日本首颗新一代气象卫星向日葵－8入轨

肖武平（北京空间科技信息研究所）

向日葵－8（Himawari－8）是利用三菱电机公司DS－2000卫星平台为日本气象厅研制的新型气象卫星，也是日本首颗第三代“气象卫星”（GMS）。该卫星于2014年10月7日由H－2A－25火箭发射，星箭分离后，卫星利用其自身携带的远地点发动机将卫星送入35800km高的地球静止轨道。

1 向日葵－8概要

“向日葵”系列气象卫星的发展概况

“向日葵”是日本“气象卫星”系列的爱称。日本气象厅从1978年开始用“向日葵”进行气象观测，已持续36年，成功发射了8颗。日本是一个地震活动频繁的国家，受台风影响也相当严重，利用包括“向日葵”卫星在内的各类卫星来监视台风动向、地震等的活动状况，预测台风行进路线以及监视和预测、预报暴雨等已成为一种必不可缺的重要手段。“向日葵”的观测数据除用于气象业务外，还有效地用于气候、水资源、地球环境保护以及抗震、防灾、救灾等众多领域。

向日葵－8和向日葵－9的应用计划

包括向日葵－8，日本共发射了9颗气象卫星，其中除首颗“多用途运输卫星”（MTSAT）由于火箭问题发射失败外，其他卫星都发射成功并投入在轨应用。向日葵－1～5属于采用自旋稳定的第一代静止“气象卫星”系列，采用美国休斯公司的卫星平台。向日葵－6、7属于采用三轴稳定的第二代“气象卫星”，不仅具备气象观测功能，还可提供航空管制服务，也称“多用途运输卫星”。平台采用美国劳拉空间系统公司的LS－1300，其首发星发射失败，其备份星“多用途运输卫星”即向日葵－6，于1999年用H－2A火箭发射成功，以轨道工作星正式执行气象观测任务，同时提供航空管制服务。为确保连续、准确地向用户提供满意的气象服务，日本气象厅决定研制和发射“多用途运输卫星”的轨道备份星。为推进气象卫星国产化，在经济产业省和文部科学省等的反复推荐下，日本运输省最终同意了气象厅选用三菱电机公司的DS－2000卫星平台研制“多用途运输卫星”的轨道备份星（多用途运输卫星－1R），即向日葵－7，并于2006年2月26日用H－2火箭发射入轨，其设计寿命和执行观测任务时间与多用途运输卫星－1相同，分别为10年和5年。自发射入轨后，一直作为备份星在轨运行，其性能和功能都满足了设计要求，令用户满意。当多用途运输卫星－1即将停止工作前（2010年7月），多用途运输卫星－1R就开始正式执行气象观测和提供航空管制服务任务。按设计寿命，向日葵－7将于2015年达到寿命期限。由于向日葵－7在轨运行正常，加之政府强力支持国产化，气象厅提出继续采用三菱电机公司的DS－2000卫星平台研制向日葵－8和9。在得到设计行政部门运输省批准后，于2010年与三菱电机公司正式签署订单，也被称之为第三代“气象卫星”。三菱电机公司自2009年财年开始研制向日葵－8和9，按合同要求，于2014年10月完成向日葵－8的发射任务，于2015年接替达到执行任务寿命期限的向日葵－7继续执行观测任务；而向日葵－9则按计划要求将于2016年发射。

向日葵－8卫星概况

向日葵－8和9都是一颗全长约8m（含单太阳电池翼）的卫星，发射质量约3500kg。采用三菱电机公司DS－2000卫星平台（三轴控制）为用户设计的气象卫星的组态，设计寿命为15年，执行观测任务寿命长于8年。

在向日葵－8的研制过程中，重点解决了以下5个问题：

1）完成包括新型主遥感器—可见光红外辐射计（AHI）在内的卫星本体的研制；

2）开发处理可见光红外辐射计观测数据的专用软件；

3）完善与卫星（向日葵－8和9）通信用的地面设施；

4）完善对卫星（向日葵－8和9）进行监视与控制用的地面设施；

5）完善执行对可见光红外辐射计观测数据进行处理用的软件处理设施。

其中，为确保卫星的稳定运行，按设计要求，要确保有效载荷对准观测对象和太阳电池翼对准太阳，以及开发出高分辨率的可见光红外辐射计是关键。

在卫星指向地球方向的台面（ZS方向）上受震动和热影响较小，主要配置有效载荷仪器和姿态测量部件，其核心有效载荷部件是可见光红外辐射计；姿态测量部件则包括可大幅度提高测量精度和卫星测量精度的仪器，包括星跟踪器（STT）、惯性基准单元（IRU）、高频速率敏感器（ARS）和加速度计（ACC）等。

向日葵－8的构造

向日葵－8和9的姿态确定选择以星追踪器和惯性基准单元为主体，采用把星追踪器和惯性基准单元获取的数据与高频速率敏感器和加速度计获取的数据同时发送到地面，经地面处理后用于高精度的姿态确定。同时，在卫星本体也对经地面处理后的数据作为姿态控制用的信息，进行高精度的姿态控制。这样就可以避免像向日葵－7等那些以地球敏感器为姿态检测主体的卫星，有时会出现无法连续进行姿态控制等问题，确保卫星在整个运行过程中都能够大幅度地提高控制精度（采用地球敏感器为姿态检测主体的向日葵－7的姿态控制精度：滚动0.045°；俯仰0.043°；偏航0.128°；而以星跟踪器和惯性基准单元作为姿态检测主体的向日葵－8的姿态控制精度：滚动0.013°；俯仰0.022°；偏航0.013°），可确保稳定地完成各种观测。此外，还可以做到只要在全球范围内辨识出任何一颗星，就可以根据进入视野范围内的那颗星所在的具体位置确定卫星的姿态，在不受时间限制的情况下保持姿态稳定。另外，采用这种控制方式不仅可以确保在通常运行时，就是在发射后进行姿态捕获时以及万一丧失姿态时，也能够在不受任何限制的情况下进行再捕获。在这一平台上配置的测量仪器与这种将可见光红外辐射计的观测数据和位置检测数据匹配使用，更加有利于完成高精度姿态控制和位置调整等。

此外，这一平台上还配备有传送观测数据用的Ka频段天线、发送和接收遥测指令用的Ku频段天线、转发通报数据和接收地面数据用的特高频（UHF）天线。

与上一代气象卫星向日葵－7相比，向日葵－8总质量大幅度下降，执行任务能力增强，设计寿命和执行任务时间大幅度延长，并且具有多波段、观测间隔缩短、空间分辨率更高等特点。

向日葵－8与向日葵－7性能参数

2 气象观测能力

作为向日葵－7的后继星，向日葵－8搭载了世界上最先进的下一代气象观测遥感器—可见光红外辐射计，不仅大幅度地提高了设计寿命（向日葵－7的设计寿命为10年，执行观测任务时间为5年，而向日葵－8的设计寿命为15年，执行观测任务时间为8年以上）；而且还率先在星上搭载了领先国际水平、具有很强观测能力的可见光红外辐射计，大幅度地提高了气象观测能力（增加了近红外频段，观测频段多达16个），获取的数据量是向日葵－7的50倍；大幅度地缩短了对全球观测所需的时间（向日葵－7需30min，而向日葵－8仅需10min）。完成在轨性能试验后,将按计划于2015年正式接替向日葵－7执行气象观测任务。

向日葵－7搭载的红外线辐射计仅有5个波段，分别是可视光，1个频段，仅黑白图像；红外，4个频段。而向日葵－8搭载的可间光红外红外辐射计共有16个频段，其中，可视光，3个频段（彩色，包蓝、绿、红，可进行图像合成）；近红外，3个频段；红外，10个频段。频段的大幅度增加，不仅大幅度地提高了观测性能，同时还提高了对图像的分辨率，如向日葵－7对可见光图像的分辨率仅为1km，而向日葵－8则达0.5km；向日葵－7近红外对图像的分辨率为4km，而向日葵－8则无论是近红外还是远红外都达到了1km。就对全球进行观测所需的时间而言，向日葵－7需要30min，而向日葵－8仅需10min。再比如，用3台可见光红外辐射计的可见光图像（蓝色：0.47µm、绿色：0.51µm、红色：0.64µm）合成的图像与人在太空中看到的地球图像非常相似，用其可有效监测黄沙和森林火灾等。

搭载向日葵-8的H－2A火箭

向日葵－8与向日葵－7搭载的红外线辐射计频段的区别

在一个基本单位内实施的观测计划

1个基本单元内各观测区域可完成的观测次数

与向日葵－7相比，向日葵－8大幅度地加快了观测频率。向日葵－8要完成对全球观测以及5个特定区域的观测合计仅需10min，而它通常是以10min作为1个实际观测基本单元，在一个基本单元时间内不仅可以从西向东扫描，还可从北向南依次完成23次扫描，获取从地球北端到南端的观测数据，即全球观测数据，同时还有可重复获取若干个小范围的观测数据的功能。实际上，向日葵－8在每实施一次全球观测时段内就能够对5个特定区域进行重复观测，相当于每2.5min就可以对日本周边的2个区域（即图中区域1和区域2，从东到西2000km、从南到北1000km的区域）进行1次观测，对这2个区域的观测是固定不变的；而另外3个观测区域是可变的，其中1个是每2.5min就可观测1次的区域（即图中区域3，从西到北1000km、从东到西1000km），这一观测对象为台风、火山和低气压发展区域；另外2个区域（从东到西1000km、从南到北500km）则大约每30s就可改变一次，主要是根据需求对地球上最有典型特征的海岸线进行观测，依次获取所需的海岸线图像，同时还计划根据获取的海岸线的观测位置与预测位置之差对卫星姿态参数进行修正。此外，还可以根据所观测到的对快速生成的堆积乌云等骤然变化监视各种特殊的气象现象。

3 结束语

向日葵－8的发射成功引起了航天界和气象界人士的普遍关注，其正式投入使用后的效果更为人们所关心，希望它能够取得理想的应用效果，为人类提供更准确的天气预报、环境保护所需的信息，为防灾、减灾做出贡献。