出品：科普中国
制作：《知识就是力量》微平台 钱航 吕轩熠
监制：中国科学院计算机网络信息中心
昨天，相信大家的朋友圈被一条消息刷屏：用户在微信启动页将变成，由我国新一代静止轨道气象卫星“风云四号”从太空拍摄的最新气象云图。启动页背景中将特别展示风四拍摄的高清东半球云图，画面从人类起源的非洲大陆逐渐过渡为华夏文明起源地，这也是6年来拥有8.89亿月活跃用户的微信启动页面首次发生变化。
那么，风云四号卫星为什么能够拍到中国所处的地球面孔，它带着哪些高端摄影器材呢？下面我们来听听中国运载火箭技术研究院总体设计部钱航博士的解读。
微信登录图片（左为NASA公布图片，右为风云四号拍摄）
2016年12月11日零时11分，我国在西昌卫星发射中心用中国航天科技集团第一研究院抓总研制的长征三号乙遥四十二运载火箭成功发射由中国航天科技集团第八研究院抓总研制的风云四号卫星（01星）。
2017年2月27日，国防科工局和中国气象局联合发布了我国新一代静止轨道气象卫星风云四号获取的首批图像与数据：世界第一幅静止轨道地球大气高光谱图正式亮相，与此同时，我国首次获取彩色卫星云图和闪电分布图。
风云四号A星多通道扫描成像辐射计第一幅彩色合成图像（国家卫星气象中心制图）
风云四号卫星是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，成功发射后经过5次机动变轨后，2016年12月17日成功定点于东经99.5°赤道上空的地球静止轨道（GEO），并正式命名为风云四号A星。从世界地图上可以看出，定点在这个太空这个经度、纬度和高度，才能看到中国所处的地球面孔。
国家测绘地理信息局官网的世界地图
为什么要把发风四发射到这样的轨道？
如果把同步卫星发射到赤道平面内，而且卫星在轨道上转一圈的时间和地球自转的时间一样，这样卫星总是待在赤道上空的某处，从地面上看卫星在空中静止不动，也就是，无论何时你在当地抬头看，这颗卫星都在天上那个位置上。
从地球静止轨道图上看出，静止气象卫星在地球赤道上方约35800公里的高空，与地球自转同步运行，相对地球静止，可以观测地球表面三分之一的固定区域，可以对同一目标地区进行持续不断的气象观测。发射如此高的空间位置，只能用大推力火箭长征三号乙。地球静止卫星的周期要非常精确，周期大了，卫星要向西漂移，周期小了，卫星将向东漂移。
地球静止轨道图
风云四号克服了哪些技术难题？
风四卫星已实现的技术指标充分体现了“高、精、尖”特色，如扫描控制精度、姿态测量精度、微振动抑制能力、星上实时导航配准精度、星敏支架温控精度等，多项技术指标挑战了我国现有的工业基础能力。三轴稳定卫星平台（风云四号，我国第二代气象卫星）扫描成像辐射计相对于自旋稳定卫星平台（风云二号，我国第一代气象卫星）扫描成像辐射计有较多突出的优点，但也有其特有的问题，风四卫星重点攻关解决了以下技术难点：
（1）由于扫描成像辐射计采用机械扫描实现二维扫描成像，当扫描镜运动时，将会对卫星平台产生一定的扰动，将会影响图像的定位和配准，严重时将会漏扫图像。风四对卫星平台的姿态控制技术要求更高，扫描控制本身也应有实时图像运动补偿功能。
（2）由于三轴稳定卫星平台上的扫描成像辐射计凝视地球且随地球一起自转，在每天子夜时分，太阳直射进扫描成像辐射计遮光罩的时间约有6小时。
（3）三轴稳定卫星平台上的扫描成像辐射计扫描镜的东西向连续往复扫描运动对气象卫星的长寿命将构成主要障碍。采用最新的长线列焦平面技术，在帧时不变的情况下，降低东西向扫描速度不仅有利于延长卫星寿命，而且能减少扫描镜运动对卫星姿态的扰动。
风云四号气象卫星
风四究竟带了什么利器使得其表现如此出色？
因为星上搭载了由中国科学院上海技术物理研究所研制的星上两大光学载荷——多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪，以及由中国科学院国家空间科学中心研制的空间环境监测仪表现出色，发挥了重要作用。
风四的两只“超级慧眼”——多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪为纯正的“中华牌”。这两大红外光学载荷充分利用卫星姿态的三轴稳定方式，成功抢占了地球静止轨道气象卫星在国际上竞争的制高点：高频次观测和高分辨率区域机动探测能力。
空间环境监测仪包含了3台高能粒子探测器以及磁强计、辐照剂量仪、充电电位探测器和环境远置单元，共计7台单机21件产品，是目前我国在气象卫星上布局空间环境探测单机数量较多的型号。该系统的主要作用是监测空间环境状况、记录空间环境对卫星的影响、保障卫星在轨运行安全。
空间环境监测仪具备三大功能，分别是粒子探测、磁场探测和效应探测。具体来说，高能粒子探测器可以实现对电子和质子的通量及能量探测；磁强计可以实现对地球同步轨道的磁场探测；效应探测主要指对空间环境辐射剂量以及卫星表面电位和绝对电位的探测。依靠这三大功能，科研人员可以准确获取卫星轨道的空间环境信息，为空间天气监测预警业务提供重要的数据支撑。
风云四号上的载荷配置示意图
风云四号的中国高度
在微信更换风四拍摄的地球图片的那天，就是风云四号卫星正式从在轨测试状态交付用户投入使用状态。它将继续在天气预报、防灾减灾、应对气候变化、资源开发、生态环境监测和空间天气预警等领域发力，积极推动在水利、农业、林业、环境、减灾、海洋、能源和航空等行业的应用。
同时，风四为“一带一路”沿线国家提供高精度的气象卫星资料，为共同构建防灾减灾体系提供支撑，在区域各国的经济社会发展中发挥作用，体现我国对国际社会的重要贡献，进一步提升我国航天事业和气象事业的国际地位和影响力。
风云四号静止气象卫星的研制，完全瞄准国际先进水平，已经达到了中国高度。预期在不远的将来，我国的科学应用航天器和先进空间载荷技术和水平将实现更大的突破和跨越。
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