出品：科普中國
制作：王錚
監(jiān)制：中國科學院計算機網絡信息中心
出門前我們習慣先看天氣。但你知道面對反復無常的天氣變化，我們是如何及時預報的嗎？這就得說到氣象衛(wèi)星，比如我們熟知的“風云系列”氣象衛(wèi)星。
夏末秋初，9月到來，天氣逐漸涼爽。恰巧，風云衛(wèi)星最初發(fā)射就是在9月。
1988年9月7日，風云一號A衛(wèi)星（FY-1A）發(fā)射；1990年9月3日，風云一號B衛(wèi)星（FY-1B）發(fā)射。時至今日，風云衛(wèi)星已經成長為一個系列。
中國的風云衛(wèi)星家族有哪些成員？各自有哪些飛行軌道？為什么這樣選擇？
風云衛(wèi)星云圖（圖片來源：中央氣象臺）
風云衛(wèi)星中的四大家族
衛(wèi)星首次實現了我國氣象、海洋和空間環(huán)境的綜合探測應用，開創(chuàng)了我國航天事業(yè)的新紀元。風云衛(wèi)星有諸如“一號”“二號”“三號”這樣的名稱，但每個名稱指稱的并不是單顆衛(wèi)星。
例如，在風云一號A衛(wèi)星（FY-1A）和風云一號B衛(wèi)星（FY-1B）中，“FY”是“風云”的縮寫，“1”代表“一號”，A和B是它們更進一步的代號。
風云一號是我國第一代“太陽同步軌道氣象衛(wèi)星”，主要用于獲取全球氣象云圖和海洋資料。同時，它還能獲取晝夜可見光、紅外云圖，冰雪覆蓋、植被、海洋水色、海面溫度等，為中長期天氣預報、氣象和海洋科學研究、氣候預測提供了必要的基本資料，也在災害監(jiān)測、環(huán)境遙感中發(fā)揮了巨大作用。
早在1977年，就形成了風云一號氣象衛(wèi)星的總體初步方案，之后全面開展研制工作。1985年10月，風云一號氣象衛(wèi)星工程被列入“七五”期間衛(wèi)星型號發(fā)展的重點項目，很快在1988年風云一號A星就發(fā)射成功。
風云一號衛(wèi)星系列包總共含4顆衛(wèi)星。在A衛(wèi)星和B衛(wèi)星發(fā)射約10年后，1999年和2002年又分別發(fā)射了C衛(wèi)星和D衛(wèi)星。目前，4顆衛(wèi)星均已失效并退役。值得一提的是，最初發(fā)射的A衛(wèi)星服役時間僅有39天，但D衛(wèi)星足足做了10年的“天氣預報員”。
風云一號衛(wèi)星（圖片來源：國家衛(wèi)星氣象中心）
風云二號同樣也不只是一顆衛(wèi)星，而是由2顆試驗衛(wèi)星（FY-2A、FY-2B衛(wèi)星）和系列業(yè)務衛(wèi)星（FY-2C、FY-2D、FY-2E、FY-2F、FY-2G、FY-2H等）組成。
風云二號衛(wèi)星系列可以獲取白天可見光云圖、晝夜紅外云圖和水氣分布圖，進行天氣圖傳真廣播，收集氣象、水文和海洋等數據收集平臺的氣象監(jiān)測數據。這一系列是“地球同步軌道衛(wèi)星”。
風云二號衛(wèi)星（圖片來源：國家衛(wèi)星氣象中心）
風云二號頻繁的迭代保證了星地系統(tǒng)一年365天、每天24小時連續(xù)運行。FY-2D之后，幾乎隔2年或4年就會發(fā)射一枚新的風云二號衛(wèi)星，直到2018年還有2H衛(wèi)星發(fā)射，幾乎橫跨了咱們現在年輕人的整個青少年時期，難怪天氣預報節(jié)目上老有它。
這些風云二號系列衛(wèi)星的設計和功能都非常相似。前一顆衛(wèi)星還在工作，后一顆就上天開始觀測了。也正是這樣的“備份”，才能保證這十多年來的無縫對接。
大家有時還會在天氣預報上聽到“風云三號”。風云三號由3顆衛(wèi)星組成（FY-3A衛(wèi)星、FY-3B衛(wèi)星、FY-3C衛(wèi)星），雖然被戲稱為“奧運星”，但其實只有第一顆是在接近2008年奧運會的時間發(fā)射，后兩顆發(fā)射于2010和2013年。
彼時，它的任務目標是和風云二號氣象衛(wèi)星一起，共同為奧運會提供氣象保障服務。探測對象包括地球大氣環(huán)境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料。風云三號是繼承風云一號的“極軌太陽同步軌道衛(wèi)星”。
風云三號01批星（圖片來源：國家衛(wèi)星氣象中心）
至于最新的風云四號衛(wèi)星，A星在2016年12月11日發(fā)射，后續(xù)自然也還會有B星。它們也是地球同步軌道衛(wèi)星，繼承的是風云二號的衣缽。
2017年2月27日，風云四號A星獲取首批圖像和數據。中國獲取并發(fā)布了世界第一幅靜止軌道地球大氣高光譜圖，同時也首次獲取了彩色衛(wèi)星云圖和閃電分布圖。
風云四號A星（圖片來源：國家衛(wèi)星氣象中心）
這些衛(wèi)星的軌道非常好記：奇數的一號和三號是“極軌”的“太陽同步軌道”衛(wèi)星，偶數的二號和四號是“靜止”的“地球同步軌道”衛(wèi)星。
“太陽同步”，要怎么同步？
風云一號和三號是“極軌”的“太陽同步軌道”衛(wèi)星。所謂“極軌”，也就是軌道經過地球南北極上空，軌道平面與地球赤道面相垂直。
但實際上，通常衛(wèi)星軌道不會正好經過南極點、北極點，而是略微傾斜。所以準確地說是“近極軌”，軌道平面與赤道平面的夾角接近90度。
咱們想象一個原地自轉的地球儀，地球儀側面的支架就像軌道面一樣。在宇宙空間中，沒有特別的力的話，這個平面會如支架一樣不動如山。那么，隨著地球自轉，衛(wèi)星軌道就會遍歷整個地球所有區(qū)域上空。
地球儀（圖片來源：justglobes.uk）
但是，衛(wèi)星軌道面真的不會動嗎？
如果地球是個均勻球體，那傾角90度軌道的衛(wèi)星正好受力均衡，軌道平面不會轉動，叫做隨地球“平動”。
但是，地球是個扁橢球體，扁橢球體上的各點對衛(wèi)星的引力不等，而且地軸又是傾斜的。于是，衛(wèi)星的軌道平面繞地軸朝著與衛(wèi)星運動相反方向旋轉，稱為軌道平面的“進動”。所以，太陽同步軌道才要選擇略微大于90°的軌道傾角。
根據計算，進動的速度大約為1°，正好使軌道平面與太陽始終保持固定的取向。也即是說，衛(wèi)星的軌道平面也在進行一年360°的旋轉，正好總是垂直于太陽與地球的連線，那么在地球周圍轉圈的衛(wèi)星就不會被地球擋住，可以充分照射太陽光，也就是“太陽同步”。
因此，太陽同步軌道所同步的是，其實是地球的公轉。
風云衛(wèi)星選擇這個軌道，對天氣預報信息的獲取非常有利。首先，可以最大化利用太陽能發(fā)電。其次，衛(wèi)星每次飛越某地上空時，太陽都是從同一角度照射該地，通過對比拍攝的照片，可以獲得更多的信息。
“地球同步靜止”，在天上也能靜止嗎？
風云二號和四號是“靜止”的“地球同步軌道”衛(wèi)星。那么，它們又是怎么“靜止”的呢？
其實，它們并不是在宇宙空間中停留不動，而是咱們地面的人往天上看，這顆衛(wèi)星總在頭頂沒有飛走，就好像是靜止了。
從地球上看，太陽東升西落，是因為地球一直自西向東自轉。所謂“地球同步軌道”，同步的就是地球自轉。衛(wèi)星的軌道周期等于地球在慣性空間中的自轉周期（23小時56分4秒），而且方向與之一致。因此，衛(wèi)星總是隨著地球一同旋轉，與地面的位置相對保持不變。
地球同步軌道（圖片來源：wikipedia）動圖
由于地球同步軌道的軌道面與赤道平面重合，即軌道傾角為0度。所以，衛(wèi)星并不能停留在任意地區(qū)（比如北京）的正上方，而是始終位于赤道某地的上空。
中國的風云衛(wèi)星雖然不是在中國廣袤土地的正上方，但是選擇了經度匹配的經度。例如，曾選擇東經105度、99.5度、79度等位置，抬頭仰望，我們甚至無法捕捉到它們的身影。
然而，正是這一顆顆肉眼難以見到的衛(wèi)星，不僅構成了服務于中國天氣預報的衛(wèi)星體系，還在氣候監(jiān)測、災害監(jiān)測和環(huán)境遙感等方面發(fā)揮了重要作用，為社會的發(fā)展作出了巨大貢獻。
