風雲四號氣象衛星

風雲四號衛星（FY－4）衛星是由中國航天科技集團公司第八研究院（上海航天技術研究院）抓總研製的第二代地球靜止軌道（GEO）定量遙感氣象衛星，採用三軸穩定控制方案，將接替自旋穩定的風雲二號（FY－2）衛星，其連續、穩定運行將大幅提升我國靜止軌道氣象衛星探測水平。

作為新一代靜止軌道定量遙感氣象衛星，FY－4衛星的功能和性能實現了跨越式發展。衛星的輻射成像通道由FY－2G星的5個增加為14個，覆蓋了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段，接近歐美第三代靜止軌道氣象衛星的16個通道。星上輻射定標精度0.5 K、靈敏度0.2 K、可見光空間解析度0.5km，與歐美第三代靜止軌道氣象衛星水平相當。同時，

FY－4衛星還配置有912個光譜探測通道的干涉式大氣垂直探測儀，光譜 分 辨 率0．8cm－1，可在垂直方向上對大氣結構實現高精度定量探測，這是歐美第三代靜止軌道單顆氣象衛星不具備的。2017年9月25日，風雲四號正式交付用戶投入使用，標誌著中國靜止軌道氣象衛星觀測系統實現了更新換代。

2018年5月8日零時起，中國以及亞太地區用戶可正式接收“風雲四號”A星數據。

基本介紹

• 中文名：風雲四號氣象衛星
• 外文名：And number four meteorological satellite
• 代數：第二代
• 主要發展：衛星姿態，三維遙感
• 研發單位：上海航天技術研究院（航天八院）
• 總設計師：董瑤海 
• 首顆發射時間：2016年12月11日零時11分 
• 發射地點：西昌衛星發射中心
• 軌道高度：36000千米
• 衛星重量：5400公斤
• 設計壽命：7年
• 使用平台：SAST5000

設計方案

FY－4衛星採用六面柱體構型、貯箱平鋪方案，具有對地面大、質心低等特點，可保證載荷對對地面更大面積的要求，同時降低發射過程中載荷的振動回響；採用單太陽翼方案，預留完整的一側冷空間，保證了高精度定標需求，同時也可作為載荷輻射製冷器的散熱面；採用三軸穩定姿態控制，與自旋穩定方式相比可明顯增加對地掃描成像和探測的時間；採用雙匯流排 體 制，星 務 管 理 由 低 速1553B匯流排 實現，載荷成像大數據量傳輸用高速SpaceWire匯流排完成，配置靈活、可靠性高。衛星設計壽命7年，發射質量5400kg。

風雲四號設備圖

FY－4衛星分為有效載荷和平台兩部分，平台包括結構、熱控、姿軌控、推進、電源、測控、數管、總體電路、數傳、轉發、數據收集等分系統；有效載荷包括多通道掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀、閃電成像儀、空間環境監測儀器包和微波探測試驗載荷等。衛星可為天氣分析和預報、短期氣候預測、環境和災害監測、空間環境監測預警，以及其他套用提供服務，其主要任務有：

a）獲取地球表面和雲的多光譜、高精度定量觀測數據和圖像，其中包括高頻次的區域圖像，全面提高對地球表面和大氣物理參數的多光譜、高頻次、定量探測能力；

b）實現大氣溫度和濕度參數的垂直結構觀測，提高探測精度，改進垂直解析度；

c）實現閃電成像觀測，獲取觀測覆蓋區範圍內的閃電分布圖；

d）監測空間環境，為空間天氣預報業務和研究提供觀測數據；廣播分發和災害性天氣警報信息發布；

f）利用數據收集系統自動收集多種地球環境參數資料。

性能指標

FY－4衛星的主要性能指標見表1。FY－4衛星已實現的技術指標充分體現了“高、精、尖”特色，如掃描控制精度、姿態測量精度、微振動抑制能力、星上實時導航配準精度、星敏支架溫控精度等，多項技術指標挑戰了我國現有的工業基礎能力。FY－4衛星的主要載荷多通道掃描成像輻射計與國際其他先進衛星輻射計 的 性 能 指 標 見 表2。表中：SNR為可見光波段信噪比；NEΔT為紅 外波段噪聲等效溫差。由表可知：FY－4衛星的掃描成像輻射計指標與歐美的第三代地球靜止軌道氣象衛星相當。

FY－4衛星將在國際上首次實現地球靜止軌道的大氣高光譜垂直探測，並與成像輻射計共平台，可聯合進行大氣多通道成像觀測和高光譜垂直探測，垂直探測性能指標已達到在研的歐洲的性能指標。另外，星上閃電成像儀的空間解析度、觀測頻次、星上對閃電事件處理的靈活性等指標均與歐美同類載荷性能指標一致。

表一

表二

獲取原理

地球表面和雲的多光譜高精度定量觀測圖像獲取地球表面和雲的多光譜、高精度定量觀測數據和圖 像 由 多 通道 掃 描 成 像 輻 射 計 獲 取，能實現高解析度可見光、近紅外、中長波紅外的多光譜觀測，可實現常規全圓盤和針對突發性災害天氣的高頻次、高靈敏度小區域密集觀測不同範圍。多通道掃描成像輻射計採用雙掃描鏡結合三反射光學系統、線列陣探測器獲取遙感數據。成像時東西與南北掃描鏡分別進行線性掃描和步進掃描，將來自地球景物的輻射反射至主光學系統，通過中繼光學系統將入射輻射分裂成可見光波段、近紅外波段和紅外波段。探測器將景物輻射轉換成電信號後放大，經A/D轉換並快取，通過背景和噪聲抑制、圖像配準、校正等處理，對數字量編碼後下傳地面。時背景評估 和 背 景 去 除，對 閃 電 信 號 進 行 增 強、測、定位，實現強對流天氣短臨預報和預警。

大氣溫度和濕度參數的垂直結構觀測干涉式大氣垂直探測儀以干涉成像的方式，探測垂直方向的大氣溫度濕度廓線，可高頻次獲取觀測地區的大氣溫濕度廓線和痕量氣體含量，實現大氣溫度和濕度參數的垂直結構觀測。干涉式大氣垂直探測儀採用二維掃描鏡加離軸三反射主光學系統收集地氣能量，由動鏡式傅立葉干涉儀進行探測。掃描系統在東西和南北兩個方向作步進———駐留掃描，選取所需的探測區域，將地球的大氣輻射折向望遠鏡主鏡。主光學系統收集目標輻射，進行可見光波段成像；同時，紅外波段經分光、動鏡運動形成時域紅外干涉信號，經A/D轉換、干涉圖數據採集與預處理後，編碼下傳地面。

閃電成像儀主要進行中國區域的閃電成像觀測。採用CCD高速 成 像 技 術，以 頻 率500幀/秒獲取閃電與背景圖像，進行逐像素多幀實時背景評估和背景去除，對閃電信號進行增強、探測、定位，實現強對流天氣知臨預報和預警。

空間環境監測儀器包中，環境遠置單元作為下位機控制高能粒子探測器、輻照劑量儀、充電電位監測器、磁強計，可實現以下功能：

a）監測太陽、輻射帶和磁層的高能粒子（電子和質子）的方向和能譜；

b）監測衛星內部不同方向的電離輻照劑量；

c）監測3個方向（X，Y，Z位和朝天向（－Z軸）的深層充電電位；

d）監測衛星軌道的地磁場強度的3個分量，精度要求1．0nT

技術難點

儘管三軸穩定衛星平台掃描成像輻射計相對於自旋穩定衛星平台掃描成像輻射計有較多突出的優點，但也有其特有的問題。主要有以下幾點：

（1）由於掃描成像輻射計採用機械掃描實現二維掃描成像，當掃描鏡運動時，將會對衛星平台產生一定的擾動。這種擾動將會影響圖像的定位和配準，嚴重時將會漏掃圖像。並且掃描鏡慣量越大、掃描速度越高、掃描鏡運動行程越大，這種影響越大。因此，對衛星平台的姿態控制技術要求更高。同時掃描控制本身也應有實時圖像運動補償功能。按照目前的設計，掃描鏡掃描成像時的角位置定位精度將要求達到1″（1σ）。掃描鏡圖像運動補償時，定位精度將要求達到1″~2″。

（2）由於三軸穩定衛星平台上的掃描成像輻射計凝視地球且隨地球一起自轉，在每天子夜時分，太陽直射進掃描成像輻射計遮光罩的時間約有6小時。在每天的其餘時間，掃描成像輻射計將不被太陽照射，接受地球輻射和太空冷背景輻射。為此,掃描成像輻射計每天將經歷較大的溫度變化，並且隨季節的變化而變化。這種儀器內的溫度大幅變化非常不利於掃描成像輻射計獲得穩定的高質量圖像。在星蝕期間，太陽將直射到掃描鏡上，使這種不利影響達到了頂峰，甚至有可能對掃描成像輻射計產生永久性損傷。

（3）三軸穩定衛星平台上的掃描成像輻射計掃描鏡的東西向連續往復掃描運動對氣象衛星的長壽命將構成主要障礙。對掃描電機進行備份，將是應該考慮的選擇。隨著長線列焦平面技術的發展，在幀時不變的情況下，降低東西向掃描速度不僅有利於延長衛星壽命，而且能減少掃描鏡運動對衛星姿態的擾動，提高圖像的解析度和信噪比,進而提高圖像的定位和配準精度。

研發隊伍

工程總師：李卿

總設計師：董瑤海

副總設計師：沈毅力

地面套用系統副總設計師：郭強

總體主任設計師：宋效正

風雲四號氣象衛星工程總指揮：宇如聰（中國氣象局副局長）、於新文（中國氣象局副局長）

風雲四號衛星研製團隊曾獲上海市五一勞動獎章等。

2017年9月，榮獲“2017感動上海年度人物”。

研製進度

2008年10月10日：風雲四號氣象衛星工程進入立項階段，標誌風雲四號工程正式啟動

2009年6月：多通道掃描成像輻射計與干涉式大氣垂直探測儀方案設計評審會，中科院上海技物所

2010年：風雲四號氣象衛星科研試驗星工程研製項目立項於近日獲得國務院批准，中國氣象局

2010年8月：風雲四號衛星方案轉初樣評審通過，中國氣象局和中國航天科技集團公司聯合組織召開

2011年2月28日：風雲四號衛星空間環境監測儀器包初樣設計通過專家評審 航天科技集團公司八院、509所，中科院空間中心

2011年4月：風雲四號氣象衛星熱試驗 八院509所

2011年6月22日：科研試驗衛星地面套用系統工程可行性研究報告通過 中國氣象局綜合觀測司

2011年7月：“地球同步軌道毫米波大氣溫度探測儀”取得突破，中國科學院微波遙感技術重點實驗室

2012年2月：完成了初樣電性星產品的研製，通過了衛星總體初樣設計評審，中國航天科技集團公司八院

2012年2月：“地球同步軌道毫米波大氣溫度探測儀”順利通過課題驗收

2012年3：“風雲四號”進入初樣研製

2012年10月22日：“地球同步軌道毫米波大氣溫度探測儀”順利通過驗收，中國科學院空間科學與套用研究中心

2013年1月：“風雲四號”科研試驗衛星已進入正樣研製階段

2013年3月：風雲四號初樣鑑定星進入結構總裝

2013年7月：風雲四號鑑定星轉入電測試

2013年11月：推進分系統整星級地面熱試車成功

2014年2月：高軌光學遙感器熱平衡試驗，508所

2014年3月5日：閃電成像儀初樣鑑定產品通過驗收

2015年1月28日：衛星轉入正樣研製 開始生產首發星（01星）

2015年6月：風雲四號衛星轉入熱控改裝階段 812所

2016年12月11日零時11分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭成功發射風雲四號衛星（01星）。這不僅意味著中國未來的天氣監測與預報預警將更為準確，而且也代表著中國在氣象衛星這一高端領域已經達到世界先進水平。

2017年2月27日，隨著我國新一代靜止氣象衛星風雲四號A星獲取首批圖像和數據，世界第一幅靜止軌道地球大氣高光譜圖正式亮相，與此同時，我國首次獲取彩色衛星雲圖和閃電分布圖。

2017年9月25日，中國新一代靜止軌道氣象衛星風雲四號正式交付用戶投入使用，標誌著中國靜止軌道氣象衛星觀測系統實現了更新換代。

2018年5月8日零時起，中國以及亞太地區用戶可正式接收“風雲四號”A星數據。

2018年8月，風雲四號A星交付使用後，西昌衛星發射中心迅速建設並投入使用風雲四號地面接收系統，提高了對強對流等天氣的氣象預報保障能力。

發射情況

2016年12月11日0:11長征三號乙遙42火箭載火箭成功發射風雲四號氣象衛星。

風雲四號系列氣象衛星發射列表（含計畫）
名稱	發射時間	結果	定點位置	備註
01星	2016年12月11日0:11	成功	東經99.5度赤道上空	正式命名A星
02星	2018年	計畫
03星	2020年	計畫

數據套用

從2018年5月8日零時起，中國以及亞太地區用戶可正式接收“風雲四號”A星數據。同時，全部國家級氣象業務平台完成“風雲二號”到“風雲四號”衛星業務切換。

此次首批發布的數據包括大氣、雲、沙塵、降水、輻射、閃電等23種產品，可為天氣預報、災害預警等提供重要支撐。

據“風雲四號”地面套用系統總設計師張志清介紹，此次“風雲四號”向亞太地區用戶發布的數據有三個特點：一是新，即利用新資料、新方法研發的新產品；二是快，針對觀測數據的反演時間縮短；三是全，衛星搭載的四台觀測儀器的產品都向國內外用戶開放共享。“這些高頻次產品的發布，對我國及周邊地區，特別是‘一帶一路’沿線國家和地區的天氣預報和災害預警具有重要意義。”

衛星雲圖

“首圖秀”領先國際

國防科工局、中國氣象局聯合舉行發布會，風雲四號首圖出爐。

2017年2月21日我國中東部雨雪天氣監測圖。青藏高原監測圖。

首次製作彩色衛星雲圖，風雲四號就“出手不凡”：青藏高原上的湖泊、黃海細胞狀雲系、赤道附近熱帶對流等，均清晰可見；喜馬拉雅山脈的積雪紋理清楚，空間分布範圍一目了然。

這些“風四出品”的首批影像圖和數據已經集結成冊，主要包括：多通道掃描成像輻射計獲取的圖像、干涉式大氣垂直探測儀獲取的大氣紅外輻射光譜、閃電成像儀獲取的閃電分布和強度信息、空間環境監測儀獲取的空間效應及粒子探測信息。

據國防科工局總工程師田玉龍介紹，風雲四號衛星是我國靜止軌道氣象衛星從第一代風雲二號向第二代跨越的首發星，首批圖像與數據的發布，標誌著我國靜止軌道氣象衛星成功實現了升級換代。經過對首批獲取的圖像和數據初步分析，風雲四號的主要探測功能得到了全面驗證，綜合探測能力達到了國際領先水平。

與上一代靜止軌道氣象衛星風雲二號相比，風雲四號更為強大。風雲四號掃描成像輻射計主要承擔獲取雲圖的任務，共14通道，是風雲二號5通道的近3倍；在風雲二號觀測雲、水汽、植被、地表的基礎上，還具備了捕捉氣溶膠、雪的能力，並能區分出雲的不同相態和高、中層水汽。值得一提的是，風雲四號首次製作出彩色衛星雲圖，最快1分鐘生成一次區域觀測圖像。

國家衛星氣象中心主任楊軍說，“風雲四號衛星壽命更長，信息獲取速度更快，功能更強大。直觀來看，新獲取的衛星雲圖相比上一代細節更多，色彩更真實、更豐富”。

縱觀國際，風雲四號也毫不遜色。它帶領中國高軌氣象衛星趕超歐美，搶占國際競爭制高點；在世界上首次實現了靜止軌道高光譜大氣垂直觀測，可實行高頻次、高精度垂直大氣觀測，獲取大氣溫濕結構信息，將有力提高天氣預報準確率和精細化水平；自主突破了靜止軌道三軸穩定平台的圖像導航配準技術，使得圖像定位精度達到國際一流水平……