1、引言我国第一代极轨气象卫星风云一号( FY - 1) 已分别于 1988 、1990 、1999 、2002 年发射了 4 颗卫星,它解决了太阳同步轨道卫星的发射和精确入轨、长寿命的三轴稳定姿态卫星平台、高质量的可见光红外扫描辐射计、全球资料的星上存储和回放,对卫星的长期业务测控和管理、地面资料接收处理应用系统的建设和长期业务运行等一系列关键技术问题,在许多应用领域正在发挥重要的作用。风云三号(FY- 3) 气象卫星是我国的第二代极轨气象卫星,它是在 FY- 1 气象卫星技术基础上的发展和提高,在功能和技术上都向前跨进了一大步。具体要求是解决三维大气探测,大幅度提高全球资料获取能力,进一步提高
2、云区和地表特征遥感能力,从而能够获取全球、全天候、三维、定量、多光谱的大气、地表和海表特性参数。FY - 3 气象卫星的应用目的包括四个方面:(1) 为中期数值天气预报提供全球均匀分辨率的气象参数;(2) 监测大范围自然灾害和地表生态环境;(3) 研究全球变化包括气候变化规律,为气候预测提供各种气象及地球物理参数 ;(4) 为各种专业活动(航空、航海等 ) 提供全球任一地区的气象信息。FY- 3 是多颗星组成的卫星系列,它的研制和生产分为二个批次,发射后将在轨连续业务应用15 年左右。1 风云三号气象卫星的信息特征风云三号技术状态FY- 3 气象卫星 01 批的技术状态目前已大致确定 ,现介绍
3、如下。卫星轨道为太阳同步轨道,高度约为 836km ,轨道倾角为 98. 73,卫星发射窗口为降交点地方时 10 :0010 :20 或升交点时 14 :0014 :20 ,轨道能作控制调整,使交点地方时在设计寿命 2 年内漂移小于10min。卫星姿态为三轴稳定,太阳帆板为单翼结构,对日定向跟踪。星上的探测仪器有可见光红外扫描辐射计、红外分光计、微波辐射计、中分辨率成像光谱仪、微波成像仪、紫外臭氧探测器、地球辐射收支探测器、空间环境监测器,这样共有 8 种探测仪器。数据传输将采用三个波段,一个是 L 波段 , 1698 1710MHz , 码速率约 412Mbps ,进行除中分辨率成像光谱仪以
4、外的所有探测数据的实时传输(HRPT) ;另一个选 X 波段的 77507850MHz ,进行中分辨率成像光谱仪实时图像传输(MPT) ,码速率约为 18. 2Mbps ;第三个信道也选在 X 波段的 8025 8215MHz 或 8215 8400MHz ,进行星上存储延时回放数据的传输(DPT) ,码速率约为 93Mbps。三个信道的数据格式都采用国际通用的 CCSDS 推荐的 AOS 标准。星上存储回放的数据分为两类,一类为全球覆盖,每天有白天和夜晚两个时次,此类资料有除中分辨率成像光谱仪外所有探测器的资料,包括扫描辐射计 10 通道 1. 1km 分辨率的图像资料。另一类数据是地球任选
5、地区的局地资料,它包含中分辨率成像光谱仪的资料,记录容量为20min。在 FY- 3 (01 批) 卫星进入型号研制阶段的同时,FY- 3 (02 批) 卫星中准备改进和增加的遥感器也将安排进行预研究和技术攻关,主要是高光谱分辨率红外大气探测器、高性能的微波探测器、中分辨率成像光谱仪的红外通道和进行大气探测用的高精度 GPS。因此,21 世纪前 10 年将是 FY - 3 发展的关键时期。风云三号星载遥感仪器技术性能FY- 3 (01 批) 星载遥感仪器性能简述于下。(1) 可见光红外扫描辐射计:具有 10 个光谱通道,星下点分辨率 1. 1km ,扫描范围55. 4,扫描器转速 360r/
6、min ,每条扫描线采样点数 2048 ,量化等级 10bit ,定标精度为可见光和近红外通道 5 %(反射率) ,红外通道 1 K(270 K) ,具有星上定标功能。10 个通道的波段范围( 单位:m) 是: 0。58 0。68 、0。840。89 、3。553。93 、10。311。3 、11。512。5 、1。551。64 、0。430。48 、0。480。53 、0。530。658 、1。3251。395 。(2) 红外分光计具有 26 个通道,星下点分辨率 17km ,扫描范围49. 5,行扫描时间 6. 4s ,每条线扫描点数 56 ,量化等级 13bit ,可见光定标精度 5 %
7、(反射率) ,红外定标精度 1 K(270 K) 。26 个通道的中心波数(cm- 1) 包括 7 个大气温度探测通道:669 、680 、690 、703 、716 、733 、749 ;两个大气窗区通道 :802 、900 ;1 个臭氧探测通道:1030 ;3 个水汽探测通道:1345 、1365 、1533 ;4 个大气温度探测通道:2188 、2210 、2235 、2245 ;1 个 CO2 探测通道:2388 ;两个大气窗区通道 :2515 、2660 ; 6 个可见光、近红外和短波红外通道:14500 、11299 、10638 (2 个 ,不同带宽) 、8065 、6098 。
8、(3) 微波温度探测辐射计具有 4 个通道,星下点分辨率约 75km , 扫描范围48. 6, 行扫描时间 2516s ,每条线扫描点数 13 ,量化等级 13bit ,定标精度 1 K。4 个通道的中心频率( 单位: GHz ) 为:50131 、53174 、54196 、57195 。微波湿度探测辐射计 :具有 5 个通道,星下点分辨率约 15km ,扫描范围48. 95,行扫描时间 8/ 3 秒,每条线扫描点数 90 ,量化等级 14bit ,定标精度 115 K。5 个通道的中心频率( 单位: GHz) 为: 150(V) 、150 (H) 、183. 31 1 、183. 31 3
9、 、183. 31 7 。(4) 中分辨率成像光谱仪具有 20 个通道,星下点分辨率为 250m (通道 1 5) 、1000mm (其余通道) , 扫描范围55. 4, 每条扫描线采样点数为 2048 (1000m) 、8192 (250m) ,量化等级 12bit ,可见光和近红外通道定标精度 5 %(反射率) ,红外通道定标精度 1 K(270 K) ,具有星上定标功能。20 个通道的中心波长 (单位:m) 为 0。470 、0。550 、0。650 、0。865 、11。5 、0。412 、0。443 、0。490 、0。520 、0。565 、0。650 、0。685 、0。765
10、、0。865 、0。905 、0。940 、0。980 、1。030 、1。640 、2 。130 。其中通道 14 、19 、20 的光谱带宽为 50nm ,通道 618 为20nm ,通道 5 为 2m。(5) 微波成像仪具有 6 个频点,地面分辨率对每个频点不一样,715 1251 85km ,扫描方式为圆锥扫描,天线视角为天底角 4418,扫描周期 117s ,量化等级 12bit ,定标精度 12 K。7 个频点的频率(单位: GHz) 为 10。65、18。7、2318、36。5、89、150 ,每个频点皆有 V、H 两个极化通道。(6) 紫外臭氧探测器由臭氧垂直探测器和臭气总量探
11、测器两个探测器组成。臭氧垂直探测器在 250340nm 间选 12 个通道,探测大气臭氧的垂直分布,视场对着星下点,分辨率约200km。臭氧总量探测器测量臭氧总量的空间分布 ,在 300380nm 间选 6 个通道,垂直卫星轨道平面作扫描,星下点分辨率约 50km ,行扫描时间为 8s ,每条扫描线取 31 个采样点,量化等级 12bit 。以上两个臭氧探测器均具有星上定标功能。(7) 地球辐射收支探测器由太阳辐射测量器和地球辐射测量器两个探测器组成。太阳辐射测量的光谱范围为 01250m ,辐照度测量范围为 1002000W/ m2 , 测量灵敏度 012W/ m2 , 定标精度 015 %
12、 ,数据量化等级 16bit 。地球辐射测量有两组通道,光谱范围0。23。8m 和 0。250m ,分别以宽视场不扫描方式和窄视场扫描方式测量地球辐射。宽视场探测器的视场为 120, 灵敏度为 0。4W/ m2 ,窄视场探测器的视场为 22,扫描范围50,灵敏度为 0。4W/ (m2sr) ,两个探测器的定标精度为 0。8 %1。0 % 。2 风云三号气象卫星的特点和水平业务气象卫星是由极轨和静止两种轨道的卫星所组成。静止气象卫星的作用主要是获得高频次的资料,应用于监测中小尺度天气系统,进行短期和短时天气预报。极轨气象卫星的作用主要是获取全球资料,同时可获取多种高精度的定量资料和较高空间分辨率
13、的图像资料,主要应用于中长期天气预报、气候预测和环境监测,二者相互补充,缺一不可。FY- 3 充分体现了极轨气象卫星的获取全球资料和进行多种要素综合探测的特点。获取全球资料天气和气候现象自古以来就是全球一体化的,而气象学以至地球科学又是建立在观测资料基础上的,没有全球资料就很难搞清楚大气环流的发展演变规律,很难作出准确的天气预报,特别是难于作好中长期天气预报、气候预测和全球环境变化的研究。常规气象观测资料,包括地面观测和探空资料,在世界气象组织的协调下,已实现在全球范围内的交换,但是观测地域有限,在广大的海洋、极区、沙漠、高山等地区资料很少,同时观测精度也参差不齐。全球资料的获取,利用极轨气象
14、卫星是一种极为有效的手段,但资料为卫星发射国控制,或不提供,或只提供降低分辨率的部分资料,或只提供仅能作研究用的过时的资料,同时目前世界气象通信业务网也不具备传输大量气象卫星资料的能力,因此目前很难从国外卫星获取业务应用中所需的实时全球资料。气象卫星资料目前基本是无偿使用的,但商业化的趋势也不断提出来,特别是对一些高质量的新型遥感器的资料收费,将使我们的使用受到限制。综上所述,除了发射我国自己的极轨气象卫星,以获取全球实时观测资料外,目前还没有其他手段可以代替它,FY- 3 的发射使这一问题得以解决。进行获取多种要素的综合探测影响天气和气候变化的要素多种多样,大气、海洋、陆地相互作用,还要受作
15、为主要能源的太阳辐射的影响,因此气象卫星必须进行大气、海洋、陆地多种要素定量探测,多种要素的综合应用的效果远大于它们单独的应用,也就是可以得到一加一大于二的效果。要使多种要素的资料能够结合起来使用,必须使这些资料在时间上、空间上得到很好的匹配,如果这些要素在不同的平台上,不同时间进行观测,要作好匹配工作就很困难,在一颗星上进行综合探测,各种要素的观测结果在时空上自然能较好地进行匹配。要进行多种要素的综合探测,星上必然要具有多种遥感仪器下,FY - 3 (01 批) 已安排了 8 种遥感器,不但包含了美国 NOAA 卫星具有的遥感器 ,还包含了 21 世纪初期美欧在新一代气象卫星中可能包含的某些
16、遥感器,因此为综合探测的需求提供了充分的条件。关于 FY- 3 的水平,我们首先要分析美国气象卫星的发展过程并予以对比,美国是最早发射极轨气象卫星,也是技术上领先的国家,其发展过程大致可分为三个阶段。从 1960 年至1978 年左右,可看成第一阶段,其中包括 TIROS 系列 10 颗卫星, ESSA 系列 9 颗卫星, ITOS 卫星 1 颗和 NOAA 系列 5 颗卫星,还有 Nimbus 系列的试验卫星 7 颗,共约 32 颗卫星。这一阶段卫星性能作不断的改进,遥感仪器不断试验更新,在资料处理和应用方面也作了大量的研究和试验工作。总的说来处于初期技术发展、试验和试用阶段。从 1978
17、年 (以 TIROS - N 发射为标志) 至 20 世纪 90 年代末,是第二阶段,发射了 TIROS - N、NOAA - 6 至 14 ,共 10 颗卫星。这一阶段卫星性能相对稳定,同时形成了由大型计算机构成的地面资料接收处理系统,形成了第一个真正业务应用阶段,其应用工作无论在国际上还是在我国都取得了明显的成绩和效益。然而,随着工作的不断深入,新的应用领域不断开拓,也显示出其技术状态在许多地方仍不能满足应用的要求,需要改进和提高,主要有以下几点:(1) 大气探测资料 TOVS 的大气温度反演精度约为 2 2。5 ,大气湿度约为 20 %30 %(相对湿度) ,垂直分辨率 46km ,低于
18、探空资料,不能满足应用要求。同时数值预报的网格距也越来越向细网格发展,例如微波辐射计的空间分辨率 100km ,显然太粗了。所以迫切要求大气探测器在三维空间上都提高分辨率,并提高反演精度。(2) 在气候和全球环境监测中,对大气、云、地表和海表特性参数的探测提出了许多新的要求,如卷云识别、云的相态和光学厚度、不同云型的精确云量、云水含量、低层水汽、降水、风、大气痕量气体和气溶胶的含量和分布、土壤湿度、积雪、海冰、海洋水色等。这些都需要发展新型遥感仪器。(3) 在对自然灾害和生态环境的监测应用中,提出了提高光谱分辨率和增加通道的要求,特别是提高空间分辨率,将气象卫星可见光和红外成像仪器的空间分辨率
19、提高到 250500m 的水平。(4) 目前 NOAA 卫星回放的全球图像资料( GAC 资料) 的空间分辨率是星下点 4km ,希望提高到 1km。为了解决上述的问题 ,积 20 年技术发展的成果,在 2000 年前后,极轨气象卫星技术有一个大幅度的提高,进入一个新的阶段。主要的新型遥感器有新型的微波探测器、高光谱分辨率大气红外探测器、中分辨率成像光谱仪和多频成像微波辐射计等,此外还在发展激光雷达,测雨雷达等主动遥感器。美国拟议中的下一代极轨气象卫星也要将 NOAA 卫星与国防气象卫星(DMSP) 合并。我们可以看到一个特点,极轨气象卫星正向高精度和更大规模的综合探测方向发展,同时现在谈极轨
20、气象卫星,已不能只涉及 NOAA 卫星,还必须将地球观测系统 EOS 等极轨平台一起考虑,现在欧洲、日本等国家也在积极发展极轨气象卫星或空间气象遥感,欧洲将发射自己的极轨气象卫星系列 METOP。按照目前的安排, FY - 3 的发射将在 2005 年前后,并将业务应用到 2020 年。在这个时间段内,国外气象卫星已经进入第三阶段,其技术水平和效能比现在的 NOAA 卫星将大为提高,所以 FY - 3 的功能和水平要能满足我国气象现代化的总体要求,必须跨越第二和第三阶段。FY- 3 的 8 种遥感仪器中,有 5 项是与第二阶段的 NOAA 卫星大体一致的,即扫描辐射计、红外分光计、微波温度探测
21、辐射计、紫外臭氧探测器和辐射收支探测器,安排中分辨率成像光谱仪、微波成像仪和微波湿度探测辐射计的目的不但是因为有其重要的应用价值,而且可以使其具有第三阶段的新型气象卫星的构架。FY- 3 (01 批) 的技术水平虽仍没有摆脱第二阶段 NOAA 卫星的水平,但向前跨进了一大步。对于卫星平台,不但装载了多种遥感器,其具有的轨道调整、高精度的卫星位置的姿态测量、大容量的星上数据存储和高码速率的数据传输等,都是新一代气象卫星的性能。对于遥感器,探测能力也有所提高。只要我们继续大力进行新遥感器的研制,提高遥感器的水平,提高卫星的寿命和可靠性,可使 FY- 3 (02 批) 的水平能真正达到或接近当时国际
22、上的先进水平。3 风云三号星载遥感器的特点和作用FY- 3 (01 批) 气象卫星载有 8 种遥感器,各有其独特的作用,同时又能相互补充,结合起来应用,我们首先分析各遥感器的作用,并与 NOAA 卫星相应的遥感器的性能进行对比分析。可见光红外扫描辐射计这一遥感器是由 FY- 1 继承下来的,仍具有 10 个通道,但对 1 个通道的光谱范围作了调整,即将 0194m 通道调整为 1。3251。395m。无论在 FY - 3 还是在 NOAA 卫星中,扫描辐射计都是一个最重要的基本的探测器,用它的资料可生成各种云图、云参数、海面温度、植被指数、射出长波辐射、积雪、海冰、气溶胶、地面反照率等一系列产
23、品,还可进行多种自然灾害和生态环境监测。然而,NOAA 卫星的扫描辐射计 AVHRR 只有 5 个通道,对于卷云和云的相态的判识、积雪和低云的判识等都有一定的困难,而这些参数对于天气预报、气候预测和军事气象等方面又是非常重要的,FY - 1C/D 和 FY - 3 所增加的 5 个通道将主要用于这一方面问题的解决,同时可用于全球海洋水色监测。在可见光和近红外波段,积雪和低云的反射率都很高,而其热红外通道的表面亮温值也相差不大,因而很难区别。然而1。551。64m 通道对于积雪的反射率却很低,用其很容易将积雪和低云区别。增加这一通道还有利于卷云判识和土壤温度的监测。1。3251。395m 通道处
24、于水汽吸收带,在此通道水云的反射率大大降低,而冰云的反射率较高,这与 1。551。64m 通道的状况恰恰相反,因而对比此二通道反射率可进行卷云的判识, 这是在 FY- 3 中安排的一个新的通道。红外分光计和微波辐射计FY- 3 上的红外分光计和微波温度探测辐射计与 NOAA 卫星上的红外分光计 HIRS 和微波辐射计 MSU 在性能上很接近,主要用于探测大气温度和湿度廓线,还可以用以反演射出长波辐射、臭氧总含量、云量、云顶温度和高度、洋面温度、陆地表面温度、冰雪覆盖和降水率等。NOAA 卫星的 HIRS 有 20 个通道,FY- 3 的红外分光计有 26 个通道,性能大体一致,所增加的 6 个
25、通道中有 5 个通道中波长位于 0。885m、0 。94m、1。24m、和 1。64m ,可增强云相态、积雪、低层水汽、植被指数、气溶胶的探测能力,还有一通道位于 4。19m ,在CO2 吸收带,用于测量大气 CO2 含量。FY- 3 的微波温度探测辐射计有 4 个通道,性能与 NOAA 卫星中的 MSU 大体一致。FY - 3 中的微波湿度探测辐射计属于新一代的微波遥感器,性能与 NOAA - 15 中首次装载的微波湿度计(AMSU - B) 大体相当 ,技术先进,将大大增强水汽、云水含量和降水的探测能力,特别是将空间分辨率提高到 15km 左右,将能有效对台风、暴雨等强对流天气进行监测。臭
26、氧和地球辐射收支探测器FY- 3 上的臭氧和地球辐射收支探测器与美国 NOAA 卫星等上的同类仪器在性能上基本相同,只是根据我国目前的技术条件作了一些适应性修改。FY- 3 该组探测器共有 4 个,可同时探测臭氧含量的垂直分布和总量的空间分布,探测太阳辐射和宽窄两种视场的地球辐射,因而对这两个重要气象参数的探测功能是很完整的。中分辨率成像光谱仪中分辨率成像光谱仪是新的一代气象和地球环境探测卫星中的一种主要遥感器,具有非常先进的技术,它在可见光、近红外、短波红外和热红外波段设几十个通道,光谱分辨率大大提高,具有云、地表、海表和大气多种参数的综合探测能力。目前的典型仪器是美国 EOS 中装载的 M
27、ODIS ,它具有 36 个通道。在可见光至短波红外波段有 20 个通道,其中两个通道星下点分辨率具有 250m , 其中心波长与 NOAA 卫星中 AVHRR 的第 1 、2 通道相当,另有 5 个通道星下点分辨率为 500m ,因而大大提高了对自然灾害和生态环境的监测能力; 在星下点分辨率 1000m 的通道中,有 9 个海洋水色通道,具有美国专用的海洋水色卫星中海洋水色探测仪 Seawif s 同样的探测能力 ,它还有 3 个低层水汽探测通道,利用 0194m 水汽吸收带对太阳光的吸收探测大气低层水汽,此外还有 1 个中心波长在 11375m 的卷云探测通道。在热红外波段有 16 个通道
28、主要用于陆地和海表温度、云参数、大气温湿廓线、臭氧含量等的探测,具有 NOAA 卫星中扫描辐射计红外通道的探测能力,同时还具有红外分光计 HIRS 的一定的探测能力, 然而却将其空间分辨率由 17km 提高到 1km。FY- 3 (01 批) 的中分辨率成像光谱仪具有 20 个通道,其中 19 个处于可见光、近红外和短波红外波段,其通道的设置基本上与 EOS 中的 MODIS 一致,所不同的是减掉了 1。240 、1。375m 两个通道,原因是前者探测器灵敏度太低,后者因为在扫描辐射计中已具有此通道,同时增加了一个 0。94m 水汽吸收带通道。然而在热红外光谱区,MODIS 的 16 个通道所具有的性能我国目前技术水平还难于达到,因此留在 FY - 3 的 02 批卫星中再补上这一光谱区的通道,即分阶段实现。为了使 FY - 3 现在的中分辨率成像光谱仪加强对地表特性的监测能力,我们将 250m 空间分辨率的通道增加到 5 个,其中包含一个 10。512。5m 热红外窗区通道,这也是一个特色。FY- 3 中分辨率成像光谱仪与 MODIS 还有一个差别是扫描范围较大,具有55。4,和扫描辐射计一致。
