“风云四号”气象卫星大气垂直探测仪

"风云四号"气象卫星大气垂直探测仪是国际上首台工作于地球静止轨道的干涉式红外高光谱大气探测仪2017年9月25日中国国防科技工业局和中国气象局联合召开新闻发布会,宣告"风云四号"气象卫星的正式交付使用。

风云四号气象卫星成像特性及其应用前景

风云四号是中国新一代静止轨道气象系列卫星,该系列卫星的设计目的是满足中国气象局2020年前后的业务应用和服务需求。风云四号系列的首发星为科研试验星,代号FY-4A,已于2016年12月14日在西昌卫星发射中心成功发射,从FY-4B开始,风云四号系列卫星将提供业务服务。成像仪是风云四号系列卫星的核心载荷之一,其成像性能比目前使用的风云二号系列卫星在时间空间分辨率、光谱通道等方面有显著提升。本文将就该仪器的工作特点、观测模式设置、光谱通道的选取和特点进行介绍,由于FY-4A卫星正在进行为期一年的在轨测试,本文还将展示在轨测试图像。

基于风云四号静止气象卫星的局地对流智能化预警模型及应用

强对流等灾害性天气给人民生活和社会经济发展造成了严重影响,准确理解强对流发生的机理及提高其预报效果仍然是具有挑战性的工作。综合利用我国自主研发的新一代地球静止轨道气象卫星风云四号高时空分辨率观测数据和中国气象局全球数值预报(China Meteorological Administration-Global Forecast System,CMA-GFS)格点化产品,研究局地对流发生前大气环境场的特征和关键影响因子的变化。分析表明:卫星观测得到的云顶冻结信息以及表征大气的不稳定性、水汽含量等数值模式变量是预测局地对流发生的重要因子。利用面积重叠法和光流法对云团进行连续追踪,采用机器学习技术建立了中国区域局地对流发生和强度分级(弱、中、强)预警模型2.0版本(Storm Warning In Pre-convective Environment Version 2.0,SWIPE-V2.0),实现了局地对流的智能化预警。独立检验结果表明:模型对6个不同分区的雨季8 mm/h以下强度降水相关的对流判识准确率在0.5~0.85,对8 mm/h以上强度降水相关的对流判识准确率在0.69~0.91之间,具有较好的提前预警效果和实际应用价值。目前,SWIPE-V2.0已投入实时应用。

我国风云四号气象卫星与日本Himawari-8/9卫星比较分析

从观测仪器种类、观测波段设置、观测时空分辨率、仪器灵敏度、仪器定标精度、数据服务能力等六个方面比较和分析了我国风云四号(FY-4)试验星与日本Himawari-8/9卫星的水平和差距。从观测仪器种类方面来看,Himawari-8/9卫星只装载了辐射成像仪(AHI),FY-4试验星除装载一台与AHI性能基本相当的扫描辐射成像仪(AGRI)外,更将首次在静止轨道上同时实现红外干涉式高光谱探测和闪电探测;观测波段设置方面,FY-4试验星搭载的AGRI与Himawari-8/9 AHI基本相当;时空分辨率方面,AHI略优于AGRI;仪器灵敏度方面,AHI和AGRI在发射波段基本一致,AHI在反射波段明显优于AGRI;仪器定标精度方面,AHI和AGRI基本相当;数据服务能力方面,FY-4试验星仍然采用传统的卫星直接广播和借助通信卫星转发两种模式,而Himawari-8/9以互联网云服务为主,可按需灵活调配服务内容和性能且运维成本较低。

新一代风云四号气象卫星任务规划研究与应用

为保障新一代风云四号静止轨道气象卫星的顺利应用,基于风云四号卫星多载荷和多任务综合管理需求,研究了星地任务管理与规划方法。根据风云四号卫星的工作模式和特点,定义了各类星地任务并实现任务参数灵活配置,建立了任务管理调度方法和星地任务规划流程。研究了风云四号卫星的仪器观测模式规划、标称网格设计、任务计划设计和测控作业规划等关键任务规划问题。建立了任务管理与规划效益的评价方法,并通过卫星长期应用数据进行分析,验证星地系统任务规划设计的合理性。系统实现了灵活可靠的任务规划、管理与调度,各项指标能够有效满足气象卫星高时效、高频次、高精度的观测应用需求。

风云气象卫星-4A陆表温度数据在四川省境内的真实性评价

陆表温度数据是地球环境监测的重要指标,是衡量地球表面与大气层之间稳定性的重要参数。基于FY-4A陆表温度产品,结合8个地面站点温度数据、MODIS陆表温度产品的66组数据,探究FY-4A陆表温度产品在四川地区的精度及其影响因素。结果显示:与地面站点温度数据的平均误差、平均绝对误差、均方根误差和相关系数分别为-6.39 K、6.81 K、9.10和0.945,其中地形平缓区优于地形起伏区。FY-4A陆表温度产品与MODIS陆表温度产品的平均误差、平均绝对误差、均方根误差和相关系数分别为-0.585 K、2.625 K、3.49和0.931,其中夜间优于日间,各季节相关性不同,且普遍存在低估现象;在空间差异上整体呈现东部优于西部的特征,成都平原精度高,在四川省西部地形起伏明显地区的精度有所下降。对17种土地利用类型验证结果表明,农田与自然植被类型的陆表温度产品精度明显优于常绿阔叶林类型。

气象卫星最小的“千里眼”是怎样炼成的?——风云四号A星多通道扫描成像辐射计红外探测器芯片研制回顾

风云四号(FY-4)是中国新一代静止轨道(GEO)定量遥感气象卫星。多通道扫描成像辐射计作为FY-4上的主要载荷之一,被赞誉为风云四号的"千里眼"。它是迄今为止中国静止轨道卫星最先进的扫描辐射计,这与多通道扫描成像辐射计的核心部件——红外探测器研制水平的大幅提升是密不可分的。与现在正在运行的风云二号(FY-2)相比,风云四号的红外探测器实现了跨越式的发展:红外通道的数量从4个增加到了8个;探测器的波长已经延伸到了13.8μm;芯片的光敏元数量更是从单元发展到多元线列;每个光敏元尺寸只有56μm×56μm,是迄今为止中国研制的气象卫星中红外探测器光敏元尺寸最小的。这使得风云四号扫描成像辐射计红外探测器的研制遇到了许多前所未有的问题和困难,比如中短波光伏(PV)探测器的光敏面限制问题、水汽光导(PC)探测器的有效视场偏窄问题和长波光导探测器的高性能、高要求问题。本文介绍了中国气象卫星中最小的"千里眼"——风云四号多通道扫描成像辐射计碲镉汞红外探测器芯片的研制过程和关键技术。

风云四号气象卫星天气应用平台及其应用

风云四号气象卫星天气应用平台(SWAP2.0)是风云四号科学试验卫星地面应用系统工程应用与示范系统的重要组成部分,其主要目标是充分利用风云四号A星高时效、高频次、多光谱的特点,为天气监测、环境监测等领域提供应用工具。该平台基于“云+端”架构,通过单机版和网络版两个版本为用户提供服务,已经在国内外得到广泛应用。

风云四号静止轨道气象卫星成像仪典型观测区域设计

风云四号气象卫星是我国新一代静止轨道气象卫星,采用三轴稳定姿态控制方式,极大地提高对地观测精度及观测频次,同时也对有效载荷观测模式的灵活设计提出了更高要求。星上装载的静止轨道辐射成像仪是我国静止轨道气象卫星携带的同类仪器中最为先进的。利用最先进的观测仪器,提高观测效率,在气象服务中发挥更大的作用是气象卫星应用的根本。深入探讨了风云四号静止轨道气象卫星成像仪的工作模式,首次针对不同的观测需求提出了灵活的成像仪观测区域设计方案,有效满足典型区域的不同观测需求,在成像仪在轨测试中发挥了重要作用,为开展业务运行奠定了坚实的基础。

风云四号静止气象卫星的云顶高度反演算法

我国新一代静止轨道气象卫星——风云四号搭载多通道扫描成像辐射计(AGRI).云顶高度产品对于监测中小尺度强对流系统、研究云的气候效应具有重要意义.风云四号云顶高度算法(FCTHA)融合红外分裂窗和CO2切片算法的优点,反演得到的云顶高度产品与多源卫星观测资料的交叉检验结果较好.与静止轨道葵花八号卫星云顶高度产品比较,细节纹理具有较高一致性,偏差为1.4~1.8 km.与MODIS/Terra和MODIS/Aqua云顶高度产品相关系数大于0.8,且长时间序列偏差为0.4~1.3 km.与近似真实云顶高度的CALIPSO云顶高度产品比较,在多层云和高云条件下误差较大;但单层水云的分季节检验相关系数均在0.8以上,春季最高(0.88),平均偏差均小于1 km,冬季最小(0.61 km).

风云3号气象卫星资料在暴雨预报中的应用

介绍了风云3号(FY-3A)气象卫星资料应用示范项目《卫星资料在暴雨监测预报中的应用》的研究成果。讨论了以FY-3A资料为主,结合风云气象卫星系列其他资料和数值预报产品等,在云团识别的基础上计算云团特征量作为预报因子建立预报方程并计算云团最大降水量的暴雨临近预报方法,以及使用FY-3A资料作为"配料法"配料之一的暴雨6 h落区预报方法。结果表明,该方法对于暴雨的临近和短时预报有一定的指导作用。

风云三号气象卫星红外分光计探测大气CO_2浓度的通道敏感性分析

依据红外分光计(InfraRed At mospheric Sounder,IRAS)光谱通道特征,发展了基于IRAS的大气辐射传输计算模式。以大气分子吸收光谱数据集(HIgh resolution TRANsmission,HITRAN)2004为初始谱线输入资料,利用该模式模拟计算IRAS在CO2吸收带的10个通道辐射率测值对CO2浓度变化的响应,并对比了其与大气温度和水汽、O3等气体浓度误差对辐射率测值的影响,探讨了利用风云三号气象卫星探测大气CO2浓度的可行性。结果表明,IRAS的通道4最适于用来监测大气CO2浓度的变化,当CO2体积混合比浓度变化在10×10-6时,对应的辐射率变化同仪器等效噪声辐射率相当,所以IRAS在理想状态下,最高可分辨的大气CO2浓度变化约为10×10-6。

风云三号气象卫星红外分光计在轨交叉定标精度监测系统

为了满足定量遥感对红外探测仪器定标精度监测的需求，采用风云三号气象卫星红外分光计（IRAS）与国际基准红外高光谱探测仪器进行交叉比对的方法，建立了FY-3C气象卫星红外分光计与高光谱仪器IASI的在轨交叉定标精度监测系统．通过对2014年一年的IRAS观测数据的定标精度监测和分析，结果显示，IRAS与IASI的相关系数均在O．98以上，通道1和18的定标偏差最大，分别为-3．7K和2．1K，通道9和16也有超过1K的偏差，其他通道的平均偏差均在1K以内．地表观测通道8、9、18、19、20由于受卫星观测时空变化频繁的影响偏差标准差较大，在1．5～3K左右，其他通道观测误差稳定性较好，均在1．5K以内．通道2、3、4，1O～13的定标偏差随目标亮温变化趋势不明显，通道14～20定标偏差随目标亮温变化趋势最强，最低和最高目标亮温对应的定标偏差之间的差别最大可达到5K．定标偏差的时间序列分析表明大部分通道的定标偏差在一年的时间内保持稳定，变化幅度不超过O．3K；通道15、19、20的定标偏差变化幅度约为1K，通道1、14、16、17、18定标偏差一年的变化范围达到2～4K．总之，在轨交叉定标精度监测系统为实时监测定标精度的变化提供了有效工具，为诊断仪器性能和改进定标方案提供了参考依据．

风云三号气象卫星地面数据接收远程故障诊断系统设计及应用

以风云三号气象卫星国内外多家地面站数据接收故障排查需求为背景,基于Java 1.6,在Eclipse 3.6平台上开发了风云三号气象卫星数据接收远程故障诊断系统,分析了总体框架、构建了故障诊断规则库、阐述了工作流程。该系统可实现对分布式地面站数据接收设备运行状态的远程集中监视、通过解析设备状态报告文件触发自动故障诊断和基于规则的故障诊断,生成故障报告并导入专家经验库,支持文本和图形两种查看方式。经过业务实践检验,该系统界面友好,能够帮助知识工程师远程精准定位故障单元,有效提高了排故效率,增强了集成运行控制中心对各地面站数据接收业务的远程监管能力,对提高风云三号气象卫星及同类卫星数据接收的质量具有一定的实际意义。

基于风云三号气象卫星微波亮温资料反演东北地区土壤湿度及其对比分析

土壤湿度在陆面过程中发挥着重要作用,是联系陆地水循环和能量循环的纽带和关键环节。遥感技术可以实时地对土壤湿度进行长期、大区域动态监测,已成为监测土壤湿度的有效手段。本文基于风云三号气象卫星(FY3B)微波亮温资料,利用基于微波能量辐射传输方程的陆面参数反演模型(LPRM)反演了中国东北地区的土壤湿度(FY3BLPRM)。把反演获得的FY3BLRPM土壤湿度与中国气象局农业气象站土壤湿度观测资料、NCEP和ERA-Interim土壤湿度再分析资料、欧洲空间局多卫星融合ECV(Essential Climate Variable)土壤湿度产品和国家卫星气象中心FY3B官方土壤湿度产品(FY3Boffical)进行了对比分析。结果表明:(1)本文反演的FY3B土壤湿度与农业气象站观测资料有较高的一致性;卫星土壤湿度整体上呈现自西向东逐渐增加的空间变化,与农业气象站观测资料较为一致;在季节变化上,两者高度相关,在大部分地区的相关系数都达到0.7以上。(2)在大兴安岭和东北三省东部等地表相对湿润的地区,FY3BLPRM土壤湿度与NCEP、ERA-Interim和FY3Boffical土壤湿度呈现较强的负相关;再分析资料和FY3Boffical土壤湿度均无法反映该地区土壤干湿状况的季节性变化,甚至与观测资料呈反位相变化特征。FY3BLPRM土壤湿度与欧洲空间局研发的多卫星融合ECV土壤湿度产品在绝大多数地区有较好的一致性。本文基于风云三号极轨气象卫星微波亮温反演的土壤湿度资料,可用于干旱监测、数值同化与天气预报、水文水资源等领域。

高级在轨系统在风云三号气象卫星中的应用

为了满足大容量、高速率、多载荷数据的传输需要,风云三号气象卫星数据传输系统采用了空间数据系统咨询委员会CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)推荐使用的高级在轨系统AOS(Advanced Orbiting System)标准,利用虚拟信道的概念,将不同速率、不同性质的载荷数据按AOS多路复用业务和位流业务两种业务处理。实际运行结果表明,采用这两种业务既可以满足卫星多种高速传输速率的要求,又可满足多载荷不同数据量、不同数据格式的传输要求。在分析CCSDS AOS协议的基础上,介绍了风云三号气象卫星所采用的数据编码格式及组帧方式。

风云三号气象卫星热控系统地面健康管理研究

热控系统是风云三号气象卫星重要的组成部分,直接影响到卫星工作状态和使用寿命。卫星入轨后,在地面对该系统进行长期状态监视、异常检测与分析对于整星及各个有效载荷的安全运行具有重大指示意义。在对风云三号气象卫星热控系统热平衡原理、功能、组成等详细分析的基础上,对其地面健康管理机制及技术进行了系统研究,设计了相应的健康管理综合应用平台。以遥测数据为输入,构建了异常场景定性模型,实现了对风云三号气象卫星热控系统在轨状态的监视和健康管理,对卫星平台及各个载荷不同场景下的状态变化引起的温度波动事件进行关联分析及可视化表达,能够为卫星在轨安全运行提供有效预警和辅助保障,并具有推广价值。

新一代极轨气象卫星风云三号A星及在轨试用情况

风云三号是实现全球、全天候、三维、定量和多光谱遥感的中国第二代极轨气象卫星系列,该系列的第一颗星风云三号A星(FY-3A)是一颗试验试用卫星,已于2008年5月27日11时成功发射并转入在轨运行和测试阶段。本文在概述中国气象卫星的基础上,介绍了FY-3A卫星的主要设计指标,同第一代极轨气象卫星相比主要观测能力的改进、FY-3A地面应用系统的设计和实现、FY-3A遥感产品的设计以及遥感产品在在轨测试期间试验试用情况。

风云三号气象卫星数据传输体制分析

风云三号气象卫星(FY-3)是我国的新一代太阳同步轨道气象卫星,其星-地数据传输体制采用了国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)推荐使用的先进在轨系统(AOS)规约和数据结构,采用R-S编码和卷积编码级联的编码方式,使用了L波段和X波段同时广播的方式。该文分析了FY-3星地数据传输体制,将FY-3的传输体制与国外同类卫星传输体制进行了比较分析,给出了FY-3的传输体制与风云一号(FY-1)的差别,在此基础上提出了我国下一代气象卫星地面站建设的基本策略。

风云三号D气象卫星全球数据获取方法及数据分发

风云三号D气象卫星搭载10个载荷:中分辨率光谱成像仪Ⅱ、微波成像仪、微波温度计Ⅱ、微波湿度计Ⅱ、红外高光谱大气探测仪、近红外高光谱温室气体监测仪、广角极光成像仪、电离层光度计、空间环境监测器和全球导航卫星掩星探测仪。这10个载荷每天连续对地球探测,并获取数据,卫星将载荷探测数据经过实时空对地广播链路向全球用户广播;同时,通过延时空对地广播链路将全球延时数据对国内的广州、乌鲁木齐、佳木斯、喀什,北极及南极站进行数据下传,这四个国内站及两个极地站收到全球数据后,在45 min内,通过地面商用通信链路将数据传送到数据处理中心,数据处理中心对收到的数据进行汇集、分包、质量判断、预处理、产品生成等处理后,通过专线或互联网将数据发送给用户;同时,各气象、海洋及其他用户还可以通过用户利用站进行数据的接收及应用。