中國(guó)航天發(fā)展史（四）

杜駿豪

氣象衛(wèi)星的軌道

在談氣象衛(wèi)星前，我們首先來(lái)聊聊兩種人造地球衛(wèi)星的軌道——太陽(yáng)同步軌道（SSO）與地球靜止軌道（GEO），氣象衛(wèi)星大都運(yùn)行在這兩種軌道上。

太陽(yáng)同步軌道是經(jīng)地球南北兩極的近圓形軌道，所以又被稱(chēng)為“極軌”。“太陽(yáng)同步”四個(gè)字準(zhǔn)確地描述了這種軌道的特征：衛(wèi)星每次飛越同一地點(diǎn)上空時(shí)，太陽(yáng)照射該地的角度均相同。換句話說(shuō)，運(yùn)行在這條軌道上的衛(wèi)星每天幾乎都在同一時(shí)刻觀測(cè)同一個(gè)地方，因此拍攝的地面圖像有相同光照條件，有利于數(shù)據(jù)的獲取與處理。風(fēng)云一號(hào)和風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星就屬于極軌衛(wèi)星。

地球靜止軌道位于地球赤道上空35786千米且軌道傾角為0度處。在此軌道運(yùn)行的衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，與地面保持相對(duì)靜止，可以連續(xù)對(duì)地觀測(cè)與通信。風(fēng)云二號(hào)和風(fēng)云四號(hào)運(yùn)行在這一軌道上。

簡(jiǎn)單概括就是太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星每天都在同一時(shí)間飛臨你的頭頂，而地球靜止軌道衛(wèi)星則一直高懸在你的頭頂上空不動(dòng)。

風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星目前共發(fā)展了兩代，風(fēng)云一號(hào)與風(fēng)云二號(hào)屬于第一代，風(fēng)云三號(hào)與風(fēng)云四號(hào)屬于第二代。每一代都既包含太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，也包含地球靜止軌道衛(wèi)星，它們各司其職，分工協(xié)作，為地面的氣象工作者提供了各種寶貴的氣象信息。

風(fēng)云一號(hào)

1969年，一次始料未及的冰凌災(zāi)害席卷了大半個(gè)中國(guó)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)和生活的同時(shí)，還造成了大范圍的通信中斷。造成這次災(zāi)害的天氣情況實(shí)際上已經(jīng)在國(guó)外氣象衛(wèi)星的云圖上有所顯示，但當(dāng)時(shí)我國(guó)獲取這些資料還非常困難，因此周總理高瞻遠(yuǎn)矚地提出：“要搞我們自己的氣象衛(wèi)星。”“面壁十年圖破壁”，1977年11月，在氣象衛(wèi)星工程第一次總體方案論證會(huì)上，中國(guó)氣象衛(wèi)星工程被確定為“七一一”工程，我國(guó)的氣象衛(wèi)星正式定名“風(fēng)云”，包含了“風(fēng)”與“云”這兩大自然現(xiàn)象，這注定了風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星的不凡使命。1985年10月，風(fēng)云一號(hào)氣象衛(wèi)星工程被列入“七五”期間衛(wèi)星型號(hào)發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目，我國(guó)第一代太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號(hào)的研制工作正式開(kāi)始。

風(fēng)云一號(hào)總共研制了兩個(gè)批次，共計(jì)四顆。風(fēng)云一號(hào)A星與B星是試驗(yàn)型衛(wèi)星，風(fēng)云一號(hào)C星與D星是總結(jié)經(jīng)驗(yàn)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后的業(yè)務(wù)型衛(wèi)星。我國(guó)也由此定下了“先發(fā)試驗(yàn)星，后發(fā)業(yè)務(wù)星”的順序，這成為我國(guó)發(fā)射氣象衛(wèi)星的傳統(tǒng)。

1988年9月7日，風(fēng)云一號(hào)A星發(fā)射成功，從此我國(guó)有了自己的氣象衛(wèi)星。A星入軌后14分鐘，廣州氣象衛(wèi)星地面站率先收到部分信號(hào)，并實(shí)時(shí)傳送到了國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，得到了我國(guó)第一幅衛(wèi)星云圖。不過(guò)就在衛(wèi)星發(fā)射后的第39天，衛(wèi)星姿態(tài)失穩(wěn)，導(dǎo)致整星失效。雖然A星只正常工作了一個(gè)多月，但它的成功發(fā)射卻標(biāo)志著我國(guó)已有能力獨(dú)自研制、發(fā)射和運(yùn)行氣象衛(wèi)星，具有劃時(shí)代意義。

1990年9月3日，風(fēng)云一號(hào)B星成功發(fā)射。B星攜帶了兩臺(tái)分辨率1100米的可見(jiàn)光-紅外掃描儀，有拍攝云圖、植被、作物、水域、積雪并測(cè)量海平面溫度等功能。但是，B星正常運(yùn)行165天后，由于星載計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，也發(fā)生了姿態(tài)失穩(wěn)，后經(jīng)搶救依舊沒(méi)有完全恢復(fù)正常，未能達(dá)到一年的設(shè)計(jì)考核壽命。

在深刻總結(jié)A星、B星姿態(tài)失穩(wěn)的原因后，研究團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，設(shè)計(jì)制造了風(fēng)云一號(hào)C星。C星于1999年5月10日成功發(fā)射，它的設(shè)計(jì)壽命為兩年，但最終卻正常服役了近五年，研究團(tuán)隊(duì)打了一個(gè)漂亮的翻身仗！由于C星優(yōu)良的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，它成為中國(guó)第一顆被納入世界氣象業(yè)務(wù)的衛(wèi)星，為很多國(guó)家免費(fèi)提供了大量的氣象數(shù)據(jù)。

在繼承C星成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)對(duì)風(fēng)云一號(hào)D星相關(guān)技術(shù)做了進(jìn)一步的優(yōu)化。青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，2002年5月成功發(fā)射后，D星正常運(yùn)行了十年之久，超額完成任務(wù)，為我國(guó)的氣象事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。

風(fēng)云二號(hào)

風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星是我國(guó)自主研制的第一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，與風(fēng)云一號(hào)太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星相得益彰。

風(fēng)云二號(hào)總共研制了三個(gè)批次，共計(jì)八顆。與風(fēng)云一號(hào)相似，第一批次的A星與B星也是試驗(yàn)型衛(wèi)星。我國(guó)第一顆地球靜止軌道氣象衛(wèi)星——風(fēng)云二號(hào)A星于1997年6月10日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射，一周后定點(diǎn)于東經(jīng)105°的赤道上空。受技術(shù)水平所限，三個(gè)月后A星開(kāi)始斷斷續(xù)續(xù)地出現(xiàn)故障，只能間歇性工作。三年后，風(fēng)云二號(hào)B星成功發(fā)射，正常運(yùn)行八個(gè)月后也出現(xiàn)了故障。雖然這兩顆試驗(yàn)型衛(wèi)星出現(xiàn)了故障，未能達(dá)到三年的設(shè)計(jì)考核壽命，但是它們都為后續(xù)的業(yè)務(wù)型衛(wèi)星積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

風(fēng)云二號(hào)第二批次也是業(yè)務(wù)型衛(wèi)星，有C星、D星和E星三顆。相比于試驗(yàn)型衛(wèi)星，業(yè)務(wù)型衛(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)有所提高，其中C星做出了256項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，于2004年10月成功發(fā)射，并定點(diǎn)于東經(jīng)105°的赤道上空，總計(jì)在軌工作超過(guò)十年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)三年的設(shè)計(jì)使用壽命，達(dá)到同期國(guó)際先進(jìn)水平。D星、E星分別于2006年12月、2008年12月升空，都有一定的技術(shù)升級(jí)，主要是提升了觀測(cè)能力，最終均在軌運(yùn)行了近十年。這三顆衛(wèi)星互為備份，進(jìn)一步增強(qiáng)了我國(guó)天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

為了向第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)進(jìn)行技術(shù)過(guò)渡，我國(guó)設(shè)計(jì)制造了風(fēng)云二號(hào)的第三批次，也是業(yè)務(wù)型衛(wèi)星，包括F星、G星和H星，分別于2012年1月、2015年1月和2018年6月發(fā)射升空。相比第二批衛(wèi)星，第三批衛(wèi)星做出了84項(xiàng)技術(shù)升級(jí)，對(duì)地觀測(cè)能力更加強(qiáng)大。截至2021年9月底，這三顆衛(wèi)星依然在軌工作。其中H星目前定點(diǎn)于東經(jīng)79°的印度洋上空，大部分“一帶一路”沿線的友邦均可覆蓋，有效增強(qiáng)了這些國(guó)家和地區(qū)在天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警方面的能力。

風(fēng)云三號(hào)

風(fēng)云三號(hào)是我國(guó)的第二代太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星，但卻并非是在風(fēng)云一號(hào)的基礎(chǔ)上做的簡(jiǎn)單升級(jí)，而是一次脫胎換骨的蛻變。從探測(cè)載荷上看，風(fēng)云一號(hào)只搭載了一種遙感儀器，而風(fēng)云三號(hào)足足搭載了十一種儀器，不僅有可見(jiàn)光和紅外波段探測(cè)能力，還有紫外和微波段探測(cè)能力;在信號(hào)傳輸方式方面，風(fēng)云三號(hào)也有很大提升，整體能力達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

風(fēng)云三號(hào)的研制和生產(chǎn)共計(jì)三個(gè)批次，第一批次有A星、B星兩顆試驗(yàn)型衛(wèi)星。風(fēng)云三號(hào)A星于2008年5月在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭成功發(fā)射，當(dāng)年恰逢北京奧運(yùn)會(huì)，因此這顆衛(wèi)星也被稱(chēng)為“奧運(yùn)星”，現(xiàn)在我們還在接收著“奧運(yùn)星”傳回的觀測(cè)數(shù)據(jù)呢！B星于2010年11月成功發(fā)射，與A星組網(wǎng)運(yùn)行，使同一地區(qū)的觀測(cè)間隔從12小時(shí)縮短到4.5小時(shí)，天氣預(yù)報(bào)精度提高了約3%。

此后我國(guó)分別在2013年和2017年成功發(fā)射第二批次的兩顆業(yè)務(wù)型衛(wèi)星——風(fēng)云三號(hào)C星和D星，它們繼承了“前輩”的成熟技術(shù)，核心遙感儀器的性能有了進(jìn)一步的提升。

風(fēng)云三號(hào)的第三批次包含E星、F星、G星和H星四顆業(yè)務(wù)型衛(wèi)星，其中E星已于2021年7月5日成功發(fā)射，是風(fēng)云衛(wèi)星家族里的首顆晨昏軌道氣象衛(wèi)星。俗話說(shuō)“朝霞不出門(mén)，晚霞行千里”，在早晨和傍晚進(jìn)行觀測(cè)可以為天氣預(yù)報(bào)提供十分重要的信息，但包括之前的風(fēng)云三號(hào)其他批次衛(wèi)星在內(nèi)的全世界的太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星都是上午星或下午星。風(fēng)云三號(hào)E星是世界首顆在早晨5點(diǎn)至7點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)的氣象衛(wèi)星，可以有效提升天氣預(yù)報(bào)的精度，讓風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星的國(guó)際影響力進(jìn)一步提升。風(fēng)云三號(hào)后續(xù)三顆衛(wèi)星還在研制過(guò)程中，計(jì)劃分別作為上午、下午和降水測(cè)量衛(wèi)星。我國(guó)的天氣預(yù)報(bào)能力隨著一顆顆衛(wèi)星上天，正在一步一個(gè)腳印地成長(zhǎng)！

風(fēng)云四號(hào)

風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星是我國(guó)第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，它的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于“前輩”風(fēng)云二號(hào)，將會(huì)逐漸挑起我國(guó)地球靜止軌道氣象衛(wèi)星的大梁。

與其他風(fēng)云氣象衛(wèi)星都研制了兩顆試驗(yàn)型衛(wèi)星不同，風(fēng)云四號(hào)僅設(shè)計(jì)制造了一顆試驗(yàn)型衛(wèi)星——風(fēng)云四號(hào)A星。它于2016年12月11日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射，于2016年12月17日成功定點(diǎn)于東經(jīng)99.5°的赤道上空，獲取了世界上第一幅靜止軌道地球大氣高光譜圖，這標(biāo)志著地球靜止軌道上的大氣觀測(cè)由二維平面圖像升級(jí)成了三維立體圖像。風(fēng)云四號(hào)如同具有火眼金睛，不論是南海上空的巨大臺(tái)風(fēng)，還是青藏高原星羅棋布的湖泊，抑或是大興安嶺層層疊疊的積雪，甚至云層中轉(zhuǎn)瞬即逝的閃電，風(fēng)云四號(hào)都能“看”得層次豐富、紋理清晰、一目了然。

隨后，我國(guó)在2021年6月3日成功發(fā)射了風(fēng)云四號(hào)首顆業(yè)務(wù)型衛(wèi)星——風(fēng)云四號(hào)B星，與A星并肩戰(zhàn)斗，進(jìn)一步滿(mǎn)足我國(guó)及“一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等服務(wù)需求，這標(biāo)志著我國(guó)的氣象衛(wèi)星技術(shù)在國(guó)際范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)跑！

未來(lái)展望

截至目前，我國(guó)已有19顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星直抵浩瀚蒼穹，其中9顆衛(wèi)星正常在軌運(yùn)行，組成了獨(dú)具中國(guó)特色的風(fēng)云衛(wèi)星家族，使我國(guó)成為世界上同時(shí)擁有地球靜止軌道和太陽(yáng)同步軌道氣象衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的三個(gè)國(guó)家之一。我國(guó)的氣象衛(wèi)星事業(yè)從一開(kāi)始的落后追趕，再到奮力趕超，直到現(xiàn)在處于領(lǐng)跑位置，這些偉大的成就離不開(kāi)所有人員篳路藍(lán)縷、手胼足胝的艱苦奮斗，這才讓我們能更加從容地面對(duì)明天未知的風(fēng)起云涌。薪火相傳，箕裘不墜，接下來(lái)我國(guó)還將發(fā)展第三代風(fēng)云氣象衛(wèi)星——風(fēng)云五號(hào)與風(fēng)云六號(hào)。可以預(yù)見(jiàn)的是，中國(guó)的氣象衛(wèi)星將會(huì)繼續(xù)在世界舞臺(tái)上扮演越來(lái)越重要的角色！