风云一号(英文:FengYun-1 Satellite,代号:FY-1)是
中国航天科技集团有限公司八院(上海航天技术研究院)研制的中国第一代
极轨气象卫星,其主要任务是获取中国国内及中国国外大气、云、陆地、海洋资料,进行有关数据收集,用于天气预报、气候预测、自然灾害和全球环境监测等。
研制历程
历史背景
1965年,美国发射了世界上第一颗实用性军用气象卫星“布洛克”一号,向全球播送数据信息,它的出现揭开了人类准确预测天气的序幕。美国卫星数据全球播送后,中国接收美国气象卫星辐射计的数据(云图),发现它在台风预报等方面有很好的效果。
1969年初,一场雨雪冰冻灾害波及半个中国。中国虽然能接收国外气象卫星云图,但只是单纯的“黑白图像”,无法挖掘原始数据、反演各种气象要素,应用受到极大限制。
1969年1月29日,中国国务院时任总理
周恩来提出:“要赶快改变落后面貌,搞我们自己的气象卫星。”
研制进程
1970年5月,气象卫星筹备组正式成立。经过一年多的准备,中央军委1971年正式批复组建卫星气象中心站(即国家卫星气象中心)。
1970年2月,周总理亲自签发中共中央、国务院、中央军委文件,下达了研制气象卫星的任务。由此,中国气象卫星事业正式起步,开始了中国第一代极轨气象卫星风云一号(FY-1)的研制和发展工作。
1970年5月,中国气象卫星筹备组正式成立。风云一号工程总设计师是任新民。
1971年,中央军委正式批复组建卫星气象中心站(即国家卫星气象中心)。
1974年起,中国国家卫星气象中心开始组织卫星资料接收处理系统的可行性研究。
1987年12月26日,经过两年选址、8年建设,北京、广州、乌鲁木齐三地气象卫星地面站建成。风云一号气象卫星资料接收处理系统通过国家验收。
1977年,风云一号气象卫星总体初步方案论证完成,全面开展工程研制。同年11月,中国国防科委在上海召开气象卫星大总体方案论证会,确定气象卫星工程代号为“七一一”工程,对气象卫星的技术指标进行可行性论证,明确了卫星、火箭发射场等后续任务的分工和进度,并确定了中国第一颗太阳同步轨道气象卫星命名为“风云一号”,同时调整风云一号总体设计方案,在原设计3个气象观测通道基础上增加2个探测通道用于海洋水色观测,使得风云一号兼有气象和海洋观测的双重功能。
1985年10月,风云一号气象卫星工程被列入中国国家“七五”期间卫星型号发展的重点项目。
1987年12月26日,风云一号气象卫星资料接收处理系统通过国家验收。
系统组成
总体设计
风云一号卫星的主体为1.40x1.40x1.20米六面体,表面包扎有热控制用的超绝热层。卫星对地面装有天线群及其统一反射板、红外地平仪和二台扫描辐射计,其中之一为冷备份机。辐射计的辐射致冷器朝向冷空间,将红外探测元件冷却至105K工作温度。在卫星主体的左右两侧面各装有三块太阳电池阵板及其支撑板一块。为保障遥感到的图象质量,卫星采用近极地太阳同步轨道运行。卫星轨道平面由东向西逆地球自旋方向后退,它以及太阳电池阵板与太阳光线的夹角在一年内变化小于±10度,卫星经过地球上任一地区时的当地时间每天近乎相同,偏移甚慢。为此,发射的轨道需要相当精确,且发射的时间窗口要适当选择。风云一号卫星在轨道上的姿态稳定方式是对地定向的三轴稳定,使太阳 能电池帆板保持在轨道平面内。风云一号A星的外形如下图所示。
各分系统
风云一号卫星结构分系统由卫星主体的壳体、仪器安装板、承力圆柱筒和锥形筒、壳体蒙皮、与火箭连接段以及太阳电池阵结构共五个部分所组成。太阳电池阵结构包含四个部分,即基板、支撑板、压紧锁定及展开机构。在与卫星运动方向垂直的两个侧面上各装有一块支撑板和三块基板。在太阳电池阵伸展后卫星跨度为8.6米,高米0.955米。基板、支撑板以及天线群的统一反射板均用碳纤维铝蜂窝结构材料制成。
风云一号卫星电源分系统由太阳电池阵、镍镐蓄电池、调压器及电源损耗器组成。单片尺寸2x2厘米的硅太阳电池片粘贴在六块基板上。按AMO标准在25℃时单片效率大于12%。输出最大功率为830瓦。调压器输出的有效功率为300瓦。卫星的最大负载是270瓦而昼夜平均为250瓦。当轨道上日照角度较小时输出功率会超过需要,其多余部分由装在支撑板上的电源损耗器向空间散发掉。在轨道阴影区时镍福蓄电池组提供整星工作电能。
风云一号卫星采用等温化和局部温度控制的混合方案。被动温控为主,以多层镀铝涤纶薄膜组成的超绝热层包扎于主体表面。主体内表面和星内各单机与部件的表面全都喷涂上高辐射系数的黑漆或经阳极化处理为黑色。在装有太阳电池阵板的两个侧面上各装置有二只温控转盘,以自动调节散热面积。仪器安装板上装有热管,减少板上温度梯度。
风云一号卫星姿控系统具有二种功能,即卫星入轨后自动捕获对地姿态,之后保持星体始终指向星下点,以保障扫描辐射计为获取图象而所需的定位精度和平行线扫描。采用数字化自动控制方案。由姿态测定、姿态控制及执行机构三个部分所组成。含有二台园锥扫描红外地平仪以测量滚动及俯仰轴的对地姿态三台速率陀螺,它们与红外地平仪构成轨道罗盘以对偏航姿态作估值,三台正交安装的零动量反作用飞轮,保持三轴对地姿态并吸收干扰力矩三对喷咀,在捕获姿态过程中提供所需控制力矩,在卫星运行中当飞轮饱和时起去饱和作用,一台数字式控制计算机三个压缩氮气瓶以及氮气管路。指向精度为滚动与俯仰方向小于0.5度,偏航则小于1度。姿态稳定度为三轴向均0.005度/秒,飞轮动量矩为±1.2牛顿·米·秒。
风云一号卫星的遥感和环境监测分系统由两台装置组成:
1、多光谱可见光红外扫描辐射仪(MVISR),用于获取昼夜可见光、红外云图,冰雪覆盖、植被、海洋水色、海面温度等。FY-1A/B上搭载的有五个通道,FY-1C/D上搭载的通道数增加到10个。两台多光谱可见光红外扫描辐射仪,互为备份。
2、空间环境监测器(SEM),可实现对太阳X射线、高能质子、高能电子和高能重粒子流量的多能段监测,用于开展空间天气监测、预报和预警业务。
风云一号卫星图像传输分系统由实时传输图象APT和高分辨率图象传输HRPT,以及记录回放或称延时图象传输DPT三种传输部分所组成。APT和HRPT各有二台载频不同的发射机,各互为频率和可靠性备份。二台HRPT发射机各有一天线。二台发射机通过射频开关任选其一输出,与跟踪信标发射机双工共用一发射天线。延时图象传输部分含有一台VHF发射机和二台磁带记录器,其中之一作为备份。DPT发射机与另一跟踪信标发射机双工共用一发射天线。磁带记录器记录辐射计的4千米模拟图象信号、磁带记录器晃抖修正用信号以及延时遥测信号。磁带记录器由星载计算机控制按地面注入程序对选定的区域进行记录。卫星进入资料接收大站作用圈之前DPT发射机预热,之后磁带记录器快速回放,卫星离开作用圈时,DPT发射机与磁带记录器关机。该动作均系按程序控制自动完成的。
风云一号卫星测控分系统由跟踪测速、遥测和遥控三个部分组成。遥测为PCM制,有实时和延时的(即磁带记录器录放)二种。遥测信号有星上的工程遥测参数和宇宙线成分监测资料。
设计参数
卫星通道
02批卫星在01批星的基础上,改进了姿态控制系统的可靠性和扫描辐射计的性能,将5个通道增加到10个;甚高分辨率图像传输(HRPT)数传码速率相应提高一倍,由0.6654Mbps提高到1.3308Mbps;星上装置了固态存储器,实现了延时图像传输(DPT)的数字化。这一系列的改进使02批星性能得到大幅度的提高,寿命都大大超过2年的设计寿命。
风云一号气象卫星各型的数据通道不同,具体波长为:
数传方式
FY-1A/B星的数传方式为:HRPT的码速率为0.6654Mbps,工作频率为1670~1710MHz,信息格式与NOAA卫星基本相同;高分辨率图像传输(HRPT)和延时图像传输(DPT)为模拟信号。
FY-1C/D星的数传方式为:HRPT的码速率为1.3308Mbps,载波频率为1700.4MHz;DPT的码速率为1.3308Mbps,载波频率为1708.46MHz,可获取4个通道(通道1、2、4、5)、空间分辨率3.3千米的全球资料。
任务载荷
飞行任务
风云一号卫星的主要任务是通过甚高分辨率扫描仪来获取全球气象信息,并通过一定的传输手段向中国国内和中国国外的气象卫星地面站发送。在卫星仪器设计中考虑为发展中国家服务,当时世界上有30余国设置有S波段的高分辨率实时图象HRPT接收站80多个;120余国家(主要是发展中国家)设置价廉有效的VHF实时图象APT接收站1000多个。上海航天技术研究院除在风云一号星上装有HRPT发送通道外,还设置了APT发送通道。为使用户能利用原有的接收设备接收到图象,研制方将该卫星的APT和HRPT发射信号设计得足够强,发射频段、调制体制及信息格式尽量与美国的业务气象卫星Tiros-N/NOAA的相一致。
载荷设备
风云一号卫星搭载的红外与可见光扫描辐射计二台,其中一台为备份。辐射计具有下述三个功能:
1、输出900千米高度时星下点分辨率1.1千米的数字化图象信号。
2、经地面遥控可以从第①、②、⑤通道中任选二个通道,输出经线性均匀化分辨率为4千米的模拟图象信号。
3、各通道都在实验室内经过可见光或红外标定,能定量地遥感测量目标物的辐射强度。该辐射计由光学扫描光学系统、电子设备及辐射致冷器组成。电子设备包括前置放大器和信息处理器以及频标器。
风云一号卫星上装有宇宙线成分监测器一台,用于观测宇宙线和内辐射带质子、α粒子、碳、氮、氧和铁六种粒子成分,测量轨道上带电粒子总计数,通过实时及延时遥测通道发送下来。观测任务有四个太阳宇宙线成分、内辐射带粒子成分、银河宇宙线低能异常成分、测量带电粒子总数和提供轨道上地球极区及辐射带的空间环境。
运行历程
1988年6月25日,风云一号A星在上海航天技术研究院通过评审出厂,运往发射基地。
1988年9月7日4时30分19秒,风云一号A星由
长征四号火箭发射进入预定轨道。
1988年9月7日6时9分,风云一号A星的第一幅可见光云图回传。照片上图像清晰、纹理清楚、层次分明。3小时后,该卫星云图在世界面前亮相。
1988年10月16日,风云一号A星只搭载了高能粒子和重离子探测器,因遭遇强烈的太阳活动,卫星发生太阳单粒子翻转事件,导致卫星姿态失控,在轨运行工作39天。
系列型号
风云一号卫星是中国极轨气象卫星系列,分为两个批次,各两颗星。01批作为试验卫星的风云一号A星(FY-1A)发射升空后,风云一号B星(FY-1B)、02批的正样卫星风云一号C星(FY-1C)和风云一号D星(FY-1D),分期陆续发射入轨。
所获荣誉
风云一号C星因其在轨运行的稳定性和获取数据的准确性,而被
世界气象组织正式列入世界业务极轨气象卫星序列,成为中国第一颗被列入世界气象业务的卫星,并荣获2001年度中国
国家科学技术进步奖一等奖。
截至2016年,风云一号卫星共荣获中国国家各类科技进步奖30多项。
2018年12月9日,
中国航天科技集团有限公司八院抓总研制的风云系列气象卫星获第五届
中国工业大奖。
总体评价
风云一号气象卫星可探测全球昼夜的云图、地表图像、海洋水色图像、水体边界、海洋面温度、冰雪覆盖和植被生长,用以获取全球性气象信息,向全世界气象卫星地面站发送气象资料,并具有探测空中粒子成分的功能。(中国国家卫星气象中心、《中国航天》 评)
风云一号气象卫星是中国自行研制和发射的第一颗传输型极轨遥感卫星,填补了中国应用气象卫星的空白,标志着中国空间技术与气象现代化建设迈出了新的一步,并跻身世界少数几个有能力自己研制、发射和运行气象卫星国家的行列,告别了完全依赖外国气象卫星数据的历史。(中国国家卫星气象中心、科学网、中国空间技术研究院 评)