日本首顆新一代氣象衛(wèi)星向日葵－8入軌

肖武平（北京空間科技信息研究所）

向日葵－8（Himawari－8）是利用三菱電機(jī)公司DS－2000衛(wèi)星平臺(tái)為日本氣象廳研制的新型氣象衛(wèi)星，也是日本首顆第三代“氣象衛(wèi)星”（GMS）。該衛(wèi)星于2014年10月7日由H－2A－25火箭發(fā)射，星箭分離后，衛(wèi)星利用其自身攜帶的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)將衛(wèi)星送入35800km高的地球靜止軌道。

1 向日葵－8概要

“向日葵”系列氣象衛(wèi)星的發(fā)展概況

“向日葵”是日本“氣象衛(wèi)星”系列的愛稱。日本氣象廳從1978年開始用“向日葵”進(jìn)行氣象觀測，已持續(xù)36年，成功發(fā)射了8顆。日本是一個(gè)地震活動(dòng)頻繁的國家，受臺(tái)風(fēng)影響也相當(dāng)嚴(yán)重，利用包括“向日葵”衛(wèi)星在內(nèi)的各類衛(wèi)星來監(jiān)視臺(tái)風(fēng)動(dòng)向、地震等的活動(dòng)狀況，預(yù)測臺(tái)風(fēng)行進(jìn)路線以及監(jiān)視和預(yù)測、預(yù)報(bào)暴雨等已成為一種必不可缺的重要手段?！跋蛉湛钡挠^測數(shù)據(jù)除用于氣象業(yè)務(wù)外，還有效地用于氣候、水資源、地球環(huán)境保護(hù)以及抗震、防災(zāi)、救災(zāi)等眾多領(lǐng)域。

向日葵－8和向日葵－9的應(yīng)用計(jì)劃

包括向日葵－8，日本共發(fā)射了9顆氣象衛(wèi)星，其中除首顆“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”（MTSAT）由于火箭問題發(fā)射失敗外，其他衛(wèi)星都發(fā)射成功并投入在軌應(yīng)用。向日葵－1～5屬于采用自旋穩(wěn)定的第一代靜止“氣象衛(wèi)星”系列，采用美國休斯公司的衛(wèi)星平臺(tái)。向日葵－6、7屬于采用三軸穩(wěn)定的第二代“氣象衛(wèi)星”，不僅具備氣象觀測功能，還可提供航空管制服務(wù)，也稱“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”。平臺(tái)采用美國勞拉空間系統(tǒng)公司的LS－1300，其首發(fā)星發(fā)射失敗，其備份星“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”即向日葵－6，于1999年用H－2A火箭發(fā)射成功，以軌道工作星正式執(zhí)行氣象觀測任務(wù)，同時(shí)提供航空管制服務(wù)。為確保連續(xù)、準(zhǔn)確地向用戶提供滿意的氣象服務(wù)，日本氣象廳決定研制和發(fā)射“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”的軌道備份星。為推進(jìn)氣象衛(wèi)星國產(chǎn)化，在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和文部科學(xué)省等的反復(fù)推薦下，日本運(yùn)輸省最終同意了氣象廳選用三菱電機(jī)公司的DS－2000衛(wèi)星平臺(tái)研制“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”的軌道備份星（多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－1R），即向日葵－7，并于2006年2月26日用H－2火箭發(fā)射入軌，其設(shè)計(jì)壽命和執(zhí)行觀測任務(wù)時(shí)間與多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－1相同，分別為10年和5年。自發(fā)射入軌后，一直作為備份星在軌運(yùn)行，其性能和功能都滿足了設(shè)計(jì)要求，令用戶滿意。當(dāng)多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－1即將停止工作前（2010年7月），多用途運(yùn)輸衛(wèi)星－1R就開始正式執(zhí)行氣象觀測和提供航空管制服務(wù)任務(wù)。按設(shè)計(jì)壽命，向日葵－7將于2015年達(dá)到壽命期限。由于向日葵－7在軌運(yùn)行正常，加之政府強(qiáng)力支持國產(chǎn)化，氣象廳提出繼續(xù)采用三菱電機(jī)公司的DS－2000衛(wèi)星平臺(tái)研制向日葵－8和9。在得到設(shè)計(jì)行政部門運(yùn)輸省批準(zhǔn)后，于2010年與三菱電機(jī)公司正式簽署訂單，也被稱之為第三代“氣象衛(wèi)星”。三菱電機(jī)公司自2009年財(cái)年開始研制向日葵－8和9，按合同要求，于2014年10月完成向日葵－8的發(fā)射任務(wù)，于2015年接替達(dá)到執(zhí)行任務(wù)壽命期限的向日葵－7繼續(xù)執(zhí)行觀測任務(wù)；而向日葵－9則按計(jì)劃要求將于2016年發(fā)射。

向日葵－8衛(wèi)星概況

向日葵－8和9都是一顆全長約8m（含單太陽電池翼）的衛(wèi)星，發(fā)射質(zhì)量約3500kg。采用三菱電機(jī)公司DS－2000衛(wèi)星平臺(tái)（三軸控制）為用戶設(shè)計(jì)的氣象衛(wèi)星的組態(tài)，設(shè)計(jì)壽命為15年，執(zhí)行觀測任務(wù)壽命長于8年。

在向日葵－8的研制過程中，重點(diǎn)解決了以下5個(gè)問題：

1）完成包括新型主遙感器—可見光紅外輻射計(jì)（AHI）在內(nèi)的衛(wèi)星本體的研制；

2）開發(fā)處理可見光紅外輻射計(jì)觀測數(shù)據(jù)的專用軟件；

3）完善與衛(wèi)星（向日葵－8和9）通信用的地面設(shè)施；

4）完善對(duì)衛(wèi)星（向日葵－8和9）進(jìn)行監(jiān)視與控制用的地面設(shè)施；

5）完善執(zhí)行對(duì)可見光紅外輻射計(jì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理用的軟件處理設(shè)施。

其中，為確保衛(wèi)星的穩(wěn)定運(yùn)行，按設(shè)計(jì)要求，要確保有效載荷對(duì)準(zhǔn)觀測對(duì)象和太陽電池翼對(duì)準(zhǔn)太陽，以及開發(fā)出高分辨率的可見光紅外輻射計(jì)是關(guān)鍵。

在衛(wèi)星指向地球方向的臺(tái)面（ZS方向）上受震動(dòng)和熱影響較小，主要配置有效載荷儀器和姿態(tài)測量部件，其核心有效載荷部件是可見光紅外輻射計(jì)；姿態(tài)測量部件則包括可大幅度提高測量精度和衛(wèi)星測量精度的儀器，包括星跟蹤器（STT）、慣性基準(zhǔn)單元（IRU）、高頻速率敏感器（ARS）和加速度計(jì)（ACC）等。

向日葵－8的構(gòu)造

向日葵－8和9的姿態(tài)確定選擇以星追蹤器和慣性基準(zhǔn)單元為主體，采用把星追蹤器和慣性基準(zhǔn)單元獲取的數(shù)據(jù)與高頻速率敏感器和加速度計(jì)獲取的數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到地面，經(jīng)地面處理后用于高精度的姿態(tài)確定。同時(shí)，在衛(wèi)星本體也對(duì)經(jīng)地面處理后的數(shù)據(jù)作為姿態(tài)控制用的信息，進(jìn)行高精度的姿態(tài)控制。這樣就可以避免像向日葵－7等那些以地球敏感器為姿態(tài)檢測主體的衛(wèi)星，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法連續(xù)進(jìn)行姿態(tài)控制等問題，確保衛(wèi)星在整個(gè)運(yùn)行過程中都能夠大幅度地提高控制精度（采用地球敏感器為姿態(tài)檢測主體的向日葵－7的姿態(tài)控制精度：滾動(dòng)0.045°；俯仰0.043°；偏航0.128°；而以星跟蹤器和慣性基準(zhǔn)單元作為姿態(tài)檢測主體的向日葵－8的姿態(tài)控制精度：滾動(dòng)0.013°；俯仰0.022°；偏航0.013°），可確保穩(wěn)定地完成各種觀測。此外，還可以做到只要在全球范圍內(nèi)辨識(shí)出任何一顆星，就可以根據(jù)進(jìn)入視野范圍內(nèi)的那顆星所在的具體位置確定衛(wèi)星的姿態(tài)，在不受時(shí)間限制的情況下保持姿態(tài)穩(wěn)定。另外，采用這種控制方式不僅可以確保在通常運(yùn)行時(shí)，就是在發(fā)射后進(jìn)行姿態(tài)捕獲時(shí)以及萬一喪失姿態(tài)時(shí)，也能夠在不受任何限制的情況下進(jìn)行再捕獲。在這一平臺(tái)上配置的測量儀器與這種將可見光紅外輻射計(jì)的觀測數(shù)據(jù)和位置檢測數(shù)據(jù)匹配使用，更加有利于完成高精度姿態(tài)控制和位置調(diào)整等。

此外，這一平臺(tái)上還配備有傳送觀測數(shù)據(jù)用的Ka頻段天線、發(fā)送和接收遙測指令用的Ku頻段天線、轉(zhuǎn)發(fā)通報(bào)數(shù)據(jù)和接收地面數(shù)據(jù)用的特高頻（UHF）天線。

與上一代氣象衛(wèi)星向日葵－7相比，向日葵－8總質(zhì)量大幅度下降，執(zhí)行任務(wù)能力增強(qiáng)，設(shè)計(jì)壽命和執(zhí)行任務(wù)時(shí)間大幅度延長，并且具有多波段、觀測間隔縮短、空間分辨率更高等特點(diǎn)。

向日葵－8與向日葵－7性能參數(shù)

2 氣象觀測能力

作為向日葵－7的后繼星，向日葵－8搭載了世界上最先進(jìn)的下一代氣象觀測遙感器—可見光紅外輻射計(jì)，不僅大幅度地提高了設(shè)計(jì)壽命（向日葵－7的設(shè)計(jì)壽命為10年，執(zhí)行觀測任務(wù)時(shí)間為5年，而向日葵－8的設(shè)計(jì)壽命為15年，執(zhí)行觀測任務(wù)時(shí)間為8年以上）；而且還率先在星上搭載了領(lǐng)先國際水平、具有很強(qiáng)觀測能力的可見光紅外輻射計(jì)，大幅度地提高了氣象觀測能力（增加了近紅外頻段，觀測頻段多達(dá)16個(gè)），獲取的數(shù)據(jù)量是向日葵－7的50倍；大幅度地縮短了對(duì)全球觀測所需的時(shí)間（向日葵－7需30min，而向日葵－8僅需10min）。完成在軌性能試驗(yàn)后,將按計(jì)劃于2015年正式接替向日葵－7執(zhí)行氣象觀測任務(wù)。

向日葵－7搭載的紅外線輻射計(jì)僅有5個(gè)波段，分別是可視光，1個(gè)頻段，僅黑白圖像；紅外，4個(gè)頻段。而向日葵－8搭載的可間光紅外紅外輻射計(jì)共有16個(gè)頻段，其中，可視光，3個(gè)頻段（彩色，包藍(lán)、綠、紅，可進(jìn)行圖像合成）；近紅外，3個(gè)頻段；紅外，10個(gè)頻段。頻段的大幅度增加，不僅大幅度地提高了觀測性能，同時(shí)還提高了對(duì)圖像的分辨率，如向日葵－7對(duì)可見光圖像的分辨率僅為1km，而向日葵－8則達(dá)0.5km；向日葵－7近紅外對(duì)圖像的分辨率為4km，而向日葵－8則無論是近紅外還是遠(yuǎn)紅外都達(dá)到了1km。就對(duì)全球進(jìn)行觀測所需的時(shí)間而言，向日葵－7需要30min，而向日葵－8僅需10min。再比如，用3臺(tái)可見光紅外輻射計(jì)的可見光圖像（藍(lán)色：0.47μm、綠色：0.51μm、紅色：0.64μm）合成的圖像與人在太空中看到的地球圖像非常相似，用其可有效監(jiān)測黃沙和森林火災(zāi)等。

搭載向日葵-8的H－2A火箭

向日葵－8與向日葵－7搭載的紅外線輻射計(jì)頻段的區(qū)別

在一個(gè)基本單位內(nèi)實(shí)施的觀測計(jì)劃

1個(gè)基本單元內(nèi)各觀測區(qū)域可完成的觀測次數(shù)

與向日葵－7相比，向日葵－8大幅度地加快了觀測頻率。向日葵－8要完成對(duì)全球觀測以及5個(gè)特定區(qū)域的觀測合計(jì)僅需10min，而它通常是以10min作為1個(gè)實(shí)際觀測基本單元，在一個(gè)基本單元時(shí)間內(nèi)不僅可以從西向東掃描，還可從北向南依次完成23次掃描，獲取從地球北端到南端的觀測數(shù)據(jù)，即全球觀測數(shù)據(jù)，同時(shí)還有可重復(fù)獲取若干個(gè)小范圍的觀測數(shù)據(jù)的功能。實(shí)際上，向日葵－8在每實(shí)施一次全球觀測時(shí)段內(nèi)就能夠?qū)?個(gè)特定區(qū)域進(jìn)行重復(fù)觀測，相當(dāng)于每2.5min就可以對(duì)日本周邊的2個(gè)區(qū)域（即圖中區(qū)域1和區(qū)域2，從東到西2000km、從南到北1000km的區(qū)域）進(jìn)行1次觀測，對(duì)這2個(gè)區(qū)域的觀測是固定不變的；而另外3個(gè)觀測區(qū)域是可變的，其中1個(gè)是每2.5min就可觀測1次的區(qū)域（即圖中區(qū)域3，從西到北1000km、從東到西1000km），這一觀測對(duì)象為臺(tái)風(fēng)、火山和低氣壓發(fā)展區(qū)域；另外2個(gè)區(qū)域（從東到西1000km、從南到北500km）則大約每30s就可改變一次，主要是根據(jù)需求對(duì)地球上最有典型特征的海岸線進(jìn)行觀測，依次獲取所需的海岸線圖像，同時(shí)還計(jì)劃根據(jù)獲取的海岸線的觀測位置與預(yù)測位置之差對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行修正。此外，還可以根據(jù)所觀測到的對(duì)快速生成的堆積烏云等驟然變化監(jiān)視各種特殊的氣象現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

向日葵－8的發(fā)射成功引起了航天界和氣象界人士的普遍關(guān)注，其正式投入使用后的效果更為人們所關(guān)心，希望它能夠取得理想的應(yīng)用效果，為人類提供更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境保護(hù)所需的信息，為防災(zāi)、減災(zāi)做出貢獻(xiàn)。