許健民

衛(wèi)星氣象專家，中國工程院院士。許健民領(lǐng)導的研究組實現(xiàn)了風云二號氣象衛(wèi)星圖像的像元級高精度定位，為風云二號衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的定量應用作出了貢獻。

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)在的天氣預報，已經(jīng)離不開來自氣象衛(wèi)星得到的多種觀測資料。

風云二號是什么衛(wèi)星？

風云二號是我國自主研發(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，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)星對地球的觀測，是通過“掃描-步進”的方式完成的。在每一個瞬間，衛(wèi)星拋物面反射鏡匯聚從地球一個地點向上的輻射能量，獲得一個像元的觀測數(shù)據(jù)。掃描儀先是沿東西方向運動，獲取一條掃描線。然后鏡頭沿南北方向步進一步，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，觀測目標物地球、觀測工具衛(wèi)星、用來配準逐條掃描線的參照物天體太陽，都在運動之中。準確的圖像定位，需要在每個瞬間，對太陽、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。

?風云二號氣象衛(wèi)星

如何逐條對齊掃描線？

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，是一個天文參數(shù)，可以精確算出。從而可以把掃描線精準對齊，進而準確地拼接出地球影像圖。地球影像圖形成以后，科學家們需要對每個觀測像元點所在的地理位置進行標注。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)星和三個地面站之間來回的時間，可以求出衛(wèi)星離三個地面站的距離，從而得到測距瞬間衛(wèi)星的位置，再根據(jù)衛(wèi)星的運動方程，推出衛(wèi)星在任何時刻的位置。

?風云二號氣象衛(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和“順時針-逆時針”方向的擺動。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，其運行軌道應該是正圓形的，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，都不應該有抖動。如果嚴格符合這些條件，那么衛(wèi)星所觀測到的圖像就是理想的，不會有任何偏差和抖動。

?從衛(wèi)星上觀測到的地球影像行為規(guī)律的示意圖

實際上，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，對圖像的形成有不可忽視的影響。在實踐中，衛(wèi)星的自旋軸與地球南北極之間的連線不可能做到嚴格的平行。設(shè)在06時和18時，衛(wèi)星的自旋軸和地球的自轉(zhuǎn)軸共享一個平面。06時衛(wèi)星仰視地球，地球圓盤位于觀測圖像的下部;18時衛(wèi)星俯視地球，地球圓盤位于觀測圖像的上部;00時和12時衛(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。

另外，在06時和18時，掃描線與星下點所在地點的緯圈是平行的。但是00時和12時，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，00時略向南落下，12時略向北翹起。這就造成了地球圓盤影像在圖像上以一天為周期“順時針-逆時針”擺動。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)學表達式把圖像偏差與衛(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，使圖像更準確。

風云二號氣象衛(wèi)星系列已經(jīng)發(fā)射了6顆，從2005年1月以來，風云二號氣象衛(wèi)星一直穩(wěn)定運行，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，有重要天氣情況時每6分鐘提供一幅云圖。風云二號氣象衛(wèi)星為提高中國天氣預報的準確率發(fā)揮了重要的作用。