如何制作風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星云圖

許健民

衛(wèi)星氣象專家，中國工程院院士。許健民領(lǐng)導(dǎo)的研究組實(shí)現(xiàn)了風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星圖像的像元級(jí)高精度定位，為風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的定量應(yīng)用作出了貢獻(xiàn)。

氣象衛(wèi)星從太空俯視地球，獲得云圖和大氣物理狀態(tài)的三度空間探測。現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)，已經(jīng)離不開來自氣象衛(wèi)星得到的多種觀測資料。

風(fēng)云二號(hào)是什么衛(wèi)星？

風(fēng)云二號(hào)是我國自主研發(fā)的自旋穩(wěn)定靜止氣象衛(wèi)星，靜止衛(wèi)星在離地面36000千米的高度俯視地球。由于衛(wèi)星圍繞地球旋轉(zhuǎn)的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，所以從地球上觀看，衛(wèi)星似乎靜止不動(dòng)，故而它可以連續(xù)地獲取地球上的云圖。從衛(wèi)星上看，整個(gè)地球圓盤的張角大約只有17.4°。為了保證圖片的質(zhì)量，靜止氣象衛(wèi)星對(duì)地球的觀測，是通過“掃描-步進(jìn)”的方式完成的。在每一個(gè)瞬間，衛(wèi)星拋物面反射鏡匯聚從地球一個(gè)地點(diǎn)向上的輻射能量，獲得一個(gè)像元的觀測數(shù)據(jù)。掃描儀先是沿東西方向運(yùn)動(dòng)，獲取一條掃描線。然后鏡頭沿南北方向步進(jìn)一步，觀測下一條掃描線。為了繪制一幅完整的地球圓盤圖像，衛(wèi)星大約需要用25分鐘，步進(jìn)2500步。在衛(wèi)星獲取一幅地球圓盤圖像的25分鐘里，觀測目標(biāo)物地球、觀測工具衛(wèi)星、用來配準(zhǔn)逐條掃描線的參照物天體太陽，都在運(yùn)動(dòng)之中。準(zhǔn)確的圖像定位，需要在每個(gè)瞬間，對(duì)太陽、地球和衛(wèi)星的位置以及衛(wèi)星的姿態(tài)，都有精確的描寫。

?風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星

如何逐條對(duì)齊掃描線？

可以利用太陽作為參照物。衛(wèi)星的側(cè)面有一條狹縫，每自旋一周，太陽光進(jìn)入狹縫一次。由于衛(wèi)星的位置已知，從衛(wèi)星上看太陽和地球之間的夾角，是一個(gè)天文參數(shù)，可以精確算出。從而可以把掃描線精準(zhǔn)對(duì)齊，進(jìn)而準(zhǔn)確地拼接出地球影像圖。地球影像圖形成以后，科學(xué)家們需要對(duì)每個(gè)觀測像元點(diǎn)所在的地理位置進(jìn)行標(biāo)注。這需要知道衛(wèi)星的位置和姿態(tài)。衛(wèi)星的位置可以用三點(diǎn)測距法求出。氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)在北京、烏魯木齊和墨爾本分別設(shè)有地面站。地面站按時(shí)向衛(wèi)星發(fā)送和接收電磁波，根據(jù)電磁波在衛(wèi)星和三個(gè)地面站之間來回的時(shí)間，可以求出衛(wèi)星離三個(gè)地面站的距離，從而得到測距瞬間衛(wèi)星的位置，再根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方程，推出衛(wèi)星在任何時(shí)刻的位置。

?風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星在自旋的過程中，完成掃描觀測

衛(wèi)星姿態(tài)怎么求？

我們在長期觀察中注意到，從衛(wèi)星上看，地球的圓盤影像存在極其有規(guī)律的南北方向的晃動(dòng)和“順時(shí)針-逆時(shí)針”方向的擺動(dòng)。這是由于衛(wèi)星自旋軸的指向，與衛(wèi)星軌道平面之間的垂直程度，存在微小的偏差造成的。理想的靜止氣象衛(wèi)星，其運(yùn)行軌道應(yīng)該是正圓形的，并且正好在地球的赤道平面上;衛(wèi)星的自旋軸則應(yīng)該與地球的自轉(zhuǎn)軸完全平行;衛(wèi)星自旋軸的指向和自旋速率，都不應(yīng)該有抖動(dòng)。如果嚴(yán)格符合這些條件，那么衛(wèi)星所觀測到的圖像就是理想的，不會(huì)有任何偏差和抖動(dòng)。

?從衛(wèi)星上觀測到的地球影像行為規(guī)律的示意圖

實(shí)際上，這樣的條件不可能完全滿足。衛(wèi)星軌道和姿態(tài)的實(shí)際值與理想值之間，存在非常微小的偏差。這些微小的偏差，對(duì)圖像的形成有不可忽視的影響。在實(shí)踐中，衛(wèi)星的自旋軸與地球南北極之間的連線不可能做到嚴(yán)格的平行。設(shè)在06時(shí)和18時(shí)，衛(wèi)星的自旋軸和地球的自轉(zhuǎn)軸共享一個(gè)平面。06時(shí)衛(wèi)星仰視地球，地球圓盤位于觀測圖像的下部;18時(shí)衛(wèi)星俯視地球，地球圓盤位于觀測圖像的上部;00時(shí)和12時(shí)衛(wèi)星平視地球，地球圓盤位于觀測圖像的中部。這就造成了地球圓盤影像以一天為周期的南北晃動(dòng)。

另外，在06時(shí)和18時(shí)，掃描線與星下點(diǎn)所在地點(diǎn)的緯圈是平行的。但是00時(shí)和12時(shí)，衛(wèi)星的自旋軸和地球的自轉(zhuǎn)軸相互之間有歪扭：掃描線自西向東掃描時(shí)，00時(shí)略向南落下，12時(shí)略向北翹起。這就造成了地球圓盤影像在圖像上以一天為周期“順時(shí)針-逆時(shí)針”擺動(dòng)。原來，衛(wèi)星圖像上那些貌似不規(guī)則的偏差，是由于衛(wèi)星的姿態(tài)還控制得不夠理想造成的。既然如此，那么我們就可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式把圖像偏差與衛(wèi)星姿態(tài)聯(lián)系起來，根據(jù)圖像中存在的偏差，求解出衛(wèi)星的姿態(tài)，然后反過來修正圖像，使圖像更準(zhǔn)確。

風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星系列已經(jīng)發(fā)射了6顆，從2005年1月以來，風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星一直穩(wěn)定運(yùn)行，目前保持雙星工作狀態(tài)，汛期每15分鐘提供一幅云圖，非汛期每30分鐘提供一幅云圖，有重要天氣情況時(shí)每6分鐘提供一幅云圖。風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星為提高中國天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率發(fā)揮了重要的作用。