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风云纪事丨上海航天为国铸星,七年攻关成就风云四号

2016-12-11 16:42| 发布者: 潜艇4809| 查看: 2134| 评论: 1

摘要:   风云四号这颗凝聚了上海航天技术研究院研制人员心血的“智慧星”,将大幅提高我国天气预报和气候预测能力。

  12月11日0时11分,伴随着长征三号B运载火箭的腾空,我国静止轨道气象卫星从第一代(风云二号)向第二代跨越的首发星风云四号,向着36000公里的太空“新家”飞奔而去。在测控大厅内,当听到“星箭分离”、“太阳帆板展开”时,所有的技术人员热情相拥,所有的努力和付出在这一刻化作激动的泪水。这颗凝聚了上海航天技术研究院研制人员心血的“智慧星”,将大幅提高我国天气预报和气候预测能力。

风云四号12月11日发射升空 


为国铸星矢志不渝,时刻紧跟世界前沿

 

  我国是一个自然灾害频发的国家,增强对各类灾害和气候的监测和预防预报能力是现实的需求。   

  气象卫星作为空间飞行器,是地球的一座太空气象站,在大气环境要素和天气现象的观测上具有观测范围广、观测时效快、不受自然条件限制等得天独厚的优势。我国自上世纪七十年代起开始气象卫星的研制工作,经过几代航天人的不懈努力,已成为世界上少数几个同时拥有太阳同步轨道气象卫星和静止轨道气象卫星的国家之一。2008年5月,风云三号发射成功,实现了我国太阳同步轨道气象的升级换代,极大提升了我国中长期数值天气预报的能力。

风云四号在厂房内测试   

  “我国新一代静止轨道气象卫星的设想实际从上世纪90年代就已提出了。”风云四号卫星工程总师李卿说,“结合世界气象卫星的发展,经过先后两次的方案和应用需求研讨,我们基本明确了我国新一代静止气象卫星的发展方向。”

  上世纪90年代开始,美国开始进行第三代静止轨道气象卫星的研制,其主要特点是采用三轴稳定控制的方式,同时围绕提升遥感精度、增加探测通道和大气垂直探测等进行了探索。我国目前正在使用的静止轨道气象卫星风云二号,采用的是自旋稳定的方式,卫星在36000公里的高空像陀螺一样高速旋转,其装载的主要载荷是5通道的扫描成像仪,可以实现对地球表面和云的成像观测。

  “一方面,随着卫星观测应用需求的多元化,对卫星探测的时间、空间、光谱和辐射分辨率要求以及定量探测精度的要求也越来越高,而且大气垂直方向的温度、湿度分布是进一步提高数值天气预报精度的重要边界参数。因此,实现对大气环境的三维立体探测,是未来高精度定量遥感卫星的发展方向。”李卿说,“同时,相对于自旋稳定卫星,三轴稳定卫星可以大幅提高对地观测的时间效率,更大限度地满足多种功能载荷装载的要求,有利于进一步提高卫星探测的精度、灵敏度。”由此,上海航天确定了后续静止卫星三轴稳定、多载荷发展的思路。

试验厂房内的风云四号   


剑指一流,从跟跑并跑到领跑

   2000年前后,经过各方努力,以多通道扫描成像辐射计、大气垂直探测仪和闪电成像仪为主要载荷、三轴稳定姿态控制的新一代静止轨道气象卫星的构想被正式提出。同时,初步明确了卫星控制系统和有效载荷的性能要求。中国航天科技集团明确,由上海航天技术研究院作为总体单位牵头开展卫星的研究工作。 

   由于当时国内尚无针对高轨遥感卫星的三轴稳定专用平台,根据对用户需求的分析,研制团队随即在已有的成熟平台的基础上,围绕新型卫星的关键技术开展了论证攻关。但是,前进的道路充满荆棘。在我国研究风云四号卫星的同期,美国最新一代静止气象卫星GOES-R、欧洲第三代静止气象卫星MTG也正在进行需求和方案论证。上海航天研制团队发现,如果按照原有的载荷指标推进,将与同期的国际先进水平存在较大差距,即要面临研制出来就落后的状况。

科研人员在发射场进行联合演练   

改!既然要做,就必须做成世界一流!

   2007年,对标国际气象卫星发展的最前沿,用户提出了新一代静止气象卫星的全新需求和技术指标,由此风云四号确定采用大卫星平台,扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪采用离轴三反体制。扫描成像辐射计的观测通道增加到14个,接近美欧指标;垂直探测仪由原先的滤光轮方案改为全新的干涉式垂直探测仪,光谱通道一下从原先的20多个增加到1000个以上。同时,光学系统由单轴扫描镜改为双扫描镜、离轴三反方案,以提高光学性能和图像定位配准精度。一系列的改变,导致而原有的成熟卫星平台无法适应工程的需求。为此,研制人员提出采用新研发的SAST5000大型平台,并提出了图像定位与配准等一系列关键技术。

测试中的风云四号   

  历经近10的预研,2010年风云四号由国家正式批准立项,开始进入方案阶段研制。

 


他们知难而退,我们迎难而上

    

  “目标确定了,接下来要做的就是按照这个目标一步一步地走下去。”没有豪言壮语,有的只是一步一个印记的脚踏实地,研制团队很快投入到了卫星方案的研制工作之中。很快,一个独具特色的高轨三轴稳定定量遥感卫星方案跃然而出——新型的六面柱体构型、贮箱平铺方案,双总线体制,载荷-星敏感器共基准以及精密控温方案,星上实时图像导航配准技术,星上微振动抑制技术……这个方案也立即获得用户认可。

    

理论的可行并不意味着工程上的实现。事情往往到了要真正做下去时才知道有些困难是难以跨越的。美国因为技术和经费的原因,在最新一代卫星上最终放弃了干涉式大气垂直探测仪;欧洲则采取两台载荷各研一颗卫星的方式,以规避产生的图像定位与配准等技术问题。风云四号一下成了国际上绝无仅有的一颗星同步搭载扫描成像仪和干涉式垂直探测仪的卫星。

  一方面要在一颗卫星上解决人家历经三代卫星才解决的问题;同时还要把人家知难而退的工作继续下去,这难度可想而知。

风云四号   

   “但不难,又怎么叫做国际一流呢?他们知难而退,我们要迎难而上”卫星总指挥陈文强说:“一开始,我们就确定了以图像定位与配准、微振动抑制与测量等五个整星的重大关键技术为代表的技术攻关方向。”

   图像定位与配准是影响卫星扫描辐射计高精度成像的关键技术。“图像定位与配准就是卫星通过实时测量计算,消除姿态变化等各种影响成像的因素,使卫星在36000公里的‘眼睛’永远瞄准我们想让它看的地方,同时在拼接拍摄的图像时做到零误差。”风云四号卫星总设计师董瑶海解释。

   美国从1994年就开始着手解决相关问题,通过5颗卫星的持续改进,历时11年,到2006年发射的GOES-13才有明显改善。刚刚发射的GOES-R的定位精度达到1km,而风云四号即要达到这个标准。

   按照两台主要载荷的设计要求,要实现高精度观测的要求,就要对星上的快速运动部件产生的扰动进行补偿,也要对卫星轨道倾角变化、热变形等慢周期变化产生的影响进行补偿。  

  那段时间,谁都不知道他们究竟经历了什么。在不断摸索的基础上,团队渐渐迎来了曙光。伴随着卫星高精度姿态确定方法、热变形在轨辨识和建模技术以及姿态、轨道和热变形补偿技术等技术瓶颈的先后攻破,科研人员建立了一整套图像配准的算法研究,并最终通过星上每5毫秒一次实时对有效载荷扫描镜转角进行补偿,使卫星图像定位与配准精度达到1个像素以内,补偿效率到达98.8%。

科研人员正在进行风云四号联合演练   


人家能做出来,我们也能做出来

    

  微振动测量与抑制是前进道路上的又一块硬骨头。卫星在轨运行过程中,星上的活动部件不可避免会给卫星带来细小的振动。而卫星配置的干涉式大气垂直探测仪,因其工作机制对外界微小振动干扰极其敏感,些微的振动就会诱发干涉仪动镜发生角秒级的倾斜,使得光谱性能退化,导致分析光谱产生“鬼线”或者无法预知的谱线。一次载荷试验中,因为试验现场有人走动,就致使图像质量大受影响。2010年卫星立项时,微振动对敏感载荷性能影响就成为卫星重要风险项目之一。   

  由于风云四号是国际上首颗同时装载扫描辐射计和干涉式大气垂直探测仪的卫星。当时国内卫星还么有相关的技术积累,而国外对此项技术也是讳莫如深。研制团队赴欧考察时,相关设备被包的严严实实,生怕“走漏风声”。 

  “人家能做出来,我们未必就做不出来。”董瑶海说,我们从建立星上干涉仪正常工作所需要的指标体系入手,用了1年的时间,从研究规划、技术途径、实施方案等方面凝练形成隔振系统的设计方案。此后又花了两年的时间,对卫星飞轮、制冷机、SADA等10余个转动部件的振动特性与传递路径进行分析、试验。为了进一步吃透相关振动产生的原理与特点,团队还对各类进口、国产的飞轮的频谱、响应等进行对比。

风云四号    

  在此基础上,上海航天风云四号团队在国内率先实现了振源隔振装置和有效载荷隔振装置的工程化,使卫星平台对敏感载荷的振动干扰降低到0.1mg,而手轻击桌面的振动量级约为300mg,相当把地面的隔振平台搬到了天上。2014年8月,经过持续近1个月的整星级微振动试验,微振动抑制效率提升至90%以上。

  “我们期望着风云四号入轨运行后,能在气象观测和数值预报等领域发挥更大的作用。”据陈文强介绍,按照研制一代、预研一代、规划一代的发展思路,当前研制团队正在开展风云四号微波星的研制工作,实现静止轨道对大气的全天候、全天时、三维探测,同时还在进行后一代气象卫星的论证工作,以进一步提升我国定量遥感卫星的性能。

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精品文章

内容充实

不敢苟同

保留意见

文笔太差

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引用 冰雪勇士 2016-12-12 07:53
可喜可贺啊,航天人加油

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