風云四號靜止軌道氣象衛(wèi)星成像儀典型觀測區(qū)域設計

趙磊 商建 馮小虎 張志清

（國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

0 引言

2016年12月11日，我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星的首發(fā)星風云四號A星由長征-3B運載火箭發(fā)射升空。它采用大型三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制平臺，代替第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風云二號采用的自旋穩(wěn)定平臺，可以大大提高對地觀測精度及觀測頻次，實現(xiàn)技術上的重大跨越，提高我國靜止軌道氣象衛(wèi)星的探測水平。衛(wèi)星的輻射成像通道由風云二號的5個增加到14個，接近歐美第三代靜止氣象衛(wèi)星的16個通道。風云四號還配備了有912個光譜探測通道的干涉式大氣垂直探測儀，可在垂直方向上對大氣結構實現(xiàn)高精度定量探測，這在國際上尚屬首次。

風云四號衛(wèi)星采用的大型三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制平臺，使其可以裝載多種有效載荷，包括先進的靜止軌道輻射成像儀（簡稱“成像儀”）、靜止軌道干涉式紅外探測儀（簡稱“探測儀”）、閃電成像儀和空間環(huán)境儀器組。其中，成像儀的性能是我國靜止軌道氣象衛(wèi)星攜帶的同類儀器中最先進的；探測儀是國際上第一臺裝載在靜止軌道氣象衛(wèi)星上使用的同類儀器；閃電成像儀是國內首次裝載在衛(wèi)星上，可對大氣中發(fā)生的閃電進行連續(xù)監(jiān)測。首發(fā)星為科研試驗衛(wèi)星，其主要任務是：1）獲取地球表面和云的多光譜、高精度定量觀測數(shù)據(jù)和圖像，特別是高頻次的區(qū)域圖像；全面提高對地球表面和大氣物理參數(shù)的多光譜、高頻次、定量探測能力；2）實現(xiàn)大氣三維結構探測，獲得垂直分辨率和精度更高的溫度和濕度參數(shù)；3）實現(xiàn)閃電成像觀測，獲取觀測覆蓋區(qū)范圍內的閃電分布圖；4）利用星載轉發(fā)器進行衛(wèi)星圖像和產品的廣播分發(fā)和自然災害警報信息發(fā)布；5）利用數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)自動收集多種地球環(huán)境參數(shù)資料；6）監(jiān)測太陽活動和空間環(huán)境，為空間天氣預報業(yè)務和研究提供觀測數(shù)據(jù)[1]。

三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺可以實現(xiàn)儀器的靈活觀測，大大提高觀測效率。相比于我國風云四號氣象衛(wèi)星攜帶的成像儀AGRI（Advanced Geostationary Radiation Imager），國外同類靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星中，美國GOES-R衛(wèi)星攜帶的成像儀ABI（Advanced Baseline Imager）與AGRI性能相近，分辨率更高，頻段略多，在觀測任務設計上都綜合考慮了觀測區(qū)域范圍和觀測頻次，對地觀測模式包括全圓盤觀測、美國大陸觀測和中小尺度區(qū)域觀測[2]；日本Himawari衛(wèi)星攜帶的成像儀AHI（Advanced Himawari Imager）則設計了全圓盤觀測和多種不同的區(qū)域觀測[3]。

針對風云四號氣象衛(wèi)星首發(fā)星裝載的核心儀器——成像儀，為了發(fā)揮三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺高效率觀測的特點，最大化儀器的觀測靈活性，本文在探討成像儀復雜工作模式的基礎上，考慮不同的觀測需求，開展靈活的觀測區(qū)域設計，包括中國大陸區(qū)域、中國大陸+海區(qū)、東海海域、東南亞+南海海域、澳大利亞及其周邊海域、新版中國地圖區(qū)域，提出切實可行的適用于風云四號成像儀的觀測區(qū)域設計方案。

1 成像儀的觀測特點

成像儀采用雙掃描鏡結合三反射光學系統(tǒng)、線列探測器和輻射制冷器的掃描成像技術。來自地球景物的輻射經(jīng)南北掃描鏡和東西掃描鏡反射到離軸三反主光學系統(tǒng)（圖1），通過中繼光學系統(tǒng)將入射輻射分裂成 3個可見波段、2個近紅外波段和8個紅外波段。探測器把景物輻射轉換成電信號，經(jīng)過前放、主放和濾波電路，在掃描同步信號的控制下，進行A/D轉換并緩存，通過背景和噪聲抑制、圖像配準、校正等環(huán)節(jié)，將數(shù)字量編碼送到衛(wèi)星平臺，經(jīng)數(shù)傳分系統(tǒng)下傳[4]。

圖1 成像儀探測示意圖[4]Fig. 1 AGRI schematic diagram

1.1 工作模式和觀測時間

成像儀的主要工作模式分為4種：掃描模式、定標模式、指向模式和調試模式，其中最重要的兩類模式為掃描模式和定標模式。

掃描模式包括地球全圓盤常規(guī)成像、區(qū)域常規(guī)成像、地球全圓盤高靈敏度成像、區(qū)域高靈敏度成像和月球成像等。幾種成像模式分時進行，設計觀測任務時根據(jù)觀測需求和時間約束，在某個時段內選取其中的一種成像模式，把觀測區(qū)域范圍和精確的起止時間通過觀測指令上注衛(wèi)星，操控儀器自動開展對地觀測。成像儀在軌觀測的最基本模式是全圓盤觀測，即針對整個地球圓盤開展成像觀測，確保以固定的時間頻次獲取整個地球圓盤的觀測數(shù)據(jù)；在有特定區(qū)域觀測的需求時，添加區(qū)域觀測任務，針對指定的較小區(qū)域范圍開展觀測，以獲取更高頻次的觀測數(shù)據(jù)，區(qū)域的位置和大小可以靈活設計，例如中國大陸區(qū)域、臺風區(qū)域、海洋區(qū)域等任意感興趣的區(qū)域。

定標模式包括冷空間定標、黑體定標、漫反射板定標和恒星敏感，用于獲取定標所需的冷空、黑體、漫反射觀測數(shù)據(jù)和定位所需的恒星觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)成像儀的高精度輻射定標和幾何定位。

詳細工作模式為：

1）地球全圓盤常規(guī)成像：觀測范圍約21°EW×17.6°NS，有效圖像范圍為17.6°EW×17.6°NS，觀測時間約13 min，按常規(guī)掃描方式完成對地球全圓盤的觀測。

2）區(qū)域常規(guī)成像：按常規(guī)掃描方式完成對指定區(qū)域的觀測。觀測位置和區(qū)域大小任意可選，區(qū)域觀測重復次數(shù)可調。最小觀測區(qū)域1000 km×1000 km。

3）地球全圓盤高靈敏度成像：按高靈敏度掃描方式完成對地球全圓盤的觀測。

4）區(qū)域高靈敏度成像：按高靈敏度掃描方式完成對指定區(qū)域的觀測。其他要求與區(qū)域常規(guī)成像模式相同。

5）月球成像：按常規(guī)掃描模式完成對月球全圓盤的觀測。

6）恒星敏感：恒星敏感范圍23°EW×21°NS，具有觀測亮度不小于六等恒星的能力。

7）黑體定標：掃描鏡指向星上黑體，進行黑體定標。

8）漫反射板定標：掃描鏡指向漫反射板，漫反射板定標門展開，進行漫反射定標。

1.2 各工作模式下的運動特性

1）地球全圓盤常規(guī)成像

當前設計的對地球全圓盤常規(guī)成像的觀測時間約13 min，因此觀測范圍設定為剛好能夠覆蓋整個地球的最小張角17.4°EW×17.4°NS，為了確保地球邊界信息的完整性，南北東西各加0.1°余量，范圍約定為17.6°EW×17.6°NS，由于需要定期進行冷空間定標，定標位置在地球東側或西側0.5°以上，圖2以在西側進行冷空間定標為例，全圓盤常規(guī)成像有效圖像范圍確定為18°EW×17.6°NS，其中東西范圍為地球西側增加0.5°，東側增加0.1°，按常規(guī)掃描方式完成對地球全圓盤的觀測（圖3）。

掃描鏡運動定義西、北為正方向，東、南為負方向。春分、秋分前后地球東西兩側會出現(xiàn)較強的雜散光，屆時考慮在東側進行冷空觀測，掃描起始位置相對應變?yōu)闁|北。其他時間默認以西北為掃描起始位置，東南為掃描結束位置。由于在掃描過程中冷空定標的耗時極少，因此默認地球全圓盤常規(guī)成像時每一行都進行冷空間定標觀測，根據(jù)東西鏡和南北鏡的運動規(guī)律，精確計算每次快速指向和掃描所需的時間。

圖2 地球全圓盤常規(guī)成像范圍Fig. 2 Full disk observation area

圖3 地球全圓盤常規(guī)成像示意圖Fig. 3 Full disk observation diagram

2）區(qū)域常規(guī)成像

區(qū)域成像（圖4）可以按照需求靈活指定成像的區(qū)域，每隔一定時間進行一次冷空間定標。

圖4 常規(guī)區(qū)域成像示意圖Fig. 4 Area observation diagram

3）地球全圓盤高靈敏度成像

與地球全圓盤常規(guī)成像掃描方式一致，只是掃描速度較慢。

4）區(qū)域高靈敏度成像

與區(qū)域常規(guī)成像掃描方式一致，只是掃描速度較慢。可以按照需求靈活指定成像的區(qū)域，每隔一定時間進行一次冷空間定標。

5）月球成像

根據(jù)月球預報的位置，在特定時間設計儀器的東西鏡和南北鏡指向月球區(qū)域開展常規(guī)觀測或高靈敏度觀測，與區(qū)域成像的要求相同。

6）恒星敏感

依據(jù)指向模式命令掃描鏡指向恒星經(jīng)過的預定位置，進行恒星敏感。根據(jù)掃描鏡運動規(guī)律和選定的觀測顆數(shù)，計算指向每一顆恒星所需的時間和駐留時間，進而獲得該觀測任務的總時間。

7）黑體定標

依據(jù)指向模式掃描鏡指向冷空位置觀測后，依據(jù)指向模式掃描鏡指向位于星下點背面的黑體，駐留觀測，駐留進行黑體觀測。依據(jù)指向模式掃描鏡再次指向冷空間位置，駐留觀測。

8）漫反射板定標

依據(jù)指向模式掃描鏡指向冷空間位置觀測后，依據(jù)指向模式掃描鏡指向漫反射板，停留一定時間，進行漫反射板定標。

9）快速指向

南北、東西掃描鏡快速運動過程如下：首先在短時間內加速至最大運動速度,然后再以該速度勻速運動，最后在短時間內減速，并停在預定位置。

加、減速過程采用1/2正弦周期。若快速運動角度范圍很小，掃描鏡將沒有勻速運動過程。

10）勻速段穩(wěn)定時間

對于常規(guī)成像和高靈敏成像，進入勻速段后均在短時間內實現(xiàn)掃描控制誤差優(yōu)于3角秒。

上述10種工作模式完成后，掃描鏡均停在當前位置，等待后續(xù)指令。

2 成像儀典型區(qū)域設計

假定衛(wèi)星定點于105°E，針對不同觀測需求，設計了業(yè)務應用中可使用的六種區(qū)域掃描模式，分別是：中國大陸區(qū)域、中國大陸+海區(qū)、東海海域、東南亞+南海海域、澳大利亞及其周邊海域、新版中國地圖區(qū)域（圖5）。

圖5 典型區(qū)域設計：（a）中國大陸區(qū)域掃描范圍，（b）中國大陸+海區(qū)區(qū)域掃描范圍，（c）東海海域區(qū)域掃描范圍，（d）東南亞+南海海域區(qū)域掃描范圍，（e）澳大利亞及其周邊海域區(qū)域掃描范圍，（f）新版中國地圖區(qū)域掃描范圍Fig. 5 Typical area design: (a) area of observation over China, (b) area of observation over Chinese mainland and sea region, (c) area of observation over the East China Sea region, (d) area of observation over Southeastern Asia and the South China Sea region, (e) area of observation over Australia and the surrounding sea, and (f) area of observation over China, the vertical map version

2.1 中國大陸區(qū)域

中國大陸區(qū)域是我國靜止軌道氣象衛(wèi)星的最主要觀測區(qū)域之一，也是天氣預報的最主要分析對象。設計該區(qū)域的主要目的是對中國大陸區(qū)域進行高時間分辨率的掃描，獲取大氣和地表的高頻次觀測數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮靜止軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢。掃描范圍設計為：17°—55°N，72°—36°E。根據(jù)掃描鏡運動規(guī)律，精確計算所需掃描時間為189.3 s。

2.2 中國大陸+海區(qū)

為了對臨近中國沿海地區(qū)的熱帶氣旋等天氣現(xiàn)象提前進行跟蹤觀測，需要設計一個含臨近海域的觀測區(qū)域，即中國大陸+海區(qū)區(qū)域。設計該區(qū)域的主要目的是對中國大陸及海區(qū)進行高時間分辨率的掃描，獲取陸地區(qū)域及海上臺風區(qū)域的高頻次觀測數(shù)據(jù)。掃描范圍：7°—55°N，73°—136°E。根據(jù)掃描鏡運動規(guī)律，精確計算所需掃描時間為255.3 s。

2.3 東海海域

設計該區(qū)域的主要目的是針對東海海域臺風的初生和發(fā)展階段開展高頻次觀測。掃描范圍：23°—34°N，125°—132°E。根據(jù)掃描鏡運動規(guī)律，精確計算所需掃描時間為33.4 s。

2.4 東南亞+南海海域

針對東南亞及南海熱點區(qū)域，需要特別設計一個東南亞及南海海域觀測區(qū)域。設計該區(qū)域的主要目的是對東南亞及南海海域進行高時間分辨率的掃描，獲取鄰國及海上臺風區(qū)域的高頻次觀測數(shù)據(jù)。掃描范圍：25°N—11°S。根據(jù)掃描鏡運動規(guī)律，精確計算所需掃描時間為203.7 s。

2.5 澳大利亞及其周邊海域

設計該區(qū)域的主要目的是針對澳大利亞及其周邊海域開展高頻次觀測，為相應國家提供高時間分辨率的觀測資料。掃描范圍：8°—50°S，108°—168°E。根據(jù)掃描鏡運動規(guī)律，精確計算所需掃描時間為126.2 s。

2.6 新版中國地圖區(qū)域

針對新版中國地圖或豎版中國地圖，專門設計了一個掃描區(qū)域，包含南海在內。掃描范圍：0°—55°N，65°—140°E。根據(jù)掃描鏡運動規(guī)律，精確計算所需掃描時間為301.9 s。

3 結語

風云四號靜止軌道氣象衛(wèi)星是世界上最先進的靜止軌道氣象衛(wèi)星之一，此次設計建設的地面應用系統(tǒng)是迄今最為復雜的地面系統(tǒng)。衛(wèi)星發(fā)射入軌后，由空間段的衛(wèi)星和地面應用系統(tǒng)共同構成我國新一代靜止氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)。本文探討了三軸穩(wěn)定平臺上風云四號靜止軌道氣象衛(wèi)星成像儀復雜的工作模式，首次提出了成像儀靈活多樣的觀測區(qū)域設計方案，在全圓盤觀測時間之余，可以高效利用小塊觀測時間，按需靈活安排高頻次的多種區(qū)域觀測，充分發(fā)揮靜止軌道衛(wèi)星高時間分辨率的優(yōu)勢。重點設計的觀測區(qū)域包括中國大陸區(qū)域、中國大陸+海區(qū)、東海海域、東南亞+南海海域、澳大利亞及其周邊海域、新版中國地圖區(qū)域，包含了天氣預報最關注的中心區(qū)域、沿海區(qū)域、臺風與熱帶氣旋頻發(fā)區(qū)域、東南亞熱點區(qū)域等，在成像儀在軌測試中發(fā)揮了重要作用，為開展業(yè)務運行奠定了堅實的基礎。