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(fēng)云四號(hào)A星由長(zhǎng)征-3B運(yùn)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(tái)，代替第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號(hào)采用的自旋穩(wěn)定平臺(tái)，可以大大提高對(duì)地觀測(cè)精度及觀測(cè)頻次，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的重大跨越，提高我國靜止軌道氣象衛(wèi)星的探測(cè)水平。衛(wèi)星的輻射成像通道由風(fēng)云二號(hào)的5個(gè)增加到14個(gè)，接近歐美第三代靜止氣象衛(wèi)星的16個(gè)通道。風(fēng)云四號(hào)還配備了有912個(gè)光譜探測(cè)通道的干涉式大氣垂直探測(cè)儀，可在垂直方向上對(duì)大氣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度定量探測(cè)，這在國際上尚屬首次。

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星采用的大型三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制平臺(tái)，使其可以裝載多種有效載荷，包括先進(jìn)的靜止軌道輻射成像儀（簡(jiǎn)稱“成像儀”）、靜止軌道干涉式紅外探測(cè)儀（簡(jiǎn)稱“探測(cè)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(jìn)的；探測(cè)儀是國際上第一臺(tái)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(nèi)首次裝載在衛(wèi)星上，可對(duì)大氣中發(fā)生的閃電進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。首發(fā)星為科研試驗(yàn)衛(wèi)星，其主要任務(wù)是：1）獲取地球表面和云的多光譜、高精度定量觀測(cè)數(shù)據(jù)和圖像，特別是高頻次的區(qū)域圖像；全面提高對(duì)地球表面和大氣物理參數(shù)的多光譜、高頻次、定量探測(cè)能力；2）實(shí)現(xiàn)大氣三維結(jié)構(gòu)探測(cè)，獲得垂直分辨率和精度更高的溫度和濕度參數(shù)；3）實(shí)現(xiàn)閃電成像觀測(cè)，獲取觀測(cè)覆蓋區(qū)范圍內(nèi)的閃電分布圖；4）利用星載轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行衛(wèi)星圖像和產(chǎn)品的廣播分發(fā)和自然災(zāi)害警報(bào)信息發(fā)布；5）利用數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)自動(dòng)收集多種地球環(huán)境參數(shù)資料；6）監(jiān)測(cè)太陽活動(dòng)和空間環(huán)境，為空間天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和研究提供觀測(cè)數(shù)據(jù)[1]。

三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)儀器的靈活觀測(cè)，大大提高觀測(cè)效率。相比于我國風(fēng)云四號(hào)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(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)上都綜合考慮了觀測(cè)區(qū)域范圍和觀測(cè)頻次，對(duì)地觀測(cè)模式包括全圓盤觀測(cè)、美國大陸觀測(cè)和中小尺度區(qū)域觀測(cè)[2]；日本Himawari衛(wèi)星攜帶的成像儀AHI（Advanced Himawari Imager）則設(shè)計(jì)了全圓盤觀測(cè)和多種不同的區(qū)域觀測(cè)[3]。

針對(duì)風(fēng)云四號(hào)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(tái)高效率觀測(cè)的特點(diǎn)，最大化儀器的觀測(cè)靈活性，本文在探討成像儀復(fù)雜工作模式的基礎(chǔ)上，考慮不同的觀測(cè)需求，開展靈活的觀測(cè)區(qū)域設(shè)計(jì)，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(shí)可行的適用于風(fēng)云四號(hào)成像儀的觀測(cè)區(qū)域設(shè)計(jì)方案。

1 成像儀的觀測(cè)特點(diǎn)

成像儀采用雙掃描鏡結(jié)合三反射光學(xué)系統(tǒng)、線列探測(cè)器和輻射制冷器的掃描成像技術(shù)。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(xué)系統(tǒng)（圖1），通過中繼光學(xué)系統(tǒng)將入射輻射分裂成 3個(gè)可見波段、2個(gè)近紅外波段和8個(gè)紅外波段。探測(cè)器把景物輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過前放、主放和濾波電路，在掃描同步信號(hào)的控制下，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并緩存，通過背景和噪聲抑制、圖像配準(zhǔn)、校正等環(huán)節(jié)，將數(shù)字量編碼送到衛(wèi)星平臺(tái)，經(jīng)數(shù)傳分系統(tǒng)下傳[4]。

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

1.1 工作模式和觀測(cè)時(shí)間

成像儀的主要工作模式分為4種：掃描模式、定標(biāo)模式、指向模式和調(diào)試模式，其中最重要的兩類模式為掃描模式和定標(biāo)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(shí)進(jìn)行，設(shè)計(jì)觀測(cè)任務(wù)時(shí)根據(jù)觀測(cè)需求和時(shí)間約束，在某個(gè)時(shí)段內(nèi)選取其中的一種成像模式，把觀測(cè)區(qū)域范圍和精確的起止時(shí)間通過觀測(cè)指令上注衛(wèi)星，操控儀器自動(dòng)開展對(duì)地觀測(cè)。成像儀在軌觀測(cè)的最基本模式是全圓盤觀測(cè)，即針對(duì)整個(gè)地球圓盤開展成像觀測(cè)，確保以固定的時(shí)間頻次獲取整個(gè)地球圓盤的觀測(cè)數(shù)據(jù)；在有特定區(qū)域觀測(cè)的需求時(shí)，添加區(qū)域觀測(cè)任務(wù)，針對(duì)指定的較小區(qū)域范圍開展觀測(cè)，以獲取更高頻次的觀測(cè)數(shù)據(jù)，區(qū)域的位置和大小可以靈活設(shè)計(jì)，例如中國大陸區(qū)域、臺(tái)風(fēng)區(qū)域、海洋區(qū)域等任意感興趣的區(qū)域。

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

詳細(xì)工作模式為：

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

2）區(qū)域常規(guī)成像：按常規(guī)掃描方式完成對(duì)指定區(qū)域的觀測(cè)。觀測(cè)位置和區(qū)域大小任意可選，區(qū)域觀測(cè)重復(fù)次數(shù)可調(diào)。最小觀測(cè)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(duì)地球全圓盤的觀測(cè)。

4）區(qū)域高靈敏度成像：按高靈敏度掃描方式完成對(duì)指定區(qū)域的觀測(cè)。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(duì)月球全圓盤的觀測(cè)。

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

7）黑體定標(biāo)：掃描鏡指向星上黑體，進(jìn)行黑體定標(biāo)。

8）漫反射板定標(biāo)：掃描鏡指向漫反射板，漫反射板定標(biāo)門展開，進(jìn)行漫反射定標(biāo)。

1.2 各工作模式下的運(yùn)動(dòng)特性

1）地球全圓盤常規(guī)成像

當(dāng)前設(shè)計(jì)的對(duì)地球全圓盤常規(guī)成像的觀測(cè)時(shí)間約13 min，因此觀測(cè)范圍設(shè)定為剛好能夠覆蓋整個(gè)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(jìn)行冷空間定標(biāo)，定標(biāo)位置在地球東側(cè)或西側(cè)0.5°以上，圖2以在西側(cè)進(jìn)行冷空間定標(biāo)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(cè)增加0.5°，東側(cè)增加0.1°，按常規(guī)掃描方式完成對(duì)地球全圓盤的觀測(cè)（圖3）。

掃描鏡運(yùn)動(dòng)定義西、北為正方向，東、南為負(fù)方向。春分、秋分前后地球東西兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的雜散光，屆時(shí)考慮在東側(cè)進(jìn)行冷空觀測(cè)，掃描起始位置相對(duì)應(yīng)變?yōu)闁|北。其他時(shí)間默認(rèn)以西北為掃描起始位置，東南為掃描結(jié)束位置。由于在掃描過程中冷空定標(biāo)的耗時(shí)極少，因此默認(rèn)地球全圓盤常規(guī)成像時(shí)每一行都進(jìn)行冷空間定標(biāo)觀測(cè)，根據(jù)東西鏡和南北鏡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，精確計(jì)算每次快速指向和掃描所需的時(shí)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(shí)間進(jìn)行一次冷空間定標(biāo)。

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?？梢园凑招枨箪`活指定成像的區(qū)域，每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次冷空間定標(biāo)。

5）月球成像

根據(jù)月球預(yù)報(bào)的位置，在特定時(shí)間設(shè)計(jì)儀器的東西鏡和南北鏡指向月球區(qū)域開展常規(guī)觀測(cè)或高靈敏度觀測(cè)，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(yù)定位置，進(jìn)行恒星敏感。根據(jù)掃描鏡運(yùn)動(dòng)規(guī)律和選定的觀測(cè)顆數(shù)，計(jì)算指向每一顆恒星所需的時(shí)間和駐留時(shí)間，進(jìn)而獲得該觀測(cè)任務(wù)的總時(shí)間。

7）黑體定標(biāo)

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

8）漫反射板定標(biāo)

依據(jù)指向模式掃描鏡指向冷空間位置觀測(cè)后，依據(jù)指向模式掃描鏡指向漫反射板，停留一定時(shí)間，進(jìn)行漫反射板定標(biāo)。

9）快速指向

南北、東西掃描鏡快速運(yùn)動(dòng)過程如下：首先在短時(shí)間內(nèi)加速至最大運(yùn)動(dòng)速度,然后再以該速度勻速運(yùn)動(dòng)，最后在短時(shí)間內(nèi)減速，并停在預(yù)定位置。

加、減速過程采用1/2正弦周期。若快速運(yùn)動(dòng)角度范圍很小，掃描鏡將沒有勻速運(yùn)動(dòng)過程。

10）勻速段穩(wěn)定時(shí)間

對(duì)于常規(guī)成像和高靈敏成像，進(jìn)入勻速段后均在短時(shí)間內(nèi)實(shí)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(dāng)前位置，等待后續(xù)指令。

2 成像儀典型區(qū)域設(shè)計(jì)

假定衛(wèi)星定點(diǎn)于105°E，針對(duì)不同觀測(cè)需求，設(shè)計(jì)了業(yè)務(wù)應(yīng)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(shè)計(jì)：（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(cè)區(qū)域之一，也是天氣預(yù)報(bào)的最主要分析對(duì)象。設(shè)計(jì)該區(qū)域的主要目的是對(duì)中國大陸區(qū)域進(jìn)行高時(shí)間分辨率的掃描，獲取大氣和地表的高頻次觀測(cè)數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮靜止軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)。掃描范圍設(shè)計(jì)為：17°—55°N，72°—36°E。根據(jù)掃描鏡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，精確計(jì)算所需掃描時(shí)間為189.3 s。

2.2 中國大陸+海區(qū)

為了對(duì)臨近中國沿海地區(qū)的熱帶氣旋等天氣現(xiàn)象提前進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)含臨近海域的觀測(cè)區(qū)域，即中國大陸+海區(qū)區(qū)域。設(shè)計(jì)該區(qū)域的主要目的是對(duì)中國大陸及海區(qū)進(jìn)行高時(shí)間分辨率的掃描，獲取陸地區(qū)域及海上臺(tái)風(fēng)區(qū)域的高頻次觀測(cè)數(shù)據(jù)。掃描范圍：7°—55°N，73°—136°E。根據(jù)掃描鏡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，精確計(jì)算所需掃描時(shí)間為255.3 s。

2.3 東海海域

設(shè)計(jì)該區(qū)域的主要目的是針對(duì)東海海域臺(tái)風(fēng)的初生和發(fā)展階段開展高頻次觀測(cè)。掃描范圍：23°—34°N，125°—132°E。根據(jù)掃描鏡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，精確計(jì)算所需掃描時(shí)間為33.4 s。

2.4 東南亞+南海海域

針對(duì)東南亞及南海熱點(diǎn)區(qū)域，需要特別設(shè)計(jì)一個(gè)東南亞及南海海域觀測(cè)區(qū)域。設(shè)計(jì)該區(qū)域的主要目的是對(duì)東南亞及南海海域進(jìn)行高時(shí)間分辨率的掃描，獲取鄰國及海上臺(tái)風(fēng)區(qū)域的高頻次觀測(cè)數(shù)據(jù)。掃描范圍：25°N—11°S。根據(jù)掃描鏡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，精確計(jì)算所需掃描時(shí)間為203.7 s。

2.5 澳大利亞及其周邊海域

設(shè)計(jì)該區(qū)域的主要目的是針對(duì)澳大利亞及其周邊海域開展高頻次觀測(cè)，為相應(yīng)國家提供高時(shí)間分辨率的觀測(cè)資料。掃描范圍：8°—50°S，108°—168°E。根據(jù)掃描鏡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，精確計(jì)算所需掃描時(shí)間為126.2 s。

2.6 新版中國地圖區(qū)域

針對(duì)新版中國地圖或豎版中國地圖，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)掃描區(qū)域，包含南海在內(nèi)。掃描范圍：0°—55°N，65°—140°E。根據(jù)掃描鏡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，精確計(jì)算所需掃描時(shí)間為301.9 s。

3 結(jié)語

風(fēng)云四號(hào)靜止軌道氣象衛(wèi)星是世界上最先進(jìn)的靜止軌道氣象衛(wèi)星之一，此次設(shè)計(jì)建設(shè)的地面應(yīng)用系統(tǒng)是迄今最為復(fù)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(yīng)用系統(tǒng)共同構(gòu)成我國新一代靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)。本文探討了三軸穩(wěn)定平臺(tái)上風(fēng)云四號(hào)靜止軌道氣象衛(wèi)星成像儀復(fù)雜的工作模式，首次提出了成像儀靈活多樣的觀測(cè)區(qū)域設(shè)計(jì)方案，在全圓盤觀測(cè)時(shí)間之余，可以高效利用小塊觀測(cè)時(shí)間，按需靈活安排高頻次的多種區(qū)域觀測(cè)，充分發(fā)揮靜止軌道衛(wèi)星高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)。重點(diǎn)設(shè)計(jì)的觀測(cè)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(yù)報(bào)最關(guān)注的中心區(qū)域、沿海區(qū)域、臺(tái)風(fēng)與熱帶氣旋頻發(fā)區(qū)域、東南亞熱點(diǎn)區(qū)域等，在成像儀在軌測(cè)試中發(fā)揮了重要作用，為開展業(yè)務(wù)運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。