紅外多光譜成像技術、紅外甚高光譜大氣探測技術、一體化高光譜大氣溫濕度探測技術、高精度一體化高性能微波成像技術、紫外-可見-紅外高光譜探測技術和寬幅高光譜溫室氣體監測技術等研究；突破核心關鍵技術、關鍵器件技術，如大面陣/長線列探測器、光柵、高精度定標黑體、高精度測角機構等核心元器件和傳感器技術、大功率散熱和芯片級散熱技術等關鍵技術，引領天基氣象觀測核心技術發展。多通道成像載荷實現亞百米級空間分辨率，可見光1%、紅外0.1 K、微波0.4 K 定標精度，高光譜探測實現1～5 km 分辨率、0.25 cm?1大氣溫濕度和痕量氣體探測。

3.3.2 新體制載荷關鍵技術

針對地球系統觀測中了解較少的大氣信息空白，如大氣成分、數值模式中的云、氣溶膠、輻射收支、風、太陽風、溫室氣體、臨近空間溫度場和風場等，需開展新型載荷關鍵技術研究，包括太赫茲冰云成像技術、三頻降水多普勒雷達技術、激光雷達測云、測風技術、氣象SAR 技術、主動微波海表氣壓雷達技術、空間輻射基準測量載荷技術、高軌太赫茲冰云探測和低軌大視場閃電觀測技術等，突破長壽命高穩定干涉式激光器光源及收發系統、太赫茲雷達天線及發射源技術、高精度高穩定輻射源技術和核心器件低功耗小型化技術等。解決新型載荷面臨的工程化難題，填補高功耗三維降水結構探測、高精度三維云結構探測、高靈敏度冰云微物理參數探測和主被動聯合高精度海面氣壓探測等觀測手段和觀測要素的空白。

3.4 高品質遙感平臺技術

為滿足高性能載荷提供高品質運行環境，對衛星平臺性能提出了更高需求，主要體現在平臺靜穩能力［22］、變形測量與控制、圖像導航配準技術的提升。

3.4.1 平臺靜穩能力

平臺姿態穩定度是影響載荷成像質量的核心指標。與常規遙感衛星相比，氣象衛星配置大型撓性帆板和多臺大慣量旋轉載荷，具有低頻撓性密集、干擾力矩復雜多變等動力學特性，高精高穩控制難度大。需要解決帆板撓性振動的被動抑制、復雜干擾力矩高精度實時辨識與補償控制等難題，為遙感載荷提供靜穩的工作環境［23-25］。

3.4.2 變形測量與控制

由于氣象遙感要素多、精度高，需要衛星采用多種有效載荷對同一目標進行多手段觀測。而在軌冷熱交變環境下，安裝面熱變形引起的指向偏差將導致載荷指向偏離預定目標。為解決多載荷精準指向問題，需要通過高導熱和低膨脹材料的低變形結構設計、高精度激光光電探測器件（Position Sensitive Device，PSD）測量實現超低變形結構及在軌測量［26-27］。

3.4.3 圖像導航配準

在數值天氣預報中，需要使用衛星圖像對云、地物進行精確的定位和追蹤，傳統的地面配準手段因重采樣造成的輻射精度或分辨率損失，影響定量應用效果。

針對新一代氣象衛星亞角秒級圖像定位精度的需求，需要通過相對統一基準的高精度姿態確定、姿態軌道偏差在軌實時補償（如圖1 所示）、成像系統在軌熱變形等效建模等手段，提升遙感圖像定位配準精度達到亞角秒級圖像定位，為遙感數據的定量化處理和應用提供保障［13］。

圖1 星上實時補償開啟前后圖像定位精度對比（500 m 分辨率）Fig.1 Comparison of positioning accuracy of images before and after opening real-time compensation（500 m resolution）

4 發展舉措與建議

4.1 衛星研制與遙感應用雙向融合，全面提升氣象衛星綜合應用能力

衛星研制、運行維護、數據分發與遙感應用是氣象衛星應用的完整鏈路。為挖掘應用效能，應促進應用鏈路中的各項工作，特別是衛星研制與遙感應用的雙向融合，努力實現星上人工智能數據處理、多星多站觀測自主任務規劃、星地人機智能交互及地面系統自主運維；以氣象大數據云平臺為基礎，建設“云+端”全球氣象應用快速響應平臺；在現有業務服務的基礎上，全面提升氣象衛星觀測的數值預報、氣候變化、防災減災、農業生產、生態環境、空間天氣、軍民融合和全球監測等綜合應用能力。

4.2 加強研發與創新力度，打造全面領先的氣象衛星觀測體系

我國氣象衛星事業經過兩代50 年的發展，與歐美、日本的氣象衛星水平基本相當，成為全球對地觀測網的主力軍，是世界氣象組織空間計劃的主要參與者和貢獻者之一。按照我國對氣象衛星高質量發展的要求，氣象衛星研制需加強研發和創新力度，圍繞不斷提高觀測的時空分辨率、光譜分辨率和輻射精度等目標，有步驟、分階段提升氣象衛星觀測能力和水平，逐步達到和超越國際同類氣象衛星的業務技術性能，構建全面領先的氣象衛星觀測體系。

4.3 立足我國發展重要戰略機遇期，推動氣象衛星事業高質量發展

氣象工作是國家的基礎性、公益性事業，氣象衛星投入產出比達到1∶30。構建新一代氣象衛星觀測體系是復雜的系統性工程，建設周期長、技術難度大、涉及單位多，需要持續投入一定規模的人力、物力、財力。面向新時代的國家戰略需求，在國家的統籌規劃下，穩步發展業務穩定、布局合理、技術領先、效益突出的氣象衛星觀測系統，推動氣象衛星事業高質量發展。

5 結束語

經過50 年堅持不懈的努力奮斗和自主創新，成功研制并發射了兩代四型共17 顆風云氣象衛星，突破了一批定量遙感核心技術，推動了相關基礎工業的發展，牽引了高精度遙感衛星研制基礎保障能力的提升，攻克了一批遙感應用關鍵技術，實現了我國氣象衛星業務化運行和定量化應用，氣象衛星資源已成為國家基礎性戰略資源。

2025 年前，我國還將研制發射7 顆第二代風云氣象衛星，實現全球首次晨昏軌道氣象綜合探測和靜止軌道微波大氣探測，建成由4 顆低軌和3 顆高軌組成的全球最完備的氣象衛星觀測系統。

面向新時代、新需求，風云衛星將堅持創新驅動、自主發展的原則，推動氣象事業高質量發展，實現體系智能化、天地一體化發展，構建高低軌氣象衛星智能觀測體系。2035 年前，我國將建設第三代風云氣象衛星系統（如圖2 所示），低軌包含3 顆極軌衛星（上午、下午和晨昏）、3 顆低傾角軌道衛星和空間輻射基準衛星，高軌包含多顆光學星和微波星，全面實現風云氣象衛星觀測能力和應用水平國際領先，提升氣象現代化水平，服務生命安全、生產發展、生活富裕、生態良好和保障國家安全。

圖2 2035 年風云氣象衛星系統發展設想Fig.2 Consideration of Fengyun meteorological satellite system in 2035