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每天出现在天气预报中的风云卫星,有哪些飞行轨道?

中国科普博览

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2021-09-13 19:07:55

出品:科普中国

制作:王峥

监制:中国科学院计算机网络信息中心

出门前我们习惯先看天气。但你知道面对反复无常的天气变化,我们是如何及时预报的吗?这就得说到气象卫星,比如我们熟知的“风云系列”气象卫星。

夏末秋初,9月到来,天气逐渐凉爽。恰巧,风云卫星最初发射就是在9月。

1988年9月7日,风云一号A卫星(FY-1A)发射;1990年9月3日,风云一号B卫星(FY-1B)发射。时至今日,风云卫星已经成长为一个系列。

中国的风云卫星家族有哪些成员?各自有哪些飞行轨道?为什么这样选择?

△风云卫星云图(图片来源:中央气象台)

风云卫星中的四大家族

卫星首次实现了我国气象、海洋和空间环境的综合探测应用,开创了我国航天事业的新纪元。风云卫星有诸如“一号”“二号”“三号”这样的名称,但每个名称指称的并不是单颗卫星。

例如,在风云一号A卫星(FY-1A)和风云一号B卫星(FY-1B)中,“FY”是“风云”的缩写,“1”代表“一号”,A和B是它们更进一步的代号。

风云一号是我国第一代“太阳同步轨道气象卫星”,主要用于获取全球气象云图和海洋资料。同时,它还能获取昼夜可见光、红外云图,冰雪覆盖、植被、海洋水色、海面温度等,为中长期天气预报、气象和海洋科学研究、气候预测提供了必要的基本资料,也在灾害监测、环境遥感中发挥了巨大作用。

早在1977年,就形成了风云一号气象卫星的总体初步方案,之后全面开展研制工作。1985年10月,风云一号气象卫星工程被列入“七五”期间卫星型号发展的重点项目,很快在1988年风云一号A星就发射成功。

风云一号卫星系列包总共含4颗卫星。在A卫星和B卫星发射约10年后,1999年和2002年又分别发射了C卫星和D卫星。目前,4颗卫星均已失效并退役。值得一提的是,最初发射的A卫星服役时间仅有39天,但D卫星足足做了10年的“天气预报员”。

△风云一号卫星(图片来源:国家卫星气象中心)

风云二号同样也不只是一颗卫星,而是由2颗试验卫星(FY-2A、FY-2B卫星)和系列业务卫星(FY-2C、FY-2D、FY-2E、FY-2F、FY-2G、FY-2H等)组成。

风云二号卫星系列可以获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图,进行天气图传真广播,收集气象、水文和海洋等数据收集平台的气象监测数据。这一系列是“地球同步轨道卫星”

△风云二号卫星(图片来源:国家卫星气象中心)

风云二号频繁迭代保证了星地系统一年365天、每天24小时连续运行。FY-2D之后,几乎隔2年或4年就会发射一枚新的风云二号卫星,直到2018年还有2H卫星发射,几乎横跨了咱们现在年轻人的整个青少年时期,难怪天气预报节目上老有它。

这些风云二号系列卫星的设计和功能都非常相似。前一颗卫星还在工作,后一颗就上天开始观测了。也正是这样的“备份”,才能保证这十多年来的无缝对接。

大家有时还会在天气预报上听到“风云三号”。风云三号由3颗卫星组成(FY-3A卫星、FY-3B卫星、FY-3C卫星),虽然被戏称为“奥运星”,但其实只有第一颗是在接近2008年奥运会的时间发射,后两颗发射于2010和2013年。

彼时,它的任务目标是和风云二号气象卫星一起,共同为奥运会提供气象保障服务。探测对象包括地球大气环境的三维、全球、全天候、定量、高精度资料。风云三号是继承风云一号的“极轨太阳同步轨道卫星”。

△风云三号01批星(图片来源:国家卫星气象中心)

至于最新的风云四号卫星,A星在2016年12月11日发射,后续自然也还会有B星。它们也是地球同步轨道卫星,继承的是风云二号的衣钵。

2017年2月27日,风云四号A星获取首批图像和数据。中国获取并发布了世界第一幅静止轨道地球大气高光谱图,同时也首次获取了彩色卫星云图和闪电分布图。

△风云四号A星(图片来源:国家卫星气象中心)

这些卫星的轨道非常好记:奇数的一号和三号是“极轨”的“太阳同步轨道”卫星,偶数的二号和四号是“静止”的“地球同步轨道”卫星。

“太阳同步”,要怎么同步?

风云一号和三号是“极轨”的“太阳同步轨道”卫星。所谓“极轨”,也就是轨道经过地球南北极上空,轨道平面与地球赤道面相垂直。

但实际上,通常卫星轨道不会正好经过南极点、北极点,而是略微倾斜。所以准确地说是“近极轨”,轨道平面与赤道平面的夹角接近90度。

咱们想象一个原地自转的地球仪,地球仪侧面的支架就像轨道面一样。在宇宙空间中,没有特别的力的话,这个平面会如支架一样不动如山。那么,随着地球自转,卫星轨道就会遍历整个地球所有区域上空。

△地球仪(图片来源:justglobes.uk)

但是,卫星轨道面真的不会动吗?

如果地球是个均匀球体,那倾角90度轨道的卫星正好受力均衡,轨道平面不会转动,叫做随地球“平动”。

但是,地球是个扁椭球体,扁椭球体上的各点对卫星的引力不等,而且地轴又是倾斜的。于是,卫星的轨道平面绕地轴朝着与卫星运动相反方向旋转,称为轨道平面的“进动”。所以,太阳同步轨道才要选择略微大于90°的轨道倾角。

根据计算,进动的速度大约为1°,正好使轨道平面与太阳始终保持固定的取向。也即是说,卫星的轨道平面也在进行一年360°的旋转,正好总是垂直于太阳与地球的连线,那么在地球周围转圈的卫星就不会被地球挡住,可以充分照射太阳光,也就是“太阳同步”。

因此,太阳同步轨道所同步的是,其实是地球的公转。

风云卫星选择这个轨道,对天气预报信息的获取非常有利。首先,可以最大化利用太阳能发电。其次,卫星每次飞越某地上空时,太阳都是从同一角度照射该地,通过对比拍摄的照片,可以获得更多的信息。

“地球同步静止”,在天上也能静止吗?

风云二号和四号是“静止”的“地球同步轨道”卫星。那么,它们又是怎么“静止”的呢?

其实,它们并不是在宇宙空间中停留不动,而是咱们地面的人往天上看,这颗卫星总在头顶没有飞走,就好像是静止了。

从地球上看,太阳东升西落,是因为地球一直自西向东自转。所谓“地球同步轨道”,同步的就是地球自转。卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期(23小时56分4秒),而且方向与之一致。因此,卫星总是随着地球一同旋转,与地面的位置相对保持不变。

△地球同步轨道(图片来源:wikipedia)动图

由于地球同步轨道的轨道面与赤道平面重合,即轨道倾角为0度。所以,卫星并不能停留在任意地区(比如北京)的正上方,而是始终位于赤道某地的上空。

中国的风云卫星虽然不是在中国广袤土地的正上方,但是选择了经度匹配的经度。例如,曾选择东经105度、99.5度、79度等位置,抬头仰望,我们甚至无法捕捉到它们的身影。

然而,正是这一颗颗肉眼难以见到的卫星,不仅构成了服务于中国天气预报的卫星体系,还在气候监测、灾害监测和环境遥感等方面发挥了重要作用,为社会的发展作出了巨大贡献。

特别声明:本文为人民日报新媒体平台“人民号”作者上传并发布,仅代表作者观点。人民日报提供信息发布平台。

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