董瑤海

（上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

0 引言

我國幅員遼闊，氣象災(zāi)害頻發(fā)，臺風(fēng)、暴雨洪澇、干旱、霧霾等氣象災(zāi)害每年均給我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計，我國氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失占所有自然災(zāi)害的71%，平均每年約2 500 億～3 000 億元。在全球氣候變化背景下，極端天氣氣候事件趨多趨強，對人類的生命和財產(chǎn)安全造成極大威脅。氣象衛(wèi)星的觀測不同于傳統(tǒng)的氣象觀測，主要特點是從宇宙空間自上而下、連續(xù)不停地進(jìn)行全球或大區(qū)域范圍的觀測［1-2］。我國的風(fēng)云衛(wèi)星可對全球和區(qū)域范圍內(nèi)的極端天氣、氣候和環(huán)境事件進(jìn)行及時高效觀測，是防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對氣候變化和生態(tài)文明建設(shè)的重要手段［2-3］。有關(guān)部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失占GDP 的比例由20 世紀(jì)90 年代的3%左右逐年下降至目前的小于1%，年平均死亡人數(shù)至少減少了50%。

當(dāng)前，我國高度重視風(fēng)云氣象衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展，已成功發(fā)射兩代四型17 顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星，實現(xiàn)了長壽命、高可靠、覆全球、高精度、全定量的系列化和業(yè)務(wù)化自主發(fā)展，實現(xiàn)了從無到有、從跟跑到并跑，再到局部領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展［4-5］。習(xí)近平總書記對推廣風(fēng)云氣象衛(wèi)星國際應(yīng)用提出了明確要求和殷切期望。2018 年，習(xí)近平先后在上海合作組織青島峰會、中國-阿拉伯國家合作論壇第八屆部長級會議和中非合作論壇北京峰會提出要利用風(fēng)云氣象衛(wèi)星和氣象遙感衛(wèi)星技術(shù)為“一帶一路”沿線國家和地區(qū)提供服務(wù)。2019 年，習(xí)近平訪問吉爾吉斯斯坦期間，見證了中吉兩國風(fēng)云氣象衛(wèi)星服務(wù)合作協(xié)議的簽署，并在兩國聯(lián)合聲明中指出要“建立氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享機制”。

我國正在制訂《我國氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》，預(yù)計到2035 年，將逐步建立高低軌協(xié)同觀測、天地一體化發(fā)展、運行穩(wěn)定、布局合理、性能優(yōu)良和效益突出的第三代風(fēng)云氣象衛(wèi)星及應(yīng)用體系，地面系統(tǒng)集約智慧運行，有效支撐國內(nèi)各行業(yè)應(yīng)用；全面建成衛(wèi)星遙感綜合應(yīng)用體系，打造服務(wù)“一帶一路”建設(shè)的品牌，使風(fēng)云氣象衛(wèi)星觀測能力和應(yīng)用能力達(dá)到國際領(lǐng)先水平［4］。

1 全球氣象衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析

1.1 國外氣象衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

自1960 年世界上第一顆氣象衛(wèi)星發(fā)射成功以來，先后經(jīng)歷了從試驗到業(yè)務(wù)、從民用到軍用、從極軌衛(wèi)星到靜止衛(wèi)星、從單一儀器觀測到綜合儀器觀測、從定性到定量的發(fā)展歷程。國外氣象衛(wèi)星經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已形成多軌道、種類較為齊全的衛(wèi)星發(fā)展系列，目前已組成了全球氣象衛(wèi)星觀測網(wǎng)［2］。國外典型氣象衛(wèi)星見表1。

表1 國外典型氣象衛(wèi)星系列Tab.1 Typical meteorological satellite series abroad

隨著氣象業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對天基氣象觀測的準(zhǔn)確度、時效、分辨率、觀測種類以及全球和全天候觀測能力等提出更高的要求，各國都競相開發(fā)研制新一代氣象衛(wèi)星［5］。美國和歐盟分別發(fā)展了低軌系列氣象衛(wèi)星上、下午星，采用光學(xué)、微波綜合觀測手段，實現(xiàn)組網(wǎng)業(yè)務(wù)觀測，美國還發(fā)展了專用的科研業(yè)務(wù)星在觀測時間維度上進(jìn)行必要的補充。歐空局通過“哥白尼計劃”進(jìn)一步拓展天氣氣候綜合業(yè)務(wù)觀測，計劃約有30 顆衛(wèi)星組成龐大的觀測系統(tǒng)。日本、韓國和俄羅斯等最新一代高軌氣象衛(wèi)星已成功發(fā)射，衛(wèi)星平臺和載荷性能相比上一代大幅提升，可以高頻次獲取地球圓盤和中小區(qū)域氣象觀測數(shù)據(jù)，預(yù)計服務(wù)至2030 年前后。

國外氣象衛(wèi)星觀測體系有如下發(fā)展特點［4］：

1）衛(wèi)星系列完備。美國有完善氣象衛(wèi)星發(fā)展體制，低軌方面有民用NOAA 衛(wèi)星系列、聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)（Joint Polar Satellite System，JPSS）等；俄羅斯有Meteor-3 極軌氣象衛(wèi)星；歐空局有METOP專用氣象衛(wèi)星；靜止軌道主要以GOES、MTG 等光學(xué)衛(wèi)星系列為代表。

2）載荷性能優(yōu)越。美歐氣象衛(wèi)星有效載荷性能日益提升，極軌氣象衛(wèi)星方面以JPSS 衛(wèi)星為代表，其主要有效載荷可見紅外成像儀、跨軌紅外大氣探測器（Cross-track Infrared Sounder，CrIS）等探測載荷，探測波段包括紫外至微波，可見紅外成像儀設(shè)置了可見至長波紅外22 個通道，同時還包含微光通道；靜止氣象衛(wèi)星方面，GOES-R 衛(wèi)星裝有先進(jìn)基線成像儀（Advanced Baseline Imager，ABI）等，ABI 具有16 個通道，可見光近紅外分辨率0.5～1.0 km，紅外分辨率2.0 km，特別是可以每5 min 提供一次全圓盤圖。

3）衛(wèi)星組網(wǎng)觀測高效。NOAA 衛(wèi)星系列采取上、下午星的組網(wǎng)觀測方式，美國“國防氣象衛(wèi)星”（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）為晨昏軌道軍事氣象衛(wèi)星，軌道設(shè)計和應(yīng)用中考慮與NOAA 衛(wèi)星的探測結(jié)合和分工。歐洲METOP衛(wèi)星在載荷配置上考慮與NOAA 衛(wèi)星組網(wǎng)觀測的效能，美國NASA 積極組織多國參與進(jìn)行全球觀測，建立EOS 系統(tǒng)，并積極發(fā)展TRMM 低傾角全球降水衛(wèi)星系列和“A-train”全球氣候觀測衛(wèi)星編隊等。

4）軍民共同使用。DMSP 衛(wèi)星是專用軍事氣象衛(wèi)星，所獲得的資料主要為軍隊所用，但也向民間提供云高、陸地和水面溫度、水汽、洋面和空間環(huán)境等信息。美國國防部負(fù)責(zé)的國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)（Defense Weather Satellite System，DWSS），以及由NOAA 和NASA 共同負(fù)責(zé)的JPSS，形成了美國軍民共用氣象衛(wèi)星系統(tǒng)計劃。

5）重視空間天氣監(jiān)測。美國、歐洲等國家已建立空間環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星體系，監(jiān)測空間環(huán)境并發(fā)布監(jiān)測、預(yù)警報告?？臻g環(huán)境數(shù)據(jù)不但作為空間天氣預(yù)報、警報的輸入條件，也促進(jìn)了空間環(huán)境模型的完善，有力保障了航天器在軌安全，我國目前還尚無專門的空間天氣監(jiān)測衛(wèi)星。

1.2 我國氣象衛(wèi)星發(fā)展趨勢

我國同時發(fā)展極軌和靜止軌道兩種氣象衛(wèi)星，可實時準(zhǔn)確監(jiān)測不同時空尺度的天氣系統(tǒng)、氣候過程和全球變化，獲取完整的大氣遙感資料。經(jīng)過近50 年的發(fā)展，我國研制并發(fā)射了“兩代四型”氣象衛(wèi)星，建立了長期、穩(wěn)定、連續(xù)運行的高低軌組網(wǎng)氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化、系列化的發(fā)展目標(biāo)［2］。

風(fēng)云一號、風(fēng)云二號系列衛(wèi)星為我國第一代風(fēng)云氣象衛(wèi)星，實現(xiàn)了我國氣象衛(wèi)星的從無到有和業(yè)務(wù)化運行。風(fēng)云一號衛(wèi)星是我國自主研制的第一代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，也是我國第一顆傳輸型遙感衛(wèi)星，使我國首次實現(xiàn)了氣象、海洋和空間環(huán)境的綜合探測應(yīng)用，真正實現(xiàn)了“一星多用”，開創(chuàng)了我國氣象衛(wèi)星事業(yè)和航天事業(yè)的新紀(jì)元。風(fēng)云二號衛(wèi)星是我國第一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，突破了自旋靜止衛(wèi)星5 通道觀測技術(shù)、高精度圖像質(zhì)量的衛(wèi)星設(shè)計技術(shù)、星地一體化圖像配準(zhǔn)與定位技術(shù)、高精度定量產(chǎn)品及應(yīng)用、星地一體化的業(yè)務(wù)能力擴展等關(guān)鍵技術(shù)。風(fēng)云二號系列共發(fā)射8 顆衛(wèi)星。

風(fēng)云三號、風(fēng)云四系列衛(wèi)星為我國第二代風(fēng)云氣象衛(wèi)星，實現(xiàn)了我國氣象衛(wèi)星的性能大幅提升和定量化應(yīng)用。風(fēng)云三號已成功發(fā)射了2 批次4 顆衛(wèi)星，實現(xiàn)了從紫外、可見光、紅外到微波探測的多載荷集成，可實現(xiàn)全球、全天候、多光譜、三維、定量綜合對地觀測，探測能力達(dá)到國際先進(jìn)水平。世界氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織（Coordination Group for Meteorological Satellite，CGMS）已將風(fēng)云三號衛(wèi)星納入新一代世界極軌氣象衛(wèi)星網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃。風(fēng)云四號衛(wèi)星作為我國第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星，是目前全球所有靜止軌道氣象衛(wèi)星中綜合對地觀測能力最強的氣象衛(wèi)星；其為國際首次由一顆星實現(xiàn)“高精度二維掃描成像+紅外高光譜三維探測+超窄帶閃電探測”，率先實現(xiàn)了靜止軌道紅外高光譜大氣垂直探測，達(dá)到世界領(lǐng)先水平；首次實現(xiàn)了我國天基高幀頻高靈敏閃電探測。目前正在同步研制多顆風(fēng)云三號和風(fēng)云四號衛(wèi)星，2025 年前將建成完整的第二代風(fēng)云氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)。

隨著氣象應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對星載遙感儀器的探測時間、空間和光譜分辨率要求大幅度提高，對探測信息反演物理量的要求越來越趨于精確定量化，必須具備長期穩(wěn)定連續(xù)觀測的能力。WMO 全球綜合觀測系統(tǒng)預(yù)計，到2040 年用戶將需要：更高分辨率的觀測和更高的時間與空間采樣、覆蓋；數(shù)據(jù)質(zhì)量提升；新型數(shù)據(jù)類型，填補目前的觀測空白；高效且可交互操作的數(shù)據(jù)傳輸。從國內(nèi)外氣象衛(wèi)星發(fā)展的現(xiàn)狀和未來需求來看，氣象衛(wèi)星的發(fā)展趨勢如下：

1）多星組網(wǎng)觀測，發(fā)揮不同軌道衛(wèi)星觀測的優(yōu)勢。不同軌道探測具有其獨特的觀測優(yōu)勢，結(jié)合不同軌道氣象衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)觀測，能夠充分發(fā)揮不同軌道衛(wèi)星的作用，通過優(yōu)勢互補，實現(xiàn)對氣象、氣候的高時空分辨的高精度預(yù)報和預(yù)測。

2）衛(wèi)星平臺能力不斷增強，為高精度探測提供保障。歐美氣象衛(wèi)星平臺功能不斷增強，性能逐步提高，具有高性能的在軌自主管理、高精度的定位和姿態(tài)控制以及靈活高效的業(yè)務(wù)觀測，確保觀測數(shù)據(jù)的高質(zhì)量和長期有效性。

3）配置多種探測手段進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，發(fā)揮不同探測體制的作用。目前歐美新一代氣象衛(wèi)星均注重星載有效載荷的綜合探測技術(shù)，配置了多種探測手段，如光學(xué)探測、微波主被動探測、臨邊探測、高光譜探測等探測手段，通過對多類型傳感器協(xié)同觀測數(shù)據(jù)的融合處理，進(jìn)一步提高對整個地球5 大圈層（大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈和生物圈）的綜合探測。

2 新一代風(fēng)云衛(wèi)星發(fā)展設(shè)想

新一代風(fēng)云衛(wèi)星在觀測要素、探測精度、探測手段、長期穩(wěn)定性、協(xié)同觀測、數(shù)據(jù)高效融合和應(yīng)急快速響應(yīng)等方面實現(xiàn)跨代，最終實現(xiàn)新一代風(fēng)云衛(wèi)星協(xié)同智慧觀測體系。通過網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同運行，提高綜合觀測效益。

2.1 衛(wèi)星系統(tǒng)體系化發(fā)展

隨著氣象觀測需求的強勁增長和應(yīng)用的不斷深入，風(fēng)云氣象衛(wèi)星及應(yīng)用技術(shù)快速發(fā)展，新一代風(fēng)云衛(wèi)星由單星觀測向體系化、智能化方向發(fā)展。體系化包含兩層含義：

1）高效協(xié)同的體系化。對于短臨天氣預(yù)報而言，特別是突發(fā)天氣事件，其決策需要更高頻次的氣象觀測數(shù)據(jù)。比如：實時監(jiān)測臺風(fēng)、強對流系統(tǒng)的強度和路徑變化；對局地災(zāi)害性事件（森林火災(zāi)、火山爆發(fā)、局地暴風(fēng)雪、空氣污染、化學(xué)或放射性事故等）進(jìn)行實時監(jiān)測和發(fā)展趨勢預(yù)測。新一代風(fēng)云衛(wèi)星通過衛(wèi)星組網(wǎng)、協(xié)同觀測提供全球1 h 級和中國區(qū)域1 min 級數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)觀測和獲取時效性。通過空間布局、多星組網(wǎng)和協(xié)同觀測等方式充分發(fā)揮各類觀測手段的體系化優(yōu)勢，實現(xiàn)高時空分辨率連續(xù)觀測能力［3］。低軌風(fēng)云氣象衛(wèi)星將建成由上午軌道、下午軌道、晨昏軌道等綜合觀測衛(wèi)星和低傾角軌道專用測量衛(wèi)星組成的完備觀測系統(tǒng)；高軌風(fēng)云氣象衛(wèi)星將建成光學(xué)星和微波星組網(wǎng)、東西布局、在軌備份的總體格局，最終形成高低軌、大中小衛(wèi)星結(jié)合，支撐全要素和多圈層綜合觀測、高低軌互聯(lián)、智能協(xié)同的新一代智慧氣象衛(wèi)星觀測體系［5］。

2）觀測要素的體系化。從觀測需求的角度出發(fā)，我國氣候種類多樣，地理特征獨特，自然災(zāi)害頻發(fā)。我國自然災(zāi)害以臺風(fēng)、洪澇、地質(zhì)和風(fēng)雹等災(zāi)害為主，地震、干旱、低溫冷凍、雪災(zāi)、森林火災(zāi)和草原火災(zāi)等災(zāi)害也以不同程度發(fā)生；數(shù)值天氣預(yù)報需要衛(wèi)星能夠準(zhǔn)確完整地給出大氣的初始狀態(tài)，涉及大氣溫、濕、壓、風(fēng)、云和大氣成分等關(guān)鍵變量信息；青藏高原被譽為“世界屋脊”“地球第三極”“亞洲水塔”，是我國重要的生態(tài)安全保障、戰(zhàn)略資源儲備基地、生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，也是全球氣候變化最為敏感的地帶之一。目前我國對青藏高原多圈層綜合觀測不足，對災(zāi)害風(fēng)險預(yù)估的科技水平有待提升。

目前，風(fēng)云氣象衛(wèi)星缺乏對影響與氣象、氣候預(yù)測精度的溫室氣體、痕量氣體和三維云微物理特性參數(shù)、全球風(fēng)場以及高頻次的大氣降水測量等信息的探測能力，下一代氣象衛(wèi)星將發(fā)展激光雷達(dá)、紅外高光譜和多普勒全球測風(fēng)技術(shù)，近紅外、微波等氣壓探測技術(shù)，高頻次云雨穿透主被動微波及激光探測技術(shù)等。氣象衛(wèi)星以國內(nèi)氣象、氣候和自然災(zāi)害監(jiān)測迫切需求為牽引，開展體系組網(wǎng)、軌道布局、儀器配置等針對性研究，形成全要素觀測能力。通過光學(xué)與微波、主動與被動、天底與臨邊、偏振、多角度等觀測手段，實現(xiàn)全要素組合觀測能力，服務(wù)天氣氣候預(yù)報、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)。

2.2 定量精度和穩(wěn)定性提升

新一代氣象衛(wèi)星將瞄準(zhǔn)世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）全球綜合觀測系統(tǒng)（WMO Integrated Global Observing System，WIGOS）2040 年愿景和我國氣象衛(wèi)星后續(xù)觀測需求，在補全探測要素的同時進(jìn)一步提高定量化觀測精度，實現(xiàn)定量化更準(zhǔn)的氣象觀測。未來數(shù)值天氣預(yù)報、短臨天氣預(yù)報和微尺度天氣現(xiàn)象觀測，均需要更高的空間分辨率和光譜分辨率。到2040 年，全球數(shù)值天氣預(yù)報分辨率將達(dá)到1 km（目前為10 km），區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報分辨率將達(dá)到100 m（目前為1.5 km），垂直分辨率將達(dá)到200 m（目前為2 km），對衛(wèi)星觀測要求空間分辨率優(yōu)于100 m，垂直分辨率優(yōu)于200 m。

高精度天氣預(yù)報需要氣象衛(wèi)星測量精度優(yōu)于1%（可見通道）、0.1 K（紅外通道）、0.4 K（微波）；對于氣候預(yù)測和服務(wù)而言，由于氣候的長時間序列的緩慢變化特點，其對氣象衛(wèi)星遙感儀器探測精度和穩(wěn)定性的要求非常高，探測穩(wěn)定性要求10 年變化率優(yōu)于0.3%（可見通道）、0.1 K（紅外通道）、0.01%（太陽輻射測量）。因此，需要進(jìn)一步提高觀測精準(zhǔn)度（高精準(zhǔn)度、高信噪比）以滿足氣候和痕量及污染氣體的觀測需求。

目前我國氣象衛(wèi)星在觀測要素的全面性和精度方面，還無法滿足未來氣象業(yè)務(wù)的需求，而準(zhǔn)確及時的精細(xì)天氣預(yù)報與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防安全，以及保障人民生命財產(chǎn)安全和提高生活質(zhì)量密切相關(guān)。未來數(shù)值天氣預(yù)報水平分辨率全球尺度要達(dá)到“公里級、小時級”，區(qū)域尺度達(dá)到“百米級、分鐘級”，其關(guān)鍵突破口在于提供更高時間和空間分辨率、更高精度和穩(wěn)定性的大氣溫濕度廓線等氣象衛(wèi)星資料，需要進(jìn)一步拓展觀測要素，填補天基觀測空白，從空間三維、時間和要素等三個維度來刻畫地球大氣圈層的快速發(fā)展變化，滿足應(yīng)用需求［1-2］。

2.3 觀測手段和體制升級

氣象衛(wèi)星產(chǎn)品是對地球多圈層、多要素和多尺度的長序列、高分辨率、高精度和高質(zhì)量的多源觀測資料融合產(chǎn)品集。根據(jù)WMO 全球觀測系統(tǒng)和我國氣象衛(wèi)星后續(xù)觀測需求，氣象衛(wèi)星需填補觀測要素空白，補齊現(xiàn)有氣象觀測短板，提高衛(wèi)星和有效載荷性能，實現(xiàn)多圈層、全要素、高效能和高質(zhì)量觀測。

1）填補氣象觀測要素空白及短板。針對溫室氣體、痕量氣體和三維云微物理特性參數(shù)、全球風(fēng)場以及高頻次的大氣降水測量等信息的探測空白，氣象衛(wèi)星需配備“光學(xué)+微波、主動+被動、天底+臨邊”等多門類的新型的遙感儀器，采用新型的航天載荷探測技術(shù)，包括主動激光氣象雷達(dá)、主被動相結(jié)合的氣壓探測雷達(dá)、多頻段云雨測量雷達(dá)、氣象合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）、紫外-可見-紅外-微波全波段臨邊大氣痕量氣體廓線探測儀等新型探測手段，有效獲取地球多圈層、全要素的氣象宏觀參量和微觀特征信息，實現(xiàn)對大氣關(guān)鍵參量的高精度、準(zhǔn)實時的有效觀測。后續(xù)靜止軌道衛(wèi)星將考慮擴大觀測覆蓋范圍，提升全球觀測能力，進(jìn)一步加強中小微尺度天氣現(xiàn)象的高動態(tài)觀測，如臺風(fēng)、暴雨的秒級視頻成像觀測。通過要素的補齊和時空分辨率的提升，為天氣預(yù)報及全球氣候預(yù)測、生態(tài)和空間環(huán)境監(jiān)測、氣象災(zāi)害應(yīng)急觀測等應(yīng)用領(lǐng)域提供精細(xì)化的探測資料。

2）提升氣象衛(wèi)星綜合觀測性能。隨著氣象衛(wèi)星探測技術(shù)的不斷進(jìn)步，在提升定量化測量精度的同時，氣象衛(wèi)星用戶對航天器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化提出了迫切的需求，要求新一代氣象衛(wèi)星“好用、易用、管用”，要求衛(wèi)星提升操控性和自主健康管理能力，減少地面運行維護(hù)的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)有氣象衛(wèi)星常規(guī)固化的觀測模式和數(shù)據(jù)時效性，制約著載荷探測資料在氣象災(zāi)害應(yīng)急觀測中有效快速應(yīng)用，對區(qū)域強對流天氣高時間、空間分辨率探測及數(shù)據(jù)融合處理等能力也不足。新一代氣象衛(wèi)星通過星間互聯(lián)互通、協(xié)同觀測和多源數(shù)據(jù)融合，提升氣象衛(wèi)星體系綜合觀測效能［6-7］，實現(xiàn)星上自主任務(wù)規(guī)劃、自主健康管理、災(zāi)害信息實時處理，以及高低軌星間、星地一體化網(wǎng)絡(luò)的運行［8-9］。

3 新一代風(fēng)云衛(wèi)星技術(shù)特點

新一代風(fēng)云衛(wèi)星體系將進(jìn)一步滿足數(shù)值天氣預(yù)報、天氣氣候分析、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域高精度、高穩(wěn)定度的定量應(yīng)用需求，全面瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)和領(lǐng)先水平。

3.1 智能互聯(lián)互通體系技術(shù)

新一代氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸呈現(xiàn)大吞吐量、多星組網(wǎng)通信、應(yīng)急信息分發(fā)等特點，氣象衛(wèi)星組網(wǎng)通信已成為信息快速獲取、多星協(xié)同智慧觀測的必備鏈路，新一代風(fēng)云衛(wèi)星體系朝著體系化及智能化方向發(fā)展。

3.1.1 氣象衛(wèi)星體系網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通總體技術(shù)

圍繞數(shù)據(jù)高效傳輸、暴雨、臺風(fēng)、火災(zāi)、陸地災(zāi)害等應(yīng)用需求，一體化氣象衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸組網(wǎng)體系架構(gòu)從功能架構(gòu)、控制架構(gòu)、部署架構(gòu)三方面構(gòu)建多場景適用、多任務(wù)滿足、資源高效利用和靈活可擴展的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。高軌衛(wèi)星作為體系骨干網(wǎng)和核心網(wǎng)絡(luò)，利用其覆蓋和星上處理能力的優(yōu)勢，并控制接入層低軌衛(wèi)星實現(xiàn)高效的切換。風(fēng)云衛(wèi)星將具有高低軌異構(gòu)星座自主接入模式多、可靠運行要求高、需要快速精準(zhǔn)建鏈等特點，將實現(xiàn)星間網(wǎng)絡(luò)和星地傳輸網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通及高效融合［8-9］。

3.1.2 典型氣象遙感信息星上智能融合處理分發(fā)技術(shù)

面向未來天氣和氣候應(yīng)用、環(huán)境和自然災(zāi)害監(jiān)測、海洋環(huán)境探測需求，在保障業(yè)務(wù)應(yīng)用和應(yīng)急觀測場景下，衛(wèi)星遙感監(jiān)測產(chǎn)品的實時業(yè)務(wù)化生成及分發(fā)，發(fā)展可見光/微光、紅外、微波等載荷的星上預(yù)處理、融合處理及動態(tài)生成算法；通過實現(xiàn)星上可見與紅外、紅外與微波數(shù)據(jù)融合處理，加強氣象災(zāi)害應(yīng)急處理能力，實現(xiàn)風(fēng)云衛(wèi)星體系協(xié)同智慧觀測，提升氣象衛(wèi)星體系觀測及應(yīng)用效能，進(jìn)一步提升我國天基系統(tǒng)應(yīng)急綜合服務(wù)能力［10-12］。

3.1.3 高低軌氣象衛(wèi)星智能協(xié)同觀測及自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

面向氣象要素遙感的星上知識系統(tǒng)構(gòu)建、氣象遙感任務(wù)星上自主決策、在軌啟發(fā)式智能任務(wù)推理和基于網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同的星上自主任務(wù)規(guī)劃等內(nèi)容［13］，綜合利用載荷信息、資源信息、引導(dǎo)信息，實現(xiàn)對氣象常規(guī)、突發(fā)、自主生成等任務(wù)目標(biāo)的最優(yōu)化處理、資源管控和動作序列生成，從而大幅度提升星上智能化任務(wù)執(zhí)行能力，實現(xiàn)自主智能的氣象災(zāi)害快速響應(yīng)智慧觀測體系［14-17］。

3.2 空間高精度基準(zhǔn)傳遞技術(shù)

受傳統(tǒng)遙感載荷定標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計及地面輻射校正技術(shù)理論極限的制約［18］，目前氣象衛(wèi)星輻射定標(biāo)停留在太陽反射譜段2%、紅外譜段0.2 K 的不確定性水平，其精度難以繼續(xù)提高。進(jìn)入21 世紀(jì)后，氣候變化問題成為全球關(guān)注熱點，對氣象衛(wèi)星輻射測量精度提出了前所未有的要求。氣候變化研究需要甄別每百年不到1 K（每10 年0.1 K）的溫度變化，現(xiàn)有的輻射定標(biāo)技術(shù)無法滿足這一需要。ASIC（Achieving Satellite Instrument Calibration for Climate Change）報告提出，為準(zhǔn)確預(yù)測氣候變化，遙感衛(wèi)星觀測必須長期保持在太陽反射譜段0.3%、紅外譜段0.1 K、太陽總輻射0.01%的不確定性水平。

為提升全球氣象等遙感衛(wèi)星輻射測量精度水平和滿足全球氣候變化研究需求，美歐和中國科學(xué)家?guī)缀跬瑫r提出了空間輻射測量基準(zhǔn)傳遞的概念?？臻g輻射測量基準(zhǔn)衛(wèi)星是具有極高輻射測量精度的定標(biāo)衛(wèi)星，與其他遙感衛(wèi)星對地球同一目標(biāo)的同時空觀測，去“標(biāo)定”其他衛(wèi)星，從而將輻射測量基準(zhǔn)“傳遞”到別的衛(wèi)星之上。既可以訂正其他遙感儀器不確定度，解決不同遙感儀器相互一致性問題，為空間地球觀測系統(tǒng)提供高精度可溯源的統(tǒng)一基準(zhǔn)，又可以實現(xiàn)長期穩(wěn)定的超高精度輻射測量，滿足全球氣候變化監(jiān)測需求。

我國高度重視空間輻射測量基準(zhǔn)問題，連續(xù)通過國家重點研發(fā)計劃等渠道支持空間輻射測量基準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展，部署了“空間輻射基準(zhǔn)源研制”和“空間輻射基準(zhǔn)載荷研制”等前瞻性預(yù)研項目，為空間輻射測量基準(zhǔn)系統(tǒng)研制奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)［19］?？臻g輻射測量基準(zhǔn)衛(wèi)星定標(biāo)精度要比現(xiàn)有遙感衛(wèi)星高一個數(shù)量級，必須完成原理突破和技術(shù)革新。近幾年，國內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢單位在空間輻射基準(zhǔn)方面均取得了一定的理論突破和技術(shù)攻關(guān)成果，都為空間輻射基準(zhǔn)載荷研制和基準(zhǔn)傳遞技術(shù)奠定了基礎(chǔ)［20-21］。

瞄準(zhǔn)支撐實現(xiàn)國際首次空間輻射測量基準(zhǔn)溯源的目標(biāo)，面向新體制的空間輻射測量基準(zhǔn)載荷和復(fù)雜的輻射基準(zhǔn)傳遞模式，必須采用全新的設(shè)計思想和實現(xiàn)方法，開展精細(xì)化、定量化、智能化遙感平臺技術(shù)研究，突破全球高低軌衛(wèi)星遙感儀器高精度基準(zhǔn)傳遞系統(tǒng)指標(biāo)體系，構(gòu)建面向長時間序列氣候觀測的大尺度平臺與載荷一體化高精高穩(wěn)控制、面向多星交叉定標(biāo)場景實時智能自尋優(yōu)和調(diào)度管理等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提高衛(wèi)星平臺長壽命、高可靠、敏捷性、穩(wěn)定性等方面能力，提升全球氣象、遙感衛(wèi)星整體定標(biāo)精度。根據(jù)我國相關(guān)規(guī)劃，中國將成為第一個建立空間輻射測量基準(zhǔn)的國家，率先實現(xiàn)直接向國際單位（SI）溯源。

3.3 高性能新體制載荷技術(shù)

根據(jù)WMO 地球觀測系統(tǒng)2040 遠(yuǎn)景目標(biāo)和我國氣象觀測需求，新一代氣象衛(wèi)星在現(xiàn)有載荷基礎(chǔ)上，發(fā)展氣象觀測必需的核心高精尖氣象觀測載荷，開展換代載荷功能、性能提升方面的技術(shù)攻關(guān)，帶動我國載荷核心技術(shù)發(fā)展，同時，對新型載荷開展技術(shù)攻關(guān)，填補應(yīng)用空白。

3.3.1 換代載荷關(guān)鍵技術(shù)

瞄準(zhǔn)用戶定量化精度、時空分辨率和光譜分辨率等需求，開展氣象衛(wèi)星的多通道成像、高光譜探測、微波成像和極軌主動降雨測量等有效載荷功能、性能換代關(guān)鍵技術(shù)研究，包括多功能可見紅外多光譜成像技術(shù)、紅外甚高光譜大氣探測技術(shù)、一體化高光譜大氣溫濕度探測技術(shù)、高精度一體化高性能微波成像技術(shù)、紫外-可見-紅外高光譜探測技術(shù)和寬幅高光譜溫室氣體監(jiān)測技術(shù)等研究；突破核心關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵器件技術(shù)，如大面陣/長線列探測器、光柵、高精度定標(biāo)黑體、高精度測角機構(gòu)等核心元器件和傳感器技術(shù)、大功率散熱和芯片級散熱技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，引領(lǐng)天基氣象觀測核心技術(shù)發(fā)展。多通道成像載荷實現(xiàn)亞百米級空間分辨率，可見光1%、紅外0.1 K、微波0.4 K 定標(biāo)精度，高光譜探測實現(xiàn)1～5 km 分辨率、0.25 cm?1大氣溫濕度和痕量氣體探測。

3.3.2 新體制載荷關(guān)鍵技術(shù)

針對地球系統(tǒng)觀測中了解較少的大氣信息空白，如大氣成分、數(shù)值模式中的云、氣溶膠、輻射收支、風(fēng)、太陽風(fēng)、溫室氣體、臨近空間溫度場和風(fēng)場等，需開展新型載荷關(guān)鍵技術(shù)研究，包括太赫茲冰云成像技術(shù)、三頻降水多普勒雷達(dá)技術(shù)、激光雷達(dá)測云、測風(fēng)技術(shù)、氣象SAR 技術(shù)、主動微波海表氣壓雷達(dá)技術(shù)、空間輻射基準(zhǔn)測量載荷技術(shù)、高軌太赫茲冰云探測和低軌大視場閃電觀測技術(shù)等，突破長壽命高穩(wěn)定干涉式激光器光源及收發(fā)系統(tǒng)、太赫茲雷達(dá)天線及發(fā)射源技術(shù)、高精度高穩(wěn)定輻射源技術(shù)和核心器件低功耗小型化技術(shù)等。解決新型載荷面臨的工程化難題，填補高功耗三維降水結(jié)構(gòu)探測、高精度三維云結(jié)構(gòu)探測、高靈敏度冰云微物理參數(shù)探測和主被動聯(lián)合高精度海面氣壓探測等觀測手段和觀測要素的空白。

3.4 高品質(zhì)遙感平臺技術(shù)

為滿足高性能載荷提供高品質(zhì)運行環(huán)境，對衛(wèi)星平臺性能提出了更高需求，主要體現(xiàn)在平臺靜穩(wěn)能力［22］、變形測量與控制、圖像導(dǎo)航配準(zhǔn)技術(shù)的提升。

3.4.1 平臺靜穩(wěn)能力

平臺姿態(tài)穩(wěn)定度是影響載荷成像質(zhì)量的核心指標(biāo)。與常規(guī)遙感衛(wèi)星相比，氣象衛(wèi)星配置大型撓性帆板和多臺大慣量旋轉(zhuǎn)載荷，具有低頻撓性密集、干擾力矩復(fù)雜多變等動力學(xué)特性，高精高穩(wěn)控制難度大。需要解決帆板撓性振動的被動抑制、復(fù)雜干擾力矩高精度實時辨識與補償控制等難題，為遙感載荷提供靜穩(wěn)的工作環(huán)境［23-25］。

3.4.2 變形測量與控制

由于氣象遙感要素多、精度高，需要衛(wèi)星采用多種有效載荷對同一目標(biāo)進(jìn)行多手段觀測。而在軌冷熱交變環(huán)境下，安裝面熱變形引起的指向偏差將導(dǎo)致載荷指向偏離預(yù)定目標(biāo)。為解決多載荷精準(zhǔn)指向問題，需要通過高導(dǎo)熱和低膨脹材料的低變形結(jié)構(gòu)設(shè)計、高精度激光光電探測器件（Position Sensitive Device，PSD）測量實現(xiàn)超低變形結(jié)構(gòu)及在軌測量［26-27］。

3.4.3 圖像導(dǎo)航配準(zhǔn)

在數(shù)值天氣預(yù)報中，需要使用衛(wèi)星圖像對云、地物進(jìn)行精確的定位和追蹤，傳統(tǒng)的地面配準(zhǔn)手段因重采樣造成的輻射精度或分辨率損失，影響定量應(yīng)用效果。

針對新一代氣象衛(wèi)星亞角秒級圖像定位精度的需求，需要通過相對統(tǒng)一基準(zhǔn)的高精度姿態(tài)確定、姿態(tài)軌道偏差在軌實時補償（如圖1 所示）、成像系統(tǒng)在軌熱變形等效建模等手段，提升遙感圖像定位配準(zhǔn)精度達(dá)到亞角秒級圖像定位，為遙感數(shù)據(jù)的定量化處理和應(yīng)用提供保障［13］。

圖1 星上實時補償開啟前后圖像定位精度對比（500 m 分辨率）Fig.1 Comparison of positioning accuracy of images before and after opening real-time compensation（500 m resolution）

4 發(fā)展舉措與建議

4.1 衛(wèi)星研制與遙感應(yīng)用雙向融合，全面提升氣象衛(wèi)星綜合應(yīng)用能力

衛(wèi)星研制、運行維護(hù)、數(shù)據(jù)分發(fā)與遙感應(yīng)用是氣象衛(wèi)星應(yīng)用的完整鏈路。為挖掘應(yīng)用效能，應(yīng)促進(jìn)應(yīng)用鏈路中的各項工作，特別是衛(wèi)星研制與遙感應(yīng)用的雙向融合，努力實現(xiàn)星上人工智能數(shù)據(jù)處理、多星多站觀測自主任務(wù)規(guī)劃、星地人機智能交互及地面系統(tǒng)自主運維；以氣象大數(shù)據(jù)云平臺為基礎(chǔ)，建設(shè)“云+端”全球氣象應(yīng)用快速響應(yīng)平臺；在現(xiàn)有業(yè)務(wù)服務(wù)的基礎(chǔ)上，全面提升氣象衛(wèi)星觀測的數(shù)值預(yù)報、氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、空間天氣、軍民融合和全球監(jiān)測等綜合應(yīng)用能力。

4.2 加強研發(fā)與創(chuàng)新力度，打造全面領(lǐng)先的氣象衛(wèi)星觀測體系

我國氣象衛(wèi)星事業(yè)經(jīng)過兩代50 年的發(fā)展，與歐美、日本的氣象衛(wèi)星水平基本相當(dāng)，成為全球?qū)Φ赜^測網(wǎng)的主力軍，是世界氣象組織空間計劃的主要參與者和貢獻(xiàn)者之一。按照我國對氣象衛(wèi)星高質(zhì)量發(fā)展的要求，氣象衛(wèi)星研制需加強研發(fā)和創(chuàng)新力度，圍繞不斷提高觀測的時空分辨率、光譜分辨率和輻射精度等目標(biāo)，有步驟、分階段提升氣象衛(wèi)星觀測能力和水平，逐步達(dá)到和超越國際同類氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)技術(shù)性能，構(gòu)建全面領(lǐng)先的氣象衛(wèi)星觀測體系。

4.3 立足我國發(fā)展重要戰(zhàn)略機遇期，推動氣象衛(wèi)星事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

氣象工作是國家的基礎(chǔ)性、公益性事業(yè)，氣象衛(wèi)星投入產(chǎn)出比達(dá)到1∶30。構(gòu)建新一代氣象衛(wèi)星觀測體系是復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，建設(shè)周期長、技術(shù)難度大、涉及單位多，需要持續(xù)投入一定規(guī)模的人力、物力、財力。面向新時代的國家戰(zhàn)略需求，在國家的統(tǒng)籌規(guī)劃下，穩(wěn)步發(fā)展業(yè)務(wù)穩(wěn)定、布局合理、技術(shù)領(lǐng)先、效益突出的氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，推動氣象衛(wèi)星事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié)束語

經(jīng)過50 年堅持不懈的努力奮斗和自主創(chuàng)新，成功研制并發(fā)射了兩代四型共17 顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星，突破了一批定量遙感核心技術(shù)，推動了相關(guān)基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，牽引了高精度遙感衛(wèi)星研制基礎(chǔ)保障能力的提升，攻克了一批遙感應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了我國氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)化運行和定量化應(yīng)用，氣象衛(wèi)星資源已成為國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源。

2025 年前，我國還將研制發(fā)射7 顆第二代風(fēng)云氣象衛(wèi)星，實現(xiàn)全球首次晨昏軌道氣象綜合探測和靜止軌道微波大氣探測，建成由4 顆低軌和3 顆高軌組成的全球最完備的氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)。

面向新時代、新需求，風(fēng)云衛(wèi)星將堅持創(chuàng)新驅(qū)動、自主發(fā)展的原則，推動氣象事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)體系智能化、天地一體化發(fā)展，構(gòu)建高低軌氣象衛(wèi)星智能觀測體系。2035 年前，我國將建設(shè)第三代風(fēng)云氣象衛(wèi)星系統(tǒng)（如圖2 所示），低軌包含3 顆極軌衛(wèi)星（上午、下午和晨昏）、3 顆低傾角軌道衛(wèi)星和空間輻射基準(zhǔn)衛(wèi)星，高軌包含多顆光學(xué)星和微波星，全面實現(xiàn)風(fēng)云氣象衛(wèi)星觀測能力和應(yīng)用水平國際領(lǐng)先，提升氣象現(xiàn)代化水平，服務(wù)生命安全、生產(chǎn)發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好和保障國家安全。

圖2 2035 年風(fēng)云氣象衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展設(shè)想Fig.2 Consideration of Fengyun meteorological satellite system in 2035