世界一流技术上海研制 风云四号采用两项防抖神技给地球拍美照

怎样才能拍出美美的照片？首先相机要好，高清单反最佳。不过，拍照可是门技术活。在36000公里遥远太空中的风云四号卫星对地球拍照也一样。而且它悬浮在空中，没有“三脚架”，还要在运转中拍出地球的高清美照，这绝对不是件容易的事。

所以，风云四号卫星在使用“超静音”新平台和国际先进的新载荷同时，更有两项防抖神技加身：图像定位配准和微振动抑制，而这两项世界一流技术都是上海研制。

一、图像定位与配准技术：世界上第二个掌握该项技术的国家

日常拍照，手中的镜头一个微小的偏差不易被察觉。但在三万六千公里以外的高空，卫星载荷“镜头”稍微一丁点肉眼不能察觉的偏差，所观测到地面上的观测点可能就相差几十上百公里。比如，如果图像定位做不好，预报在上海浦东机场的降雨实际却下到上海虹桥机场了。也就是说，如果图像定位与配准做不好，就无法精确捕捉台风、沙尘暴等动态天气变化的信息。

由于是一颗高精度定量遥感卫星，不能像我们平时用普通大面阵CCD相机拍照，它只能用响应高度一致的小规模探测进行“拍照”。所以，悬浮在太空中的风云四号卫星在36000公里对地拍照，不是一次‘啪’拍出来的，而是载荷扫描机构带着反射镜把一个拍照的小视场像一个小刷子一样移动，用15分钟把整个地球一点点“刷”完，最后形成图片。“刷”的过程中，由于15分钟内卫星姿态、轨道和热变形的影响，“刷子”的路径可能会变歪，如果没有一定的修正技术，拍出来的图片就会不准确。在风云四号卫星上这项修正的技术就是图像定位与配准技术。

传统方法是在地面进行图像处理，有一套复杂的图像重采样处理方法和流程。如风云二号卫星就采用了地面处理的方法，但那样做会不但会增加地面的处理难度、降低效率，更主要的是可能带来图形信息的损失，降低探测数据的精度，专业属于叫“地面重采样会降低辐射精度”。而风云四号卫星可以在星上直接完成这个校正。

“卫星图像定位与配准技术就是给载荷对地扫描的过程进行导航，就好比我们日常开车用GPS导航，只不过一个是给车辆导航，另一个是给载荷‘视线’导航。”中国航天科技集团公司上海航天技术研究院风云四号图像定位与配准主任设计师吕旺用GPS导航形象类比图像导航配准的工作原理。一旦扫描路径偏离预期，系统自动发现并校正，有效控制图像的位置偏差和抖动。通过风云四号卫星研制，我国成为世界上继美国之后第二个掌握静止气象卫星图像定位与配准技术的国家。

风云四号卫星从预研就开始图像定位与配准技术攻关。这是一项涉及多个学科的综合技术，研发过程中将有效载荷、卫星平台和地面应用三个环节有机联系在一起。为了攻克这个难题，上海航天技术研究院先后调用了近10个博士持续研究。到2010年，这支队伍才彻底把图像定位与配准的问题整明白，确定了星上实时补偿的工程方案，把精度定在了1个像素。

为了验证该项技术，上海航天技术研究院还组织精兵强将自主研制了我国第一个能够承载5吨的三轴气浮台全物理仿真试验系统。2015年8月，风云四号卫星完成了整星级图像定位与配准试验验证，在地面最大程度实现了对卫星在轨状态的模拟验证。补偿后卫星定位误差在几十个微弧，载荷对地成像定位误差从百公里级缩小到了公里级。

二、微振动测量与抑制：给“娇贵”载荷坐上超级“软沙发”

风云四号卫星的四个高分辨率载荷中有一个能给大气做“CT”的干涉式大气垂直探测仪。干涉式大气垂直探测仪“娇贵”到什么程度？就如同豌豆公主隔着20层床垫和20床鸭绒被都能被一粒豌豆硌疼。几乎是在卫星边上吹一口气形成的振动，就会诱发干涉仪动镜倾斜，导致分析光谱产生“鬼线”或者无法预知的谱线，这样扫描出的大气垂直结构CT图可能就会“鬼影重重”，好比拍照中手抖出来的照片就模糊不清。从上海航天技术研究院风云四号结构系统副主任设计师申军烽博士的介绍可见这个仪器对安静环境的苛刻要求。

“在风云四号卫星预研阶段的一次载荷试验中，因为试验现场有人说话，致使图像质量大受影响。”申军烽回忆。

现在要把这“娇贵”的仪器搬到天上去，而卫星在轨运行过程中，每分钟几千转的飞轮、载荷探测机制用的“压缩机”、扫描镜等活动部件都会产生振动干扰，微振动干扰问题十分突出。

2010年，随着风云四号卫星立项，微振动对敏感载荷性能影响逐渐成为了卫星重要风险项目之一。

虽然现有对振动的研究与应用并不少见，但卫星上的振动本来就已经处于一个非常小的量级，普通振动的理论和隔振的材料并不适用。彼时，国内并不提微振动。最初，风云四号团队也想过，要是微振动抑制技术攻克不了，就牺牲有效观测时间，让扫描辐射计和干涉式垂直探测仪分时工作，减小相互干扰。

不过，遇到困难就退缩从来就不是风云四号卫星团队的作风。由上海航天技术研究院509所副所长周徐斌带队，查阅上千份文献。最后从唯一能获得的一张简图和一段语焉不详的话开始，理清了微振动问题的主要内容和技术难点。风云四号卫星给载荷坐上了超级“软沙发”的微振动隔振系统设计方案逐渐形成。

“软沙发”想法很好，但要变成现实难度不小，它既要能抗得住火箭发射过程大过载超重，又能满足在轨失重以及各种空间热、辐照等环境下的使用。为了把设计方案转化到工程应用，微振动团队解决了一系列工程难题，攻克了振源微振动控制技术，并发明了一个非线性变刚度阻尼缓冲装置，终于研制成功了适用于卫星的微振动隔振系统。

为了不影响研制进度，在专门的微振动试验间的条件没有完全建成前下，微振动研制团队每次做试验都选择在半夜，并且要清场，关闭空调，拔掉电话线。在静得让人发慌发困的绝对安静环境中几小时几个小时的不停试验，他们不敢说话，甚至不敢随意走动，生怕自己一不小心成为意外的微振动源头，影响测试数据。

又用了2年的时间，终于摸清了卫星10余个转动部件的振动特性与传递路径，实现了振源隔振装置和有效载荷隔振装置的工程化，星上微振动抑制到1mg以下（约相当于手轻拍桌面形成振动的三百分之一），敏感频段更是控制到0.1mg水平，解决了精密遥感的图像抖动问题。

2014年8月，风云四号卫星持续近1个月的整星级微振动试验圆满完成，微振动抑制效率达90%以上，完全满足设计指标要求，实现了上海航天技术研究院在微振动领域的突破。
 
图像定位与配准解决了卫星在复杂空间环境下的整体运动与变形带来的图像偏移和错位问题，微振动抑制解决了由内部机械系统干扰引起的图像模糊问题。有了这两项防抖神技，才有了大家见到的美图。在轨运行的风云四号卫星成为了我国在地球同步轨道上首颗三轴稳定的定量遥感卫星，风云四号后续也将接替我国第一代静止轨道气象卫星风云二号的业务，进一步提高我国天气预报的准确率。

（看看新闻Knews记者：汤铭 编辑：胡琰琦）