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探秘风云四号A星:地球高清写真“出炉”记(图)
2017-3-15 10:04:14  出处:中国青年报
 

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风云四号A星“拍摄”的第一幅地球彩色合成图像。国防科工局供图

  一张像极了蓝色弹珠的地球眺望图,前不久在微信朋友圈里刷屏。这张照片的拍摄者正是我国目前最为先进的气象卫星风云四号,这也是它“拍”下的第一幅彩色合成图像。随之被刷屏的还有我国首次获取的闪电分布图,有人惊叹,原来卫星真的能“抓到”闪电。

  鲜为人知的是,这些美图并非一蹴而就,从风云四号“流水线”前端的黑白照片,到变身眉眼清晰的彩色美图,最后为公众提供台风、洪涝、暴雨预报等服务,中间还需要很多加工处理的过程。中国青年报·中青在线记者采访了风云四号地面应用系统副总师郭强,揭秘这些地球的高清写真是如何诞生的。

  控制:5000次问候“知冷知热”

  风云四号是我国第一颗静止轨道上三轴稳定的定量遥感卫星,2016年12月11日成功发射。国防科工局总工程师、国家航天局秘书长田玉龙在风云四号首批图像发布会上表示,经初步分析,图像层次分明,云层和地表纹理丰富。

  这是结果。要搞清楚整个来龙去脉,还要从图像回传说起。首批数据的准确回传,需要地面站实现对卫星的精准控制。郭强说,由于卫星对指令的存储能力有限,地面系统需要与卫星进行实时的任务和指令交互,即风云四号的每一个观测动作都是在地面系统的精确控制下完成的。

  他告诉中国青年报·中青在线记者,地面系统每天对卫星发送的业务化指令可达5000条以上,而对风云二号每天发送的指令数量仅有100多条。目前这5000多条业务化指令都已经实现了自动发送。

  不过,自动化业务并不能完全代替人工操作。郭强说,每年春秋季前后,在45天左右的时间里,太阳每天都会被地球挡住一段时间,卫星获得能量受到影响,最长一天内将有72分钟照不到太阳,如果不进行及时调整,卫星就会严重失温,甚至将会影响到卫星安全。

  他们把这段时间称为“地影期”,这时,地面站的工作人员就要提前考虑,给卫星发送指令,利用星上自带的蓄电池为卫星预热“保温”。

  接收:快到能融雪的“碗”里来

  接下来,首批观测数据就要踏上回到地球的征途了。

  在中国气象局北京地面站,可以看到,风云四号的接收天线,如同一口口“大碗”,整齐划一地面朝西南矗立。

  郭强说,对于静止气象卫星来说,天线是需要时刻面向处于赤道上空35800公里处的卫星的。所以,通过北京与赤道相对位置的判断,这些天线要时刻面朝西南方向接收数据。实际上,虽然笼统说是西南方向,但每个天线的方向都需要精密判断。

  在北京卫星地面站,有特别设置的风云四号卫星测距天线。这些测距天线是正常的数据接收天线的“迷你”版,能从地面发射无线电信号,对卫星的距离进行测定。

  郭强说,通过将北京站、广州站、佳木斯站、乌鲁木齐站等地面站测量的距离进行整合分析得到的空间位置预报结论,其精度已经达到了在距离卫星35800公里外,误差范围只有40米左右。

  值得一提的是,数据接收天线自身有100多吨重,在它们的下面,有33根1米直径的柱子,直接打到地下25米深的岩层,这可比楼房地基深多了。这样的天线能够在6至7级大风天气里正常工作。而在下雪天里,这些天线也能够启动加热装置,为自己除雪。

  接着,通过这些专属接收天线,遨游天际的海量数据就可以回到地面,进入早已经过反复测试的流水线,开启变身之旅。

  变身:用显微镜观看一片叶子

  不过,刚从天际回归的首批卫星观测数据量超过1700GB——“太大,太多了!”

  郭强说,通过解压、拆分、提取,再经过定标、定位,这些数据才能被整合形成一张以卫星为视角拍摄的地球灰白图像。

  事实上,刚刚提取出来的这些原始数据,被称为“零级数据”,其实是对地球进行三次“拍照”拼成的一整张图像。这些“零级数据”看起来杂乱无章,常人是无法分辨出有用信息的。

  郭强说,想要“变身”为有用的数据,就必须要通过数据预处理工作,让“零级数据”进阶成为“一级数据”。

  他告诉中国青年报·中青在线记者,通过处理,“零级数据”将被整合成为一张灰白色的地球图像。这张图,就像是人站在卫星上用相机对地球拍出的一张照片。这张图像蕴藏着丰富的温度数据,那么,如何让一张图像“站起来”,表示出不同位置的不同温度,还需要科研人员把不同灰度“翻译”为不同温度,这是对卫星数据进行定量化应用中最重要的一步。

  他说,目前,风云四号在海面温度、云顶温度方面的定标误差已经非常小,可以控制在正负0.5℃之间。

  产品:哪里有闪电,台风怎么走

  最后一步,则是让这些“一级数据”走下流水线,走进公众生活,变成每天要看的天气预报以及其他服务产品。

  事实上,这次代表风云四号参加首批图像发布会的圆盘图、大气光谱图、闪电分布图以及磁暴监测图仅仅是众多产品中的冰山一角。

  郭强告诉中国青年报·中青在线记者,风云四号提供了28类定量产品,包括云和大气产品、地表类产品、天气产品、辐射产品等多种种类。他说,基于这些产品,预报员才可以准确的了解到哪里有闪电、台风的精细化路径是什么、强对流天气的初生对流发生在哪里。

  风云四号首批图像的亮相只是一个开始,海量数据正在不断从这条加工流水线上走出。中国气象局副局长、风云四号卫星工程总指挥于新文说,截至目前,风云四号已开发的定量产品种类和数量是风云二号的3倍,数据量是风云二号的160倍。(记者 邱晨辉 通讯员 牛彦元)

 
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