如何制作风云二号卫星云图

许健民

卫星气象专家，中国工程院院士。许健民领导的研究组实现了风云二号气象卫星图像的像元级高精度定位，为风云二号卫星观测数据的定量应用作出了贡献。

气象卫星从太空俯视地球，获得云图和大气物理状态的三度空间探测。现在的天气预报，已经离不开来自气象卫星得到的多种观测资料。

风云二号是什么卫星？

风云二号是我国自主研发的自旋稳定静止气象卫星，静止卫星在离地面36000千米的高度俯视地球。由于卫星围绕地球旋转的角速度与地球自转的角速度相同，所以从地球上观看，卫星似乎静止不动，故而它可以连续地获取地球上的云图。从卫星上看，整个地球圆盘的张角大约只有17.4°。为了保证图片的质量，静止气象卫星对地球的观测，是通过“扫描-步进”的方式完成的。在每一个瞬间，卫星抛物面反射镜汇聚从地球一个地点向上的辐射能量，获得一个像元的观测数据。扫描仪先是沿东西方向运动，获取一条扫描线。然后镜头沿南北方向步进一步，观测下一条扫描线。为了绘制一幅完整的地球圆盘图像，卫星大约需要用25分钟，步进2500步。在卫星获取一幅地球圆盘图像的25分钟里，观测目标物地球、观测工具卫星、用来配准逐条扫描线的参照物天体太阳，都在运动之中。准确的图像定位，需要在每个瞬间，对太阳、地球和卫星的位置以及卫星的姿态，都有精确的描写。

 风云二号气象卫星

如何逐条对齐扫描线？

可以利用太阳作为参照物。卫星的侧面有一条狭缝，每自旋一周，太阳光进入狭缝一次。由于卫星的位置已知，从卫星上看太阳和地球之间的夹角，是一个天文参数，可以精确算出。从而可以把扫描线精准对齐，进而准确地拼接出地球影像图。地球影像图形成以后，科学家们需要对每个观测像元点所在的地理位置进行标注。这需要知道卫星的位置和姿态。卫星的位置可以用三点测距法求出。气象卫星地面系统在北京、乌鲁木齐和墨尔本分别设有地面站。地面站按时向卫星发送和接收电磁波，根据电磁波在卫星和三个地面站之间来回的时间，可以求出卫星离三个地面站的距离，从而得到测距瞬间卫星的位置，再根据卫星的运动方程，推出卫星在任何时刻的位置。

 风云二号气象卫星在自旋的过程中，完成扫描观测

卫星姿态怎么求？

我们在长期观察中注意到，从卫星上看，地球的圆盘影像存在极其有规律的南北方向的晃动和“顺时针-逆时针”方向的摆动。这是由于卫星自旋轴的指向，与卫星轨道平面之间的垂直程度，存在微小的偏差造成的。理想的静止气象卫星，其运行轨道应该是正圆形的，并且正好在地球的赤道平面上;卫星的自旋轴则应该与地球的自转轴完全平行;卫星自旋轴的指向和自旋速率，都不应该有抖动。如果严格符合这些条件，那么卫星所观测到的图像就是理想的，不会有任何偏差和抖动。

 从卫星上观测到的地球影像行为规律的示意图

实际上，这样的条件不可能完全满足。卫星轨道和姿态的实际值与理想值之间，存在非常微小的偏差。这些微小的偏差，对图像的形成有不可忽视的影响。在实践中，卫星的自旋轴与地球南北极之间的连线不可能做到严格的平行。设在06时和18时，卫星的自旋轴和地球的自转轴共享一个平面。06时卫星仰视地球，地球圆盘位于观测图像的下部;18时卫星俯视地球，地球圆盘位于观测图像的上部;00时和12时卫星平视地球，地球圆盘位于观测图像的中部。这就造成了地球圆盘影像以一天为周期的南北晃动。

另外，在06时和18时，扫描线与星下点所在地点的纬圈是平行的。但是00时和12时，卫星的自旋轴和地球的自转轴相互之间有歪扭：扫描线自西向东扫描时，00时略向南落下，12时略向北翘起。这就造成了地球圆盘影像在图像上以一天为周期“顺时针-逆时针”摆动。原来，卫星图像上那些貌似不规则的偏差，是由于卫星的姿态还控制得不够理想造成的。既然如此，那么我们就可以用数学表达式把图像偏差与卫星姿态联系起来，根据图像中存在的偏差，求解出卫星的姿态，然后反过来修正图像，使图像更准确。

风云二号气象卫星系列已经发射了6颗，从2005年1月以来，风云二号气象卫星一直稳定运行，目前保持双星工作状态，汛期每15分钟提供一幅云图，非汛期每30分钟提供一幅云图，有重要天气情况时每6分钟提供一幅云图。风云二号气象卫星为提高中国天气预报的准确率发挥了重要的作用。