怎樣才能拍出美美的照片？首先相機(jī)要好，高清單反最佳。不過，拍照可是門技術(shù)活。在36000公里遙遠(yuǎn)太空中的風(fēng)云四號衛(wèi)星對地球拍照也一樣。而且它懸浮在空中，沒有“三腳架”，還要在運(yùn)轉(zhuǎn)中拍出地球的高清美照，這絕對不是件容易的事。

所以，風(fēng)云四號衛(wèi)星在使用“超靜音”新平臺和國際先進(jìn)的新載荷同時，更有兩項防抖神技加身：圖像定位配準(zhǔn)和微振動抑制，而這兩項世界一流技術(shù)都是上海研制。

一、圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)：世界上第二個掌握該項技術(shù)的國家

日常拍照，手中的鏡頭一個微小的偏差不易被察覺。但在三萬六千公里以外的高空，衛(wèi)星載荷“鏡頭”稍微一丁點(diǎn)肉眼不能察覺的偏差，所觀測到地面上的觀測點(diǎn)可能就相差幾十上百公里。比如，如果圖像定位做不好，預(yù)報在上海浦東機(jī)場的降雨實(shí)際卻下到上海虹橋機(jī)場了。也就是說，如果圖像定位與配準(zhǔn)做不好，就無法精確捕捉臺風(fēng)、沙塵暴等動態(tài)天氣變化的信息。

由于是一顆高精度定量遙感衛(wèi)星，不能像我們平時用普通大面陣CCD相機(jī)拍照，它只能用響應(yīng)高度一致的小規(guī)模探測進(jìn)行“拍照”。所以，懸浮在太空中的風(fēng)云四號衛(wèi)星在36000公里對地拍照，不是一次‘啪’拍出來的，而是載荷掃描機(jī)構(gòu)帶著反射鏡把一個拍照的小視場像一個小刷子一樣移動，用15分鐘把整個地球一點(diǎn)點(diǎn)“刷”完，最后形成圖片?！八ⅰ钡倪^程中，由于15分鐘內(nèi)衛(wèi)星姿態(tài)、軌道和熱變形的影響，“刷子”的路徑可能會變歪，如果沒有一定的修正技術(shù)，拍出來的圖片就會不準(zhǔn)確。在風(fēng)云四號衛(wèi)星上這項修正的技術(shù)就是圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)。

傳統(tǒng)方法是在地面進(jìn)行圖像處理，有一套復(fù)雜的圖像重采樣處理方法和流程。如風(fēng)云二號衛(wèi)星就采用了地面處理的方法，但那樣做會不但會增加地面的處理難度、降低效率，更主要的是可能帶來圖形信息的損失，降低探測數(shù)據(jù)的精度，專業(yè)屬于叫“地面重采樣會降低輻射精度”。而風(fēng)云四號衛(wèi)星可以在星上直接完成這個校正。

“衛(wèi)星圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)就是給載荷對地掃描的過程進(jìn)行導(dǎo)航，就好比我們?nèi)粘ｉ_車用GPS導(dǎo)航，只不過一個是給車輛導(dǎo)航，另一個是給載荷‘視線’導(dǎo)航?！敝袊教炜萍技瘓F(tuán)公司上海航天技術(shù)研究院風(fēng)云四號圖像定位與配準(zhǔn)主任設(shè)計師呂旺用GPS導(dǎo)航形象類比圖像導(dǎo)航配準(zhǔn)的工作原理。一旦掃描路徑偏離預(yù)期，系統(tǒng)自動發(fā)現(xiàn)并校正，有效控制圖像的位置偏差和抖動。通過風(fēng)云四號衛(wèi)星研制，我國成為世界上繼美國之后第二個掌握靜止氣象衛(wèi)星圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)的國家。

風(fēng)云四號衛(wèi)星從預(yù)研就開始圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)攻關(guān)。這是一項涉及多個學(xué)科的綜合技術(shù)，研發(fā)過程中將有效載荷、衛(wèi)星平臺和地面應(yīng)用三個環(huán)節(jié)有機(jī)聯(lián)系在一起。為了攻克這個難題，上海航天技術(shù)研究院先后調(diào)用了近10個博士持續(xù)研究。到2010年，這支隊伍才徹底把圖像定位與配準(zhǔn)的問題整明白，確定了星上實(shí)時補(bǔ)償?shù)墓こ谭桨福丫榷ㄔ诹?個像素。

為了驗證該項技術(shù)，上海航天技術(shù)研究院還組織精兵強(qiáng)將自主研制了我國第一個能夠承載5噸的三軸氣浮臺全物理仿真試驗系統(tǒng)。2015年8月，風(fēng)云四號衛(wèi)星完成了整星級圖像定位與配準(zhǔn)試驗驗證，在地面最大程度實(shí)現(xiàn)了對衛(wèi)星在軌狀態(tài)的模擬驗證。補(bǔ)償后衛(wèi)星定位誤差在幾十個微弧，載荷對地成像定位誤差從百公里級縮小到了公里級。

二、微振動測量與抑制：給“嬌貴”載荷坐上超級“軟沙發(fā)”

風(fēng)云四號衛(wèi)星的四個高分辨率載荷中有一個能給大氣做“CT”的干涉式大氣垂直探測儀。干涉式大氣垂直探測儀“嬌貴”到什么程度？就如同豌豆公主隔著20層床墊和20床鴨絨被都能被一粒豌豆硌疼。幾乎是在衛(wèi)星邊上吹一口氣形成的振動，就會誘發(fā)干涉儀動鏡傾斜，導(dǎo)致分析光譜產(chǎn)生“鬼線”或者無法預(yù)知的譜線，這樣掃描出的大氣垂直結(jié)構(gòu)CT圖可能就會“鬼影重重”，好比拍照中手抖出來的照片就模糊不清。從上海航天技術(shù)研究院風(fēng)云四號結(jié)構(gòu)系統(tǒng)副主任設(shè)計師申軍烽博士的介紹可見這個儀器對安靜環(huán)境的苛刻要求。

“在風(fēng)云四號衛(wèi)星預(yù)研階段的一次載荷試驗中，因為試驗現(xiàn)場有人說話，致使圖像質(zhì)量大受影響?！鄙贶姺榛貞?。

現(xiàn)在要把這“嬌貴”的儀器搬到天上去，而衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中，每分鐘幾千轉(zhuǎn)的飛輪、載荷探測機(jī)制用的“壓縮機(jī)”、掃描鏡等活動部件都會產(chǎn)生振動干擾，微振動干擾問題十分突出。

2010年，隨著風(fēng)云四號衛(wèi)星立項，微振動對敏感載荷性能影響逐漸成為了衛(wèi)星重要風(fēng)險項目之一。

雖然現(xiàn)有對振動的研究與應(yīng)用并不少見，但衛(wèi)星上的振動本來就已經(jīng)處于一個非常小的量級，普通振動的理論和隔振的材料并不適用。彼時，國內(nèi)并不提微振動。最初，風(fēng)云四號團(tuán)隊也想過，要是微振動抑制技術(shù)攻克不了，就犧牲有效觀測時間，讓掃描輻射計和干涉式垂直探測儀分時工作，減小相互干擾。

不過，遇到困難就退縮從來就不是風(fēng)云四號衛(wèi)星團(tuán)隊的作風(fēng)。由上海航天技術(shù)研究院509所副所長周徐斌帶隊，查閱上千份文獻(xiàn)。最后從唯一能獲得的一張簡圖和一段語焉不詳?shù)脑掗_始，理清了微振動問題的主要內(nèi)容和技術(shù)難點(diǎn)。風(fēng)云四號衛(wèi)星給載荷坐上了超級“軟沙發(fā)”的微振動隔振系統(tǒng)設(shè)計方案逐漸形成。

“軟沙發(fā)”想法很好，但要變成現(xiàn)實(shí)難度不小，它既要能抗得住火箭發(fā)射過程大過載超重，又能滿足在軌失重以及各種空間熱、輻照等環(huán)境下的使用。為了把設(shè)計方案轉(zhuǎn)化到工程應(yīng)用，微振動團(tuán)隊解決了一系列工程難題，攻克了振源微振動控制技術(shù)，并發(fā)明了一個非線性變剛度阻尼緩沖裝置，終于研制成功了適用于衛(wèi)星的微振動隔振系統(tǒng)。

為了不影響研制進(jìn)度，在專門的微振動試驗間的條件沒有完全建成前下，微振動研制團(tuán)隊每次做試驗都選擇在半夜，并且要清場，關(guān)閉空調(diào)，拔掉電話線。在靜得讓人發(fā)慌發(fā)困的絕對安靜環(huán)境中幾小時幾個小時的不停試驗，他們不敢說話，甚至不敢隨意走動，生怕自己一不小心成為意外的微振動源頭，影響測試數(shù)據(jù)。

又用了2年的時間，終于摸清了衛(wèi)星10余個轉(zhuǎn)動部件的振動特性與傳遞路徑，實(shí)現(xiàn)了振源隔振裝置和有效載荷隔振裝置的工程化，星上微振動抑制到1mg以下（約相當(dāng)于手輕拍桌面形成振動的三百分之一），敏感頻段更是控制到0.1mg水平，解決了精密遙感的圖像抖動問題。

2014年8月，風(fēng)云四號衛(wèi)星持續(xù)近1個月的整星級微振動試驗圓滿完成，微振動抑制效率達(dá)90%以上，完全滿足設(shè)計指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了上海航天技術(shù)研究院在微振動領(lǐng)域的突破。
 
圖像定位與配準(zhǔn)解決了衛(wèi)星在復(fù)雜空間環(huán)境下的整體運(yùn)動與變形帶來的圖像偏移和錯位問題，微振動抑制解決了由內(nèi)部機(jī)械系統(tǒng)干擾引起的圖像模糊問題。有了這兩項防抖神技，才有了大家見到的美圖。在軌運(yùn)行的風(fēng)云四號衛(wèi)星成為了我國在地球同步軌道上首顆三軸穩(wěn)定的定量遙感衛(wèi)星，風(fēng)云四號后續(xù)也將接替我國第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號的業(yè)務(wù)，進(jìn)一步提高我國天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率。

（看看新聞Knews記者：湯銘 編輯：胡琰琦）