“风云”卫星发射成功！中国“风云”卫星是如何拍到地球家园的？

出品：格致论道讲坛

以下内容为风云四号气象卫星扫描成像辐射计副主任设计师、中科院上海技术物理研究所副研究员沈霞演讲实录：

大家好我是沈霞，来自中科院上海技术物理研究所，今天我特地穿了一身裙子，是想要刷新一下大家对科研女性的印象。

看到风云两个字，我想问一下在座的各位，大家会想到什么？我问过很多人这个问题，有人告诉我风起云涌，也有人跟我说风云人物，当然也有人回答的是《风云雄霸天下》。

现在我给大家展示的这个就是真正的地球风云，这是去年12月11日（发射的）风云四号气象卫星上面扫描成像辐射计拍摄的地球24小时的云图，在赤道附近大家有没有注意到有一块亮斑在移动，是什么？那是太阳在海洋上面的倒影，是不是看起来很神奇。

在我们眼里看来只是普通的一张图，但是在科学家眼里它实际上是一组庞大的数据，要想看懂那张图，我们就要先从这些光说起。

大自然其实对我们人类并没有特别的优待，我们人眼能看到的可见光只是其中的一小部分，还有很多的光是我们看不见的。那些我们看不见的光，是可以用仪器把它拍出来的。

大家比较了解的比如X光，都去医院体检过吧，拍过胸片对不对，我们来看看X光还能干嘛呢？英国的一个艺术家用它来拍了一个艺术作品。

当然还有一种光大家可能听说得比较多，但是接触得不多，那就是红外线。关于红外线我给大家展示一个小实验，有一次我去我同事的办公室，她正在摆弄一个红外热像仪。这个是她放在办公室的一个文件袋，我的同事把她的手在这个文件袋上，按了一小会儿然后把手拿走，她用她的手机和红外热像仪分别拍了两张照片。

现在我想问一下大家，有人能看见她的手印按在哪里了吗？没有。我们看这张照片，红外热像仪的这张图片上很清晰地拍出了她按了手印的位置，这是为什么呢？

因为红外线是对温度敏感的波段，她的手按在上面的时候，就对这个文件袋的局部进行了加热，让她手印的这个地方温度比周围高，所以热象仪就把它拍出来了。

既然红外线对温度敏感，那我们能不能用热像仪、红外线的这个原理对物体的温度进行测量呢？答案是肯定的。

我们看这15张图，从第2张开始就是我们风云四号辐射计拍摄的一些不同波段的图，大家可以这么来理解：每一张图就代表了一种单色光，但实际上其中的可见光只有前面的两张，后面就是近红外还有红外的图片，每一张图片上面的一个像素点都可以推导出一个具体的温度值。

我们可以想象一下拿着一个超级的温度计，在距离地球36000公里那么高的地方，对地面的水汽、树、植被还有地表进行温度测量，测量的精度能到多少呢？能精确到一度哦，是不是很厉害。

那么这些单色图我们（用）来干什么呢，可以用来做合成，比如说刚才一开始给大家展示的那个非常炫的地球动图就是由前面三个波段的图片合成的。我们如果拿第一张第二张和第四张合成会看到什么呢？

看，这是一张冰云图，大家有没有注意到蓝色的部分就是冰云，它的温度是低于零度的，而白色的就是我们普通的常温云。能够把冰云和常温云区分开来对天气预报是有很大的作用的。

我们再来看一下对孟加拉湾北部的一个雾霾监测图，在这张图中灰色的就是雾霾，白色的就是云还有雪。

我们说了这么多，那么我们风云四号气象卫星在国际上到底处在一个什么样的水平呢？我给大家介绍一下风四和它的国际上的小伙伴们。

首先要说一说的就是美国的GOES-16，它上面装载的仪器叫ABI，就相当于我们风云四号上面的辐射计。这里再给大家讲一下辐射计是什么，很多人肯定不明白这么一个很专业的词，你可以把它想象成拍地球的照相机，它和卫星的关系是什么呢，我们这个照相机就是装在卫星平台上的。

但是最终我们要评价风云四号它的水平到底怎么样呢？主要还是要看我们卫星上装载的这些仪器的性能，我们刚才说了美国的GOES-16上面装载的是ABI，欧洲的MTG上面装载的是FCI，还有我们中国风四上面装载了辐射计。

这三个系列美欧中可以说是三足鼎立，我们如果单单从辐射计的角度来看，它的性能指标比美国的ABI和欧洲的FCI要略差了那么一点，但是我们风四上面还装载了另外一台重量级的仪器，就是大气垂直探测仪。

目前大气垂直探测仪是世界上（在地球静止轨道）第一个首发的（大气垂直探测）仪器，也就是说美国人的上面没有，欧洲人怎么办呢，欧洲人比较奢侈，他们觉得辐射计和探测仪这两大载荷装在同一个卫星上会相互干扰，于是分了两个卫星装，一个卫星发辐射计另外一个卫星再发探测仪，但是我们风四上面同时装载了这两台。

我们再来看看发射时间吧，在去年的11月19日美国人的GOES-16首发，而在去年的12月11日我国的风云四号首发，为了赶上这个时间节点我们研制项目组是花了很多心思的。

说到这里还要再补充一个，就是欧洲人的MTG他们计划要到2019年才能发上去，说到这里有人要问了，你怎么不提提日本呢，日本有一个葵花9它的性能也不差呀？我为什么不提它，是因为它上面的核心仪器是美国人卖给它们的。

讲了这么多风云卫星，大家对我国的风云卫星有了解的吗？看来大家都不怎么了解，风云卫星是气象卫星，气象卫星对防灾减灾有非常重要的作用，它的投入产出比在国际上公认的是1:40，所以我国在1977年就开始发展我国的风云卫星。

下面先看一下这个轨道，不做天文学的人可能不是很理解，第一个我们看一看小圈里面这个轨道叫太阳同步轨道，这个轨道的高度在500到1000公里左右。它的特点是什么呢？它能够看南极和北极看得比较清楚；它缺点是什么呢？就是它对同一个地点的观测一天最多只能看两次。

另外一个轨道就是地球静止轨道，它的轨道高度有36000公里那么远。它的特点是什么呢？如果在这个轨道上的卫星足够大，大到我们在地面上能够看到它，就像一颗星星一样。

那么你不用去拿星图表整天在找这个星星在哪里，它会永远定在那个位置，盯着你看它在天上是不变的。那么就利用它的这个特点在这个轨道上面布置卫星，它可以对地球进行24小时的连续成像，这也是为什么我能给大家展示刚才那张地球图，就是因为它是在地球静止轨道拍摄的。

作为一个气象应用，国家是要在这两个轨道同时布置卫星的，它们是相互互补的，所以我国就在太阳同步轨道布置了风云一号，它的第二代产品是风云三号；

我们在地球静止轨道布置了风云二号，它的下一代产品就是我们目前刚刚首发的风云四号，我们风云四号的研制花了15年的时间，为什么要花这么长的时间呢？我现在就给大家分享一下风四辐射计研究的小故事。

2001年的时候我们所里的王淦泉老师带着一个光学、一个机械设计师开始预研，当时瞄准的目标是什么呢，是美国GOES-8在1994年发射的卫星，GOES-8当时做五个通道，也就是说它一次能拍五张图，而我们王老师瞄准的这个目标是要做十个通道一次拍十张图，在当时看来是蛮先进的。

2004年底的时候，他唯一的机械设计师跳槽了，这个时候我就有幸的加入了这个团队。2007年的时候，我们的原理样机研制成功了，大家都很高兴，觉得再过个一两年我们这个十通道的产品就可以发上天了，而且在当时的国际上还是能占到一个领先的水平的。

但是这个时候美国人推出了一个对我们来说爆炸性的新闻，也就是说他们开始打造他们的GOES-R系列。

GOES-R是什么，就是刚刚提到GOES-16，美国人把他们没有发射的卫星叫做R系列，就是有用字母ABCD来表示，发射完之后他们就用1234来表示，他们准备在GOES-R上面装载的最新的仪器叫ABI，ABI跟原来的GOES-8（比）前进了不是一点点，它要拍16个通道的图。

这个时候我们就面临选择了，如果我们把已经研制成功的十通道的产品发射上去，我们会在GOES-R上天之前的这一小段时间里面保持领先，但是等GOES-R一旦上天以后，我们就又会落后他们一大截，另外一个选择就是已经研制的这台产品我们推翻重来，我们去研制跟GOES-R同样技术水平的产品，经过短暂的犹豫之后项目组决定推翻重来，所以到2017年的今天我们才能看到刚才那个14个通道的美丽的图像。

说了这么多大家还是要问，做一台载荷而已，一台拍地球的照相机而已，为什么要做这么长的时间，它有那么难吗，我们手机的更新换代那么快对不对，我下面就举两个例子来跟大家讲一讲这个技术难在哪里。

我们先看看风云二号的卫星，它采用了自旋稳定式，刚刚我们说了地球静止轨道它有一个特点，就是跟我们地球是同步的，在这个轨道上我们对温度的感觉就跟人类对温度的感觉是一样的。

它有一年四季，而且它也有早晚的温差变化，失去了大气层的保护这个温度变化会更为剧烈。剧烈到什么程度呢，我们产品上面的一个测温点显示它最低温在-130度，最高温的时候150度，这么一个温度波动是在一天内交替完成的，也就是说它每天要循环一个来回。

风云二号的自旋稳定方式，因为它是旋转着看地球的，它（温度）自己就稳定掉了，这就是我们要解决的第一个问题，热的问题。美国人他们怎么解决这个问题呢，他们为仪器打造了一个空调房，利用他们高超的温控技术把这个仪器控制在近乎恒温的一个温度状况。

大家都知道照相机是很娇嫩的，焦距稍微没有调准一点那么就离焦了，拍出来照片就模糊了。而我们的物体我们的各种材料都是有热胀冷缩的，在这么大的一个温度范围之内热胀冷缩之后早就离焦，不知道离到哪里去了。

但是我们国家当时的温控技术还做不到这一点，因为我国的基础科学、基础技术还有基础工业，有些硬件生产不出来，这个时候我们只能另辟蹊径了，想什么办法呢，就是让我们的照相机能够适应更大范围的温差，我们把我们的光学系统做到能够适应30度的温差，这样子我们就降低了对温控技术的要求。

要解决这个问题我们缺少了一种材料。有一次在一次学术报告会中，我们无意中听到有一个大学的老师，他们研制出一种新型的材料，这种新型材料的各种特性正好是我要建这个能够适应大温差的光学系统需要的，所以我们就去找他了，希望能把这种材料给我们用上。

但是第一次见面之后我们就很失望，为什么呢？这个材料的性能虽然好，但是它的加工工艺还停留在加工圆盘圆筒这么一个简单的东西上面，而我们要制造的是什么呢？是结构非常复杂，精度达到0.01毫米的一个产品。

还好我们双方都没有放弃，我们帮助他们改进了各种工艺，第一个产品我们用粘接的方法，经过了七八年时间的努力，最后我们出来的产品已经是一体化成型了。

我们做技术就好像搭积木一样，这些积木就是国家基础，有些积木我们可以直接拿来用，有些积木没有我们怎么办呢？我们就创造出这个积木，这个就是我们在这个行业里面往前推进了一步的积木，那么后面的人如果想要设计的时候，利用这种材料的话，他们就不需要再摸索了，完全可以直接利用我们的加工工艺。

拍照片另外一个关键的就是要稳。我们在36000公里这么远的地方拍照片，稳定是第一位的，真正的差之毫厘谬以千里。这个稳定度到了什么程度呢，举个例子如果我相机偏了一个角分的话，地球上就偏了十公里。我们这个时候就需要针对这个我们需要（创新）一套精密的扫描控制技术（方案），这套扫描控制方案出来之后，需要一个叫高精度角度传感器（的产品）。

这么一个（达到设计要求）精密产品也是国内没有的，我们就辗转调研到常州有位老先生，他有可能掌握这种技术。

这位老先生比较传奇，他曾经是一家大型的机床生产厂家的一个研发人员，当时他申请国家课题做了这方面的研究，研制出了世界上一流水平的角度传感器，但是可惜的是有一天他发现他研制的传感器被厂里面误当成废品给卖出去了，小孩子们拿着这个东西在地上滚着玩，他就很伤心了，退休以后他就带着自己的侄子女婿，一个小型的家族企业继续他的研究。

但是大家也知道对于一个小企业来说，想要做科研无疑是天方夜谭，资金从哪里来？设备从哪里来？

正好我们在这个时候找到了他，当时陈先生已经年近70岁了，我们跟他们谈合作他欣然答应。

我们给他们提供实验设备，他就帮我们来研制这个高精度的传感器，这个过程中我们一起解决了传感器的真空适应性问题，还解决了其他的一系列问题，那么到今天他研制的这个角度传感器我已经在四台载荷上面同时上天应用了。

说到这里我想说的是什么大家应该是明白了，我们的风四辐射计真正的核心技术都是掌握在我们自己手里，我们的风云四号打的是纯正的中国牌，谢谢大家。

“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks），转载请注明公众号出处。