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发信人: dxmxqe (婴儿), 信区: Aero
标  题: 风云二号气象卫星及其应用前景
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jun  9 13:42:05 2004), 站内

许建民 郭关生

　　一、 风云二号静止气象卫星的基本功能

　　2000年6月25日，我国发射了第二颗地球静止气象卫星风云二号B。

　　风云二号B气象卫星将定点于东经105度的地球同步轨道上，卫星有以下四项基
本功能：

　　1.观测功能
　　星载扫描辐射计每半小时可以获取一幅覆盖三分之一地球的全景原始云图,具
有可见光(0.55～1.05μm)、红外(10.5～12.5μm)、和水汽(6.2～7.6μm)三个通
道。可见光通道星下点分辨率约1.25km,红外和水汽通道星下点分辨率约5km。利用
可见光通道可得到白天的云和地表反射的太阳辐射信息，用红外通道可得到昼夜云
和地表反射的红外辐射信息，用水汽通道可得到对流层中、上部大气中水汽分布的
信息。利用这些原始云图信息，可以加工处理出各种图像和气象参数，为用户提供
服务。
　　2.资料收集功能
　　星上数据收集转发器负责接收遍布全国各地的数据收集平台所发送的气象、水
文、地震等有关地球环境的数据，并向气象卫星地面系统转发。地面系统将它们整
理、分类后，通过线路分送给用户。数据收集系统以频分和时分方式工作。全系统
分成133个通道，每个通道内又按时分方式容纳30个平台，整个系统可收集来自
4000个平台的资料。
　　3.产品广播功能
　　风云二号气象卫星以两种方式向用户广播云图和各种气象信息。这两种方式是
:展宽云图广播、低分辨率云图广播。
　　展宽云图广播是几乎在卫星扫描观测地球的同时由地面系统将观测数据进行最
低限度的处理以后，形成用户可以使用的原分辨率原始云图信息。这种原始云图信
息原来码速率极高，不适合于广大用户接收和使用，因此需要由地面系统将它在时
间上展宽，使数据转送码速率下降到可以由用户自设中型利用站接收的程度，供用
户接收后直接使用。
　　低分辨率云图广播是在卫星完成云图观测以后，由地面系统将云图进行分割、
投影、精定位等处理后，将分区的低分辨率云图发送给有小型利用站的用户使用。

　　4.空间环境监测功能
　　卫星上装有一台粒子监测器和一台X射线监测器,它们对卫星所在的空间环境进
行监测,以保证卫星的正常运行。

　　二、风云二号气象卫星的星地系统

　　风云二号气象卫星是一个直径2.1m，高1.6m的圆柱体。远地点发动机分离后，
包括天线在内卫星总高度3.1m，重约600kg，卫星姿态为自旋稳定，自旋速率为每
分钟100±1转，卫星设计工作寿命为3年。

　　卫星由以下11个分系统组成：观测分系统、数传与云图广播转发器、数据收集
转发器、测控分系统、天线分系统、控制分系统、电源分系统、结构分系统、热控
分系统、肼推分系统和远地点发动机。其中前3个分系统直接完成卫星的主要功能
，称为有效载荷，后8个分系统是用来保证卫星正常工作的。

　　风云二号气象卫星地面应用系统包括指令和数据接收站（CDAS）、数据处理中
心（DPC）、系统运行控制中心（SOCC）、测距站（北京主站、广州、乌鲁木齐、
墨尔本三个副站）、数据收集平台（DCPS）、中规模数据利用站（MDUS）、小规模
数据利用站（SDUS）以及通讯系统。地面应用系统接收、处理、分发从卫星获得的
各种资料，对卫星有效载荷进行监视与控制，并与卫星协同工作，完成观测功能。
地面应用系统的核心部分是CDAS、DPC和SOCC。

 　　CDAS进行卫星和地面系统之间的指令和信息交换，由天线馈源伺服分系统、
跟踪接收分系统、发射分系统、测距分系统、遥测分系统、遥控分系统、原始云图
解调分路和同步缓冲分系统、数据收集平台报告接收解调和校频分系统、云图广播
和图像监视分系统、系统分析分系统、监控分系统、频率综合和时间统一勤务分系
统、标校分系统等13个分系统组成。它的主要任务是：用直径20m的天线接收从卫
星下发的14Mb/s速率的原始云图，生成速率为0.67Mb/s的数字展宽云图；转发低分
辨率云图和天气图；接收处理遥测和空间环境监视数据；对卫星有效载荷实施遥控
；接收数据收集平台信息；与DPC和SOCC进行数据交换；同另外3个测距副站中的两
个副站一起组成三点测距系统对卫星进行定位。

　　DPC是地面应用系统的数据处理、资料存档和产品分发中心。其主要任务是：
对原始图像信息进行各项预处理，并进一步加工成多种图像、图形、天气和气候产
品；处理遥测测距数据，进行卫星轨道与姿态等动力学参数的计算和预报；完成图
像定标、定位计算；处理数据收集平台数据，并向用户分发。

　　SOCC是地面应用系统实时业务的中枢。它的主要任务是：业务运行控制和指挥
调度；制作运行时间表；实施对卫星的控制，并监视控制效果；进行遥测数据处理
、图像质量显示和监视；对卫星运行参数进行趋势分析，以决定是否、或如何对卫
星进行控制；协调地面系统工作。

　　风云二号气象卫星的工程测控是由西安卫星测控中心负担的。

三、风云二号卫星云图和主要气象参数产品的形成过程

　　风云二号气象卫星是通过卫星和地面系统协同工作完成对地观测任务的。


　　风云二号气象卫星的星载多通道扫描辐射计利用卫星自旋和它的光学镜筒步进
，实现对地球的两维扫描。扫描仪光学系统的视场非常窄，对于可见光和红外/水
汽通道分别只有35mrad和140mrad，分别相当于聚集在星下点地面上1.25km和5km见
方大小的面积。每一瞬间，扫描仪只从聚焦位置上获取一个数据，称为一个像元。
卫星每0.6秒自旋一周,同时取得四条可见光扫描线、一条红外和一条水汽扫描线。
每条扫描线所获得的数据可量化分割出10000个可见光像元，2500个红外、水汽像
元。卫星自旋一周后，镜筒步进一次，步距为140mrad，然后进行下一条扫描线的
扫描。步进2500步后，可以得到一幅全景云图。所以一幅全景云图由10000×
10000个可见光像元，2500×2500个红外、水汽像元组成。取图时间为25分钟，取
完图后镜筒快速回扫，准备进行下一次观测。

　　静止卫星的轨道高度约为36000km，在这个高度上，地球的视场角只有18°×
18°。为了确保卫星视域中包含整个地球，视域设计成20°×20°。也就是说，卫
星自旋一周的360度中，只有20度可以面对地球进行观测，其它340度卫星扫描仪镜
筒面向外空，不能进行观测。在扫描仪面向地球的20度,即0.03秒时间内,卫星要获
取10000个可见光像元，2500个红外、水汽像元的资料，并把它们送给地面系统。
数据码速率高达14Mb/s。这么高数据速率的资料只能由地面系统直径为20m的大天
线接收，广大用户是不可能接收和利用的。为了使广大用户能接收和早用风云二号
气象卫星的资料，地面系统将每一条扫描线的资料在时间上展宽，码速率变成0.
67Mb/s，然后在卫星扫描仪面向外空的340度扫描时，通过卫星向广大用户转发。


　　在获取一幅云图的25分钟时间内，卫星、地球、太阳都在不停的运动之中，在
这样的条件下，要把组成一幅云图的各条扫描线准确地拼接成一幅地球影像图是一
个有相当难度的工作。首先要控制扫描辐射仪，确保其在扫过地球的20°范围内成
像。卫星每自旋一圈都会扫过太阳一次，因此可以用太阳作为扫描仪对准地球的基
准。对于每一条扫描线，卫星从扫过太阳到扫过地球之间的夹角，称温角，是一个
天文几何关系，可以事先在DPC算出。虽然太阳被卫星用作扫描低度成像的风云二
号基准，其本身是具有脉动的。卫星的自旋速率在组成一幅图像的各条扫描线之间
也不完全相同。这些偏差对精确成像都会带来相当大的误差。也就是说，用β角的
时延作为标准来对准地球还不够准确，必须使地面系统追踪几何意义上的β角，这
是通过星地大回路信息同步方案来实现的。

　　在星地大回路信息同步方案中，多个精太阳脉冲被平滑成“平太阳脉冲”，以
消除太阳脉冲信号的随机脉动。卫星自旋过程中太阳、卫星和地球之间的时间延迟
，被转变成几何张角，从而做到逐条扫描线的精配准。

　　卫星在空间的位置不可能完全静止不动，卫星的姿态也会随时间变化，这些因
素也对精确成像带来了影响。三点测距系统被用来追踪卫星在各个时刻的准确位置
，它用无线电波在主站到卫星，以及从卫星到两个副站之间的传输时间，推出它们
之间的距离，从而确定卫星的位置，卫星的姿态除了用星上的遥感仪器来测定以外
，还利用地面上已知地点的地标影像来反推，可以做得相当准确。这些工作都在
DPC进行。

　　风云二号气象卫星除了获取云图以外，还可以推导许多气象参数产品。推导气
象参数的工作都在DPC进行。其中最重要的气象参数产品是卫星导风、云分析图、
地球向外长波辐射和海表水温。卫星导风通过追踪地球上各个层次上云的运动推导
风，对云的追踪通过图片相关由DPC系统自动算出，云的高度用其发射的红外辐射
强度进行估计。云检测是指总云量、高云量和云顶高度的估计，在进行云检测计算
时，要运用历史资料和统计聚类的方法，将云图上地球表面与云的特征分开。地球
向外长波辐射和海表水温是利用红外通道的资料估计的。由于在这些计算中只使用
一个红外通道，精度不如极轨卫星高。
 
　　四、风云二号产品的应用前景

　　风云二号气象卫星定位于东经105°赤道上空，它提供了以我国中部经度为中
心的三分之一个地球范围内每小时一次的云图资料。这些云图资料将填补我国西部
、西亚、印度洋上的大范围资料空白，对天气预报有十分重要的意义。

　　我国处于中纬度西风带，天气系统大多从西边来，过去我国天气预报用的卫星
云图主要使用日本的GMS卫星。在GMS云图上，我国处于观测区的西北边缘，不仅云
图畸变很大，还不能看到从西边过来的天气系统。而从西伯利亚南下的冷空气，从
西藏高原上东移的天气系统以及从印度洋上北上的暖湿气流都对我国天气有十分重
要影响。有了风云二号气象卫星以后，从我国西面过来的天气系统将处于它的监视
范围之内。

　　风云二号气象卫星的导风资料，将填补印度洋上的广大资料空白区。印度洋上
空几乎没有岛屿，气象资料十分缺乏。印度洋上的卫星导风资料将是在这个地区进
行天气分析的重要的基本资料。由于我国夏季季风的进退与印度洋上的天气系统关
系密切，风云二号气象卫星在印度洋的导风资料，还将对改进我国夏季季风进退的
预报有意义。

　　风云二号气象卫星每小时提供一次云图。在需要的时候，还可以进行加密观测
。这种高频次的云图资料，可以有效地监视暴雨、台风等灾害性中小尺度天气系统
。

　　风云二号气象卫星的射出长波辐射资料，提供了大气中云的信息以及热带地区
大尺度环流系统分布的信息。这些信息揭示了大气中赤道辐合带、副热带高压等大
尺度环流的中期振荡，是中期天气预报的有用工具。

　　风云二号气象卫星在亚洲地区第一次提供了水汽云图。水汽输送是大气中产生
暴雨的基本条件。水汽云图所提供的大气中、高层水汽输送情况对于我国暴雨形成
的分析服务也是十分有意义的。

　　风云二号气象卫星的资料收集功能和产品广播功能将基层台站的观测资料迅速
传给国家气象中心，同时将国家卫星气象中心和国家气象中心的云图和数值天气预
报产品及时地向下分发，被各地方气象台站接收和利用。因此风云二号气象卫星是
国家级气象中心和各地方气象台站联系的纽带。有了风云二号气象卫星以后，国家
级的气象中心的现代化成果将更有效地在全国各地发挥作用。

　　风云二号气象卫星这些功能的发挥，使它真正成为我国气象现代化的一个重要
里程碑。

　　五、风云二号气象卫星在全球气象卫星观测网中的地位

　　近年来，可持续发展战略越来越受到国际社会的广泛关注。为了实施可持续发
展战略，需要全面准确地了解我们所生存的这颗星球——地球的各种信息，其中包
括地球环境及其变化的历史和现状的信息。对全球变化的分析需要依靠广泛的综合
资料，包括空间观测和场地观测。只有通过空间观测和场地观测相结合，才能产生
监视全球变化的最佳观测资料。这种观测数据采集的工作，仅依靠一个或几个国家
的努力是不可能实现的，迫切需要尽可能多的国家联合起来，调动各种观测手段综
合地进行。协同建立有组织、有规范的观测体系。

　　关于2000年后的气象卫星观测体系问题。在1999年国际气象卫星协调组织会议
上进行了讨论。会议认为，未来的气象卫星对地观测系统要有若干骨干卫星，配合
一些专用卫星(或小卫星)组成，由不同的国家或组织共同承担。这些卫星必须连续
、可靠、稳定地运行。目前在气象卫星对地观测领域，主要提供服务和产品的国家
或组织是美国、欧洲和日本。今后这些国家或组织仍将努力发展其骨干极轨和静止
气象卫星。我国已经成功地发射了风云一号极轨气象卫星和风云二号静止气象卫星
，是少数几个同时拥有极轨和静止两种骨干卫星的国家。但是我国的气象卫星寿命
还不够长，还没有形成稳定运行的业务体系。实践证明，我国努力发展风云一号极
轨和风云二号静止两种骨干卫星的方向是正确的、有远见的。我国只要将风云一号
和风云二号两个系列的气象卫星做成业务运行的，能连续、稳定、可靠地提供大量
产品的系统，在气象卫星这个领域，我国就能走上国际前沿，成为在全球观测系统
中承担重要责任的气象卫星大国。□

中国航天2000年第8期
http://www.space.cetin.net.cn/docs/ht97-b.htm


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