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1969年1月，由于強冷空氣侵襲，長江、黃河流域出現了嚴重的冰凌災害，造成我國大范圍通信、交通中斷，美國氣象衛(wèi)星監(jiān)測到了這一災害天氣。1969年1月29日，周恩來總理在接見中央氣象局（中國氣象局原名）等單位的代表時指示，一定要采取措施，改變落后面貌，應搞我們自己的氣象衛(wèi)星。從此拉開了中國氣象衛(wèi)星研制的序幕。

撰文 | 董瑤海、陳文強、楊軍

風云氣象衛(wèi)星的發(fā)展是我國改革開放、科技發(fā)展的一個縮影。通過50多年來航天人和氣象人堅持不懈的奮斗和自主創(chuàng)新，氣象衛(wèi)星已成為現代氣象業(yè)務和國民經濟建設中必不可少的科技支撐。風云氣象衛(wèi)星觀測資料為氣象、海洋、農業(yè)、林業(yè)、水利、航空、航海和環(huán)境保護等領域提供了大量的公益性、專業(yè)性和決策性服務，產生了巨大的社會效益和經濟效益。如今，風云氣象衛(wèi)星已成為我國民用遙感衛(wèi)星效益發(fā)揮最好、應用范圍最廣的衛(wèi)星之一。

中國氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷程

我國從20世紀70年代開始研制氣象衛(wèi)星，至今已經發(fā)展到第二代。其中風云一號衛(wèi)星為中國第一代極地軌道氣象衛(wèi)星，風云二號衛(wèi)星為中國第一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，風云三號衛(wèi)星和風云四號衛(wèi)星分別為中國第二代極地軌道氣象衛(wèi)星和地球靜止軌道氣象衛(wèi)星。

我國自1988年9月7日發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星—風云一號極地軌道氣象衛(wèi)星以來，經過30多年的發(fā)展，已成功發(fā)射“2代4型”極地軌道和地球靜止軌道共19顆氣象衛(wèi)星，截至2021年10月，共有8顆氣象衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行。極地軌道氣象衛(wèi)星和地球靜止軌道氣象衛(wèi)星組成了中國氣象衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)，實現了組網觀測業(yè)務化。中國成為繼美、歐之后世界上同時擁有兩種軌道氣象衛(wèi)星的國家，是世界氣象組織天基綜合對地觀測網的重要支柱。

目前超過2700個國內用戶及120多個國家和地區(qū)接收與利用風云氣象衛(wèi)星資料。風云氣象衛(wèi)星被世界氣象組織列入國際氣象衛(wèi)星序列，是全球氣象觀測的主力衛(wèi)星。

我國氣象衛(wèi)星從無到有、從弱到強，實現了從跟跑國外衛(wèi)星到并跑再到部分領跑的跨越，現已具備高低軌組網的全球觀測能力，且綜合性能達世界先進水平。

第一代極地軌道氣象衛(wèi)星

1970年我國決定發(fā)展第一代極地軌道氣象衛(wèi)星，衛(wèi)星研制任務由剛剛組建的上海航天基地承擔。1977年，國家氣象衛(wèi)星方案論證會在上海召開，從此中國氣象衛(wèi)星的新紀元開啟了。我國第一代氣象衛(wèi)星的研制可謂白手起家，經過10多年的攻關，1988年風云一號A星成功發(fā)射。

風云一號A星是一顆高1.2m，長、寬各為1.4m的長方體，左右兩塊太陽電池翼被打開以后，其跨度為8.6m。衛(wèi)星重750kg，在901km高的太陽同步軌道上運行。衛(wèi)星攜帶多光譜可見光紅外掃描輻射儀，它有5個通道，用于獲取晝夜可見光、紅外云圖、冰雪覆蓋、植被、海洋水色、海面溫度等，性能與當時的美國第三代極地軌道氣象衛(wèi)星相當。風云一號A星入軌運行不久，發(fā)現儀器散發(fā)出的水汽對紅外探測器產生污染，性能指標下降。該衛(wèi)星升空39天后便發(fā)生了意外，衛(wèi)星遭遇強烈的太陽活動，星上計算機被太陽高能粒子擊中發(fā)生翻轉，傳回的圖像發(fā)生扭曲，衛(wèi)星姿態(tài)沿飛行方向嚴重偏轉；地面控制中心無法控制衛(wèi)星姿態(tài)，風云一號A星最后徹底失控，消失在茫茫太空之中。

風云一號B星于1990年9月3日用長征四號火箭發(fā)射升空，采取了污染防護設計和防護措施，衛(wèi)星在軌圖像質量良好，超過預期。姿態(tài)控制系統(tǒng)相比于風云一號A星有明顯改善，但系統(tǒng)的可靠性設計存在缺陷，在軌正常運行165天后，星載計算機突發(fā)故障造成衛(wèi)星姿態(tài)失控，經過連續(xù)75天的搶救后恢復正常工作。但是星載計算機受到空間環(huán)境的影響，工作不穩(wěn)定，衛(wèi)星斷續(xù)工作至1991年11月，在軌累計正常運行285天。

風云一號A星和風云一號B星讓我國航天工作者第一次認識到光學遙感儀器污染、在軌空間環(huán)境影響及系統(tǒng)可靠性等一系列前所未有的困難。風云一號C星汲取經驗教訓，經過了一系列改進，衛(wèi)星探測性能、空間環(huán)境適應性和系統(tǒng)可靠性都大幅提高。風云一號C星于1999年5月10日發(fā)射，設計壽命2年，在軌穩(wěn)定運行并超期服役至2004年6月，開啟了中國氣象衛(wèi)星長壽命、高可靠、連續(xù)穩(wěn)定業(yè)務化運行的新紀元。風云一號D星于2002年發(fā)射，在軌穩(wěn)定運行10年。

風云一號C星憑借其優(yōu)越的性能和穩(wěn)定性，榮獲2001年國家科學技術進步一等獎；被列為20世紀末中國三大事件之一，銘刻在中華世紀壇上。2000年8月，世界氣象組織將風云一號C星納入全球應用氣象衛(wèi)星序列，成為全球綜合對地觀測系統(tǒng)（GEOSS）的重要成員。風云一號C星與歐美國家的氣象衛(wèi)星一起，形成了對地球大氣、海洋和地表環(huán)境的全天候、立體、連續(xù)觀測的衛(wèi)星觀測網，大大增強了人類對地球系統(tǒng)的綜合觀測能力。

相比于國外，我國氣象衛(wèi)星事業(yè)起步較晚，為盡快追趕國際氣象衛(wèi)星觀測先進水平，我國航天工作者和氣象工作者共同努力，提出了氣象衛(wèi)星研制“小步快跑”的發(fā)展理念。具體來講，就是摒棄國外同一代衛(wèi)星狀態(tài)完全一致的理念，讓我國的同一代衛(wèi)星中每顆衛(wèi)星相比前一顆衛(wèi)星都進行性能提升，用一代4顆星的發(fā)展追趕歐美極地軌道5代衛(wèi)星的發(fā)展成果。風云一號C星及D星性能指標相比A星及B星大幅提升，遙感儀器觀測波段由5波段提高至10波段，波段數增加了一倍；衛(wèi)星壽命要求由1年提高至2年，性能指標全面達到當時的國際先進水平。

面對成績，我國的航天人和氣象人的目光并沒有停留于此。隨著我國經濟社會的快速發(fā)展，風云一號衛(wèi)星上裝載的遙感儀器已無法滿足氣象現代化的需求，于是發(fā)展我國第二代極地軌道氣象衛(wèi)星的議案又擺在大家面前?！把b備一代、研制一代”，在研制風云一號衛(wèi)星的同時，第二代極地軌道氣象衛(wèi)星論證開啟了。

第一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星

我國第一顆地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風云二號A星于1997年6月10日發(fā)射成功，至今已成功發(fā)射了8顆風云二號衛(wèi)星。

風云二號衛(wèi)星首次實現了“多星在軌、統(tǒng)籌運行、互為備份、適時加密”運行模式。雙星聯合由單星的30min獲取一幅地球全圓盤圖像縮短到15min，每6min進行一次中國區(qū)域觀測，提高了使用效率，有力提升了對中國全境的氣象綜合監(jiān)測能力，為我國和世界氣候監(jiān)測及天氣預報提供了實時動態(tài)資料。

風云二號衛(wèi)星裝載的主要有效載荷—多通道掃描輻射計是一臺光學遙感儀器。它利用衛(wèi)星自西向東的自旋運動和輻射計望遠鏡自北向南的步進，實現對地球的二維觀測，具有可見光、紅外和水汽等5個波段，可同時對地球大氣現象和快速變化情況進行實時、連續(xù)的觀測和監(jiān)視，每天獲取28幅20°×20°范圍的地球全景圓盤圖；在（汛期）加密觀測下，每天可以獲取云圖48時次（全景圓盤圖28幅、北半球圖20幅）；可按靈活機動業(yè)務需求以5～6min/幅頻次掃描我國及周邊區(qū)域云圖。

風云二號衛(wèi)星在全球氣象衛(wèi)星觀測網中占有重要的位置。過去，對整個東亞，特別是對印度洋、青藏高原區(qū)域的衛(wèi)星觀測是很薄弱的。風云二號衛(wèi)星定位于105°E，其位置決定了它是整個地球觀測系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它獲得的觀測資料對國際的氣象界乃至地球科學界都有貢獻。在世界氣象組織的空間計劃中，風云二號衛(wèi)星被列為骨干氣象衛(wèi)星，承擔全球天氣和氣候觀測的義務。

風云二號衛(wèi)星發(fā)射歷程

風云二號衛(wèi)星的業(yè)務化應用，為氣象、海洋、農業(yè)、林業(yè)、水利、航空、航海、環(huán)保等領域提供了大量的公益性和專業(yè)性服務，已被世界氣象衛(wèi)星組織納入國際業(yè)務應用氣象衛(wèi)星序列，成為全球天基綜合觀測系統(tǒng)的重要組成部分，可為世界各國用戶提供服務。

1997年6月我國成功發(fā)射第一顆地球靜止軌道氣象衛(wèi)星后，2004年10月19日和2006年12月8日，我國又分別成功發(fā)射了風云二號C星和D星，首次實現了“雙星運行、互為備份”，實現了地球靜止軌道氣象衛(wèi)星的業(yè)務化運行。其中，風云二號C星及地面應用系統(tǒng)還榮獲2007年度國家科技進步一等獎。

風云一號衛(wèi)星和風云二號衛(wèi)星的發(fā)射成功，結束了我國氣象預報衛(wèi)星數據長期依賴國外衛(wèi)星的歷史。從此，我國成為同時擁有極地軌道和地球靜止軌道兩個系列氣象衛(wèi)星的國家。

第二代極地軌道氣象衛(wèi)星

2000年9月，國家批準風云三號衛(wèi)星立項。經過長達8年的研制，中國第一顆第二代極地軌道氣象衛(wèi)星風云三號A星于2008年5月27日成功發(fā)射，風云三號B星也于2010年11月5日成功發(fā)射，風云三號A、B兩顆試驗星的成功發(fā)射和運行標志著中國第二代氣象衛(wèi)星全面進入業(yè)務運行階段，風云三號衛(wèi)星完全接替了風云一號衛(wèi)星的對地氣象觀測任務。此后我國分別于2013年9月、2017年11月、2021年7月發(fā)射了風云三號的C星、D星、E星。

風云三號A星的質量為2298.5kg，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，搭載有可見光紅外掃描輻射計、紅外分光計、微波溫度計、微波濕度計、中分辨率光譜成像儀、微波成像儀、紫外臭氧總量探測儀、紫外臭氧垂直探測儀、地球輻射探測儀、太陽輻射監(jiān)測器和空間環(huán)境監(jiān)測器共11臺有效載荷，有90多種探測通道，可以不分白天黑夜，對任何氣象環(huán)境進行探測。每天可對全球掃描2次，每次掃描幅寬為2900km。衛(wèi)星上攜帶的垂直探測儀，可以對地表以上30km范圍內的大氣進行立體觀測，大大增強了氣象預報的精細水平和準確率。

風云三號 A 星創(chuàng)造的諸多第一

全球首顆民用晨昏軌道氣象衛(wèi)星風云三號E星（也稱黎明星）于2021年7月5日發(fā)射，運行在830km太陽同步晨昏軌道上空，迎著黎明為全球提供氣象觀測數據。它的發(fā)射填補了我國晨昏軌道氣象衛(wèi)星技術空白，與風云三號C星、D星實現“上午軌道、下午軌道和晨昏軌道”三星組網觀測。風云三號E星搭載的風場測量雷達實現了全球海面風場探測；攜帶的太陽觀測儀器，實現了對空間天氣擾動的源頭—太陽的成像觀測。

風云三號極地軌道氣象衛(wèi)星的技術指標達到了歐美最新一代氣象衛(wèi)星水平，實現了從二維遙感成像到三維綜合大氣探測，從單一光學探測到全波段寬波譜探測，從千米級觀測提高到百米級觀測，從國內組網接收到全球組網接收的多項跨越。風云三號衛(wèi)星在監(jiān)測大范圍自然災害和生態(tài)環(huán)境，研究全球環(huán)境變化、氣候變化規(guī)律和減災防災等方面發(fā)揮了重要作用；同時也可為航空、航海等部門提供全球氣象信息。世界氣象組織已將其納入新一代世界極地軌道氣象衛(wèi)星網。

風云三號衛(wèi)星是我國第二代極地軌道氣象衛(wèi)星，可在全球范圍內實施全天候、多光譜、三維、定量探測，主要為中期數值天氣預報提供氣象參數，并監(jiān)測大范圍自然災害和生態(tài)環(huán)境，同時為研究全球環(huán)境變化、探索全球氣候變化規(guī)律、航空航海提供氣象信息。

第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星

2016年12月11日零時11分，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長征三號乙運載火箭成功發(fā)射風云四號A星。風云四號A星是我國地球靜止軌道氣象衛(wèi)星從第一代（風云二號衛(wèi)星）向第二代跨越的首發(fā)星，也是我國首顆地球靜止軌道三軸穩(wěn)定定量遙感衛(wèi)星。

風云四號A星使用全新研制的SAST5000平臺，設計壽命7年。它具備對地“多光譜二維成像+高光譜三維探測+超窄帶閃電探測”的氣象要素實時綜合觀測能力，同時具備對空間粒子、輻射和磁場等空間天氣的觀測能力。多通道掃描成像輻射計可15min獲取一幅14波段地球圓盤圖像，可見光空間分辨率最高為500m，紅外空間分辨率為2～4km；紅外最高靈敏度0.1K，定標精度優(yōu)于1K，達到國際同類型載荷先進水平。干涉式大氣垂直探測儀采用邁克爾遜干涉儀，實現1650個通道的紅外輻射探測，全球首次從地球靜止軌道獲取高頻次的大氣溫度和濕度垂直分布信息，在軌實測光譜分辨率0.625cm-1，輻射定標精度優(yōu)于1.5K，光譜定標精度優(yōu)于10×10-6。閃電成像儀可以以500幀/秒高頻次獲取閃電探測數據，實時星上開展閃電事件探測，與地基觀測數據比對，實現對雷暴系統(tǒng)的實時、連續(xù)監(jiān)測和跟蹤。輻射計、探測儀、閃電儀在軌實現聯合觀測強對流聚集伴隨明顯的天氣事件，輻射計觀測到的強對流云細微結構和紋理特征，與閃電事件、探測儀晴空區(qū)域感測數據聯合，對區(qū)域性災害天氣提前預警，提高強對流天氣、災害天氣的預報精度具有重要價值。風云四號A星綜合探測能力達到國際先進部分領先水平。

風云四號A星投入使用后，我國更加精確地開展了天氣監(jiān)測與預報預警、數值預報、氣候監(jiān)測。衛(wèi)星裝載的閃電成像儀1s能拍500張閃電圖，探測區(qū)域范圍內的閃電頻次和強度，在國內首次提供閃電預警。輻射計每3min對臺風區(qū)域進行觀測，彌補了在軌衛(wèi)星云圖時間分辨率不高的缺點，對災害及環(huán)境監(jiān)測、人工影響天氣、空間天氣研究等提供了有力支撐。

2021年6月3日，我國成功發(fā)射風云四號B星，風云四號A、B兩顆衛(wèi)星實現了更為靈活的雙星組網觀測，帶來高頻次天氣觀測能力的躍升。風云四號B星在國際上首次實現了地球靜止軌道250m空間分辨率、中小尺度（2000km×2000km）1min頻次觀測，為強對流天氣監(jiān)測、重大活動氣象保障提供了高頻次、高清晰度的觀測數據。人們看到風云四號B星云圖后都不禁感嘆道：“地球從未如此清晰?！?/p>

縱觀國際，風云四號衛(wèi)星帶領中國高軌氣象衛(wèi)星趕超歐美，搶占國際制高點，在世界上首次實現了地球靜止軌道的大氣垂直探測，大幅提高了天氣預報準確率和精細化水平，同時其圖像定位精度達到了國際一流水平。

作者簡介

董瑤海

上海航天技術研究院科技委常委、型號總設計師，主要從事氣象衛(wèi)星的研制與發(fā)展戰(zhàn)略研究工作。歷任我國風云三號、風云四號氣象衛(wèi)星總設計師，主持第二代極軌氣象衛(wèi)星和地球靜止軌道氣象衛(wèi)星的研制工作?！靶率兰o百千萬人才工程”國家級人選，首屆上海青年科技英才。獲國家科技進步獎一等獎1項、二等獎1項，省部級獎勵及榮譽7項。

陳文強

上海航天技術研究院科技委型號總指揮，主要從事氣象衛(wèi)星的研制和項目管理工作。歷任我國風云二號氣象衛(wèi)星副總指揮、風云四號氣象衛(wèi)星總指揮，完成多顆風云二號氣象衛(wèi)星以及風云四號A、B氣象衛(wèi)星的研制、發(fā)射任務。獲國家科技進步獎一等獎1項，省部級獎勵及榮譽1項。

楊軍

中國氣象局工程辦公室主任、工程總師，風云氣象衛(wèi)星工程常務副總指揮，衛(wèi)星氣象學委員會主任委員長期從事風云氣象衛(wèi)星及應用發(fā)展研究。國家“百千萬人才工程”人選。獲國家科技進步獎一等獎1項、二等獎1項，省部級獎勵及榮譽8項。

本文經授權節(jié)選自《星耀中國：我們的風云氣象衛(wèi)星》（人民郵電出版社，2022年8月版）第四章《氣象衛(wèi)星的“前世今生”》。

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