日本最新的氣象衛星「向日葵8號」性能和技術怎麼樣？和中國衛星相比較如何？

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前些天在日本旅行時，在電視上看到介紹日本最新型衛星的節目。
從畫面上看，能清楚地看到雲層、火山灰、泥沙的運動軌跡，10分鐘一張照片。
日本衛星技術在世界上處於什麼地位？
中國最新的衛星能達到什麼樣的水平？

相關信息：
日本正式啟用靜止氣象衛星「向日葵8號」

靜止氣象衛星——衛星中的勞斯萊斯

同事里好多沒用過知乎的都新註冊了知乎賬號，特意來點贊的。連風雲四號衛星的總設計師都進來了，就是評論里回答問題最活躍的那個。有問題可以去提問，他肯定跟你談笑風生，不知道比我要高到哪裡去。

長文預警，多圖預警

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先放答案：

向日葵8號屬於新一代靜止氣象衛星，性能和技術確實先進，但非日本原創。

美、歐、中的新一代靜止氣象衛星均未發射，中國風雲四號衛星自主研發，功能完備，有創新點，在具體指標上比美歐略遜一籌。

航天八院的氣象衛星隊伍是國內一流的衛星研製團隊不容置疑。

事出有因，首先是前幾天朋友圈裡看到「日本衛星太空拍天津爆炸」的報道：

動態圖詳見報道：日本衛星太空拍天津爆炸火光清晰可見

用的是日本去年發射的向日葵8號衛星，很多人這時候想到了中國的氣象衛星，為什麼沒有看到，能力不行云云。特別是看到2014年向日葵8號發射時，有人在水木的航空航天版發帖質疑風雲四號衛星的技術水平和八院研製能力，還扯到天氣預報不靠譜，正準備回擊。

水木原帖地址：http://m.newsmth.net/article/Aero/273415

這幾天又看到了風雲二號和風雲三號的表現：

動態圖詳見：衛星動圖：天津爆炸產生的黑色煙塵向東擴散

也算是出手不凡。但說實話，圖像效果的確有一定差距。這不奇怪，因為作為靜止氣象衛星，風雲二號和向日葵8號根本就不是同一代的，沒有可比性。那麼接下來就要說一說氣象衛星和天氣預報這點兒事了。

氣象衛星分為兩類，太陽同步軌道衛星和地球同步軌道衛星，地球同步即靜止衛星，顧名思義，就是相對於地球保持靜止的衛星，感覺好像被釘子釘在天上一樣。靜止原因是衛星軌道在赤道面上，當軌道高度為35768km時，衛星運行周期與地球自轉周期一致，於是產生同步效應。相對於低軌衛星定期重訪，「靜止」有很多優點，如實時性、三顆星即可覆蓋全球等，對於通訊、廣播、氣象等行業都有著非同一般的重要作用。靜止氣象衛星拍攝的地球如下：

圖片來自於網址：http://www.nipic.com/show/1/65/9c9af8f94fa209c7.html另有動態圖詳見網址：地球動態圖片

靜止軌道是人類共同的稀缺資源，每顆衛星都要國際上統一分配定點位置，不許亂用。靜止衛星必須預留一定燃料，等到了壽命推到墳墓軌道避免占坑。很多國家在搞反衛星武器，但都限於低軌。打擊高軌衛星是反人類行為，什麼是反人類可以參考隔壁國家的83年傑出青年代表——三胖。

但靜止衛星的成本和代價也很昂貴，主要原因歸結於：離地球太遠。

1. 路難走。低軌衛星高度一般在500~1000km，靜止軌道36000km要多出幾十倍！火箭一般無法將衛星直接打進同步軌道，只能打到大橢圓軌道再靠衛星自己變軌，變軌期間需要消耗的燃料占衛星發射總質量的40%！可以這麼理解：一個人去趟偏遠山區，坐了長途客車到終點站，下了車還要走很遠的山路，路上需要吃40斤乾糧。

2. 環境苛刻。高軌衛星面臨更嚴重的空間輻射，增大了星上電子元器件失效的風險；太陽繞圈照，熱環境複雜；總之人生地不熟。

3. 距離遠：相對於低軌衛星地球小了幾十倍，對於通訊衛星，需要載荷更大的功耗，把信號傳向地面；對遙感衛星指向精度、穩定度要求高，稍微偏一點兒幾十上百公里就出去了，對載荷要求高是因為接收的能量更微弱，不過積分時間可以做長也是優勢。

4. 國內的靜止衛星平台好像還沒有首發成功的先例。

靜止衛星的難點可能還有很多，總之，對運載火箭、衛星平台、有效載荷有著很高的要求。此外，靜止衛星往往需要有8~15年的穩定壽命，並且需要「業務運行」。所謂業務運行，就是不允許出差錯，必須一直當班。據說風二當年曾發生丟失雲圖，時任總理朱鎔基親自對氣象局問責。打個比方，你放假回家心血來潮給老爸老媽炒盤菜，不管做的怎麼樣他們都會很高興對你誇獎不停；「業務運行」就相當於你在家門口開個飯館，顧客就沒那麼容易滿意了，對做菜的水平和提供的服務要求就高了，稍有不慎還會遭到投訴。這樣比起來，近些年來國內各高校發射的小衛星也就算個教具衛星。靜止衛星是大國重器，小國家玩不起，他們一般都去租、買服務，也挺划算。還有一種就是進行合作，比如向日葵8號，具體的後面說。

由於距離實在太遠，高軌衛星的解析度不可能做得太高（公里級），所以一般靜止遙感衛星主要用於氣象，提供快速更新（10~30分鐘一張地球全圓盤圖）的氣象遙感數據用以準確分析天氣變化趨勢。至於其他遙感衛星，如測繪類，一般會採用低軌衛星，一來沒那麼高的時效性要求，二來離地球近一點可以做高解析度，三來代價和成本低一些。

衛星平台還要為載荷提供舒適的工作環境，包括電磁環境、熱環境、力學環境、指向精度、穩定度等。航天八院主打的SAST5000平台被稱之為「超靜音平台」，強調遙感衛星所必須的高精度和高穩定度，各項指標對錶國際最高水平，高檔社區管家式服務有木有？平台詳細介紹見報道：風雲四號採用了全新的SAST5000衛星平台和眾多新技術

下面介紹國際上新一代靜止氣象衛星，主要有美、歐、日、中、俄等。

美國的GOES系列衛星絕對是龍頭老大，已經發展到第4代的GOES-N系列已經採用三軸穩定，性能具於世界前列。新一代是GOES-R系列，準備2016年發射，壽命15年。

圖片來源：Satellite Missions Directory

主載荷是ABI，載荷也已經發展好幾代了，性能比之前有很多升級。

圖片來源：Satellite Missions Directory

可見光2通道+紅外和近紅外14通道，可見光最高解析度0.5km，5分鐘就能出1幅地球全圓盤圖。特別指出的是GOES系列衛星首次提出的圖像定位配准技術，通過複雜的標定和補償，使衛星指向預期目標的定位精度達到1km級別。

歐洲新一代是MTG系列，準備2018年發射首顆，壽命8.5年。

圖片來源：Satellite Missions Directory

MTG分為兩個系列MTG-I和MTG-S，分別裝載不同主載荷。

圖片來源：Satellite Missions Directory

補一張炫圖：

圖片來自於網頁：歐空局開始研發第三代氣象衛星

MTG-I的主載荷為FCI（相當於ABI）。可見光3通道+紅外和近紅外18通道，可見光最高解析度0.5km，10分鐘可完成1幅地球全圓盤圖，圖像定為精度同樣做到1km，其他載荷配置與美國GOES系列類似；另一系列MTG-S主載荷為干涉式垂直探測功能的IRS，這個載荷很神奇，能夠對雲進行垂直探測，相當於給大氣做CT，研究的是雲的三維結構。從查到的文獻來看，歐洲MTG的很多技術是美國提供的。

日本的新一代靜止氣象衛星是向日葵8號（Himawari-8），2014年已發射。

圖片來源：Satellite Missions Directory

主載荷為AHI，別問我為什麼長得像美國的GOES-R和ABI。

圖片來源：Satellite Missions Directory

可見光3通道+紅外和近紅外13通道，可見光最高解析度0.5km，10分鐘就可完成1幅地球全圓盤圖；得承認日本人對主載荷是有改動的，可見光做了3個通道實現全色也算是處心積慮。圖像定位精度壓根就沒提指標，只是羞答答的說盡量做到一個像元，我懷疑圖像定位根本就不是日本自己做的，沒法提指標。日本借鑒美國技術就更普遍了。美國GOES衛星設計人員的一些相關技術專利會同時在歐洲、日本都有申請授權，可以推知作者預期該技術在歐、日都會應用。我們也很好奇老美有這麼好的技術為啥讓小日本搶了先呢？有種說法認為靜止氣象衛星難度大，美國新研發的心裡也沒底，於是給日本先試驗一下，對在軌情況有個了解，日本正想從美國挖來點新技術，不要白不要。於是兩個親密盟友一拍即合。

至於俄羅斯，Electro-L衛星2011年發射，曾給出最清晰的地球圖像（2012年）。

圖片來源：Satellite Missions Directory

圖片來源：俄羅斯衛星拍攝史上最清晰地球照片

主載荷MSU-GS

圖片來源：Satellite Missions Directory

可見光3通道+紅外近紅外8通道，最高解析度1km，地球全圓盤30分鐘。

由於戰鬥民族地理緯度太高，用靜止衛星不划算，他們正在研究大橢圓衛星，體制不太一樣，另外不懂俄文，查到的資料有限。誰能告訴我為什麼衛星上裝了兩個一樣的載荷？？

終於說到國內了，據中國氣象局網站報道：「風雲四號」科研試驗衛星預計於2016年左右發射，設計壽命8年。

圖片來源：風雲四號氣象衛星
主載荷輻射計，實在沒找到公開的圖。可見光2通道+紅外近紅外12通道，可見光最高解析度0.5km，15分鐘1幅地球全圓盤圖，圖像定位精度1像元。參數來源於：風雲四號氣象衛星多通道掃描成像輻射計

靜止氣象衛星這類豪華的國家重器需要載荷、衛星、地面應用各大系統綜合論證。風雲四號衛星從2000年開始預研，有人說很漫長，其實美國最新一代GOES-R也是這一年開始論證的，如今的進度也差不多。與國外相比，風四功能齊全，但成像時間慢一點、通道數少了幾個，其他參數確也有比美國低的。風四的創新點在於在一個平台上同時安裝了兩台主載荷[引自百度「風雲四號」詞條]：輻射計和探測儀（就是歐洲MTG提到的那兩種載荷），相當於1顆衛星當兩顆用，這是世界上絕無僅有的！難度可想而知！！！像我這樣的家裡養了兩個孩子的人最能理解，一個都不好伺候，還要考慮相互干擾的問題。

在研製初期，我們充分研究了美國等國家公開發表的資料，組織人員進行搜集、分類、翻譯、學習，光翻譯出的文獻就有好幾本裝訂成冊。在衛星研製研發的多個環節中以歐美國家的進行參照對比。如果沒有美國對民用航天技術大方的公布，我們很難這麼快進展。但必須聲明，我們獲得的資料都是公開發表的，任何人都能收集到，從沒有藉助國家利益交換和其他手段。他們公開的專利也都沒在中國授權，我們應用也沒有侵權問題。文獻資料中往往對理論、方案等講的比較多，至於具體的技術細節和核心設計環節肯定是沒法查到的，只能自己搞。因此，風四從載荷、衛星平台到地面應用系統的設計理念、思路、對關鍵技術的解決方法跟歐美俄必然是截然不同的。我們也正在準備把風四中的一些不涉密的新技術公開發表到國際刊物，一方面是資源共享，算是也給國際社會一些微薄的回報，另一方面也要讓國外同行見識一下中國的衛星技術水平。

對於自主研發的問題，外行可以有一個簡單的判斷方法——看長相。與國外相比，我們的衛星長相是這樣的：

圖片來源：National Satellite Meteorological Center of CMA
對比美國：

圖片來源：Satellite Missions Directory

而不是這樣的：

圖片來源於網址：[原創]神舟與俄羅斯聯盟號的血緣關係
鐵血網

或者這樣的

圖片來源於網址：一周軍情速讀：殲15山寨蘇33？

說到這裡，有人會疑問：你把衛星說得這麼牛X，為什麼天氣預報不準？

細想一下，日常生活中的天氣預報總的來說還是值得信賴的。在如今的大眾眼中，天氣預報準確好像是個天經地義的事，出了差錯就是不靠譜。正如知乎上的回答：「你只會記住不好的，準的時候你覺得正常不去記，不準的時候就記住了」。網址：為什麼現在感覺天氣預報越來越不準了？ - 冷知識

氣象預報是世界難題，其他國家也存在預報不準遭到吐槽的問題。天氣預報需要對複雜非線性系統的數值求解，預測未來一定時段參數。大氣運動是特別複雜的過程，影響因素很多，存在化學反應、物理作用，受熱學、力學、地理地形等影響，局部、全球又有所不同，需要解很複雜的微分方程。世界上最快的超級計算機都是用來算數值天氣預報的，可見非同一般。也可以看看這個文章：吐血解讀天氣預報為神馬不靠譜

此外，除了日常生活中的天氣預報，氣象衛星還能為航空、航海、農業、林業、海洋、水文等國民經濟多領域提供全球及區域氣象信息，在氣候變化檢測、自然環境與災害監測以及國際影響、重大事情決策服務等方面發揮這更重要的作用。比如2008年風雲三號成功發射（本人在現場哦）：

在同年的森林火災監測中發揮了巨大的作用：因為森林區往往地廣人稀，有時候森林火災發生時人們是不知道的，發現時已經燒得很厲害了，但衛星可以即時、準確的「看見」。甚至在俄羅斯發生火災要燒到境內時，我國即時在邊境線採取措施，避免了經濟損失。風雲三號在國際上的聲譽很好，受到很多國際同行的較好評價，被列入新一代世界極軌氣象衛星觀測網、空間與重大災害國際憲章中方值班衛星。

總是有很多人將五院和八院做對比。五院在衛星方面是老大哥，總的來講我們八院確有差距。但在氣象衛星領域，八院絕對是首屈一指。八院是氣象衛星的搖籃，多年的歷練形成了嚴謹科學的作風和能打硬仗的隊伍，我們這邊很多所級領導和其他型號的總師都是氣象衛星隊伍走出來的。我們占的市場份額沒五院多，而且如今中科院小衛星、長光所以及各高校的衛星研製單位如雨後春筍般湧現，我們八院很有壓力，也在不斷尋求未來發展的新突破。我相信，我們八院會堅守氣象衛星這塊陣地，畢竟在當今時代放眼望去，能夠把一個產品做到近乎與美國同步的例子並不多。

對於風雲四號，我們拭目以待！

最後，向做涉密項目的同行們致敬，他們同樣逼格滿滿卻無法表達，只能孤芳自賞。

本文中所以衛星技術參數和圖片全部來自互聯網，均有出處可查，保密的同志們辛苦了，走好不送。

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