那人 那地 那颗星——记风云三号地面系统首任总师董超华

仙仙

中国人的航天梦，从腾飞的那一刻起，就注定勇往直前。从接收国外气象卫星云图，到中国卫星服务世界，漫漫“风云”路，一代代“追星人”奋力奔跑，托起了我国的灿烂星空。


独立自主、自力更生，是我国气象卫星及应用发展的立足点。作为卫星工程五大系统中的重要组成部分，地面应用系统是连接卫星到最后数据产品用户之间的桥梁，是应用效益发挥的核心。气象卫星地面系统建设和资料应用，是一个漫长而艰辛的历程，凝结着几代卫星气象工作者的心血和智慧。气象卫星总体规划和定量反演问题专家、风云三号地面系统首任总师董超华，就是地面系统建设者中的集大成者。


师夷长技，为我所用！走出自主研发和技术引进相结合的新路子——


那段“从零起步”的共同记忆


1970年我国启动气象卫星计划。“要搞我国自己的气象卫星。在我们的气象卫星没有出来之前，要想办法接收利用外国气象卫星的资料。”周恩来总理的指示，拉开了我国卫星气象事业发展的序幕。


20世纪70年代，只有美国、苏联等少数国家拥有气象卫星。当时，我国的气象卫星尚未研制，在气象卫星数据处理方面，根本没有技术可以借鉴，完全是“白纸一张”。


1971年，董超华来到刚组建不到一年的中央气象局气象科学研究所311卫星工作组，参与我国风云一号极轨气象卫星资料接收和计算机方案的设计。


刚走出大学校门的她，利用北京大学、清华大学“开门办学”的机会，在赵柏林、尹宏等老师的有关课程和讲座上，第一次听到气体辐射吸收理论、分子光谱、量子力学、重叠谱线和CO2振转谱线等遥感专业方面的基本知识。平时一有空，她就抱起《大气红外遥测原理》和黎光清先生从俄文翻译的有关辐射传输方程建立、遥感反演方法等资料。经过近10年摸索，董超华初步掌握了大气辐射传输理论和探测原理，并进行了仪器光谱指标模拟计算试验研究等。


此时，我国仍然没有气象卫星资料数字化接收和定量处理方面的实际经验，卫星对于她是遥远而陌生的。


1980年11月，董超华等四人被派遣赴美国国家环境中心，计划用一年半的时间学习TIROS-N/NOAA气象卫星资料接收处理技术。他们刻苦钻研，设计开发出一套完全按照我国可接收范围、常规观测、气候等特点的区域TIROS-N/NOAA图像处理、海面温度计算和大气参数反演业务处理系统软件。这是20世纪80年代初我国第一个把卫星资料获取和定量处理融为一体的先进系统，并为后来设计与建设我国自己的极轨气象卫星地面应用系统奠定了技术基础。该系统获1989年国家科技进步一等奖，世界气象组织利用这一系统多次举办国际培训班，为亚太地区培训卫星气象人才。


从跟踪国外先进技术起步，消化、吸收和再创新，到建成我国自主研发的气象卫星地面应用系统，我国的气象卫星开发应用，在自主研发和技术引进相结合的路上，一往无前。


“任何时候都要增强自我发展能力，不能总想着把头靠在别人的肩上，不论对一个国家还是一个人，都是这样。”董超华说，当时大家的想法一致，认为只要是国内可以研制或是依靠自己力量能够实现的，都应该坚持自力更生。


打破传统工程建设理念，业务、科研、工程三位一体！以需求为牵引，搭建星地一体化架构——


那颗“顺手好用”的原创初心


1988年9月7日，风云一号A试验应用极轨气象卫星成功发射，使我国气象卫星实现了从无到有的突破。受限于我国当时的技术水平，原计划上星的大气探测仪器没能实现，风云一号只解决了非常有限的观测服务能力问题。


20世纪90年代中后期，美国在全球卫星大气探测方面已处于稳定的业务应用阶段，而我国依然难以及时获取国外卫星的全球观测资料。


发展新一代极轨气象卫星，以满足我国数值天气预报和气候预测模式初始场对全球观测资料的需要，迫在眉睫。


1994年，风云三号卫星列入国家“九五”型号发展规划，平台和仪器研制启动。2004年，被评价为“工程技术复杂、工程量大”的地面系统批复立项，董超华被任命为总师，全面扛起地面系统设计和建设的重任。


在主持顶层设计方面，董超华打破传统工程建设理念，做到需求统筹，尤其是数据处理技术方案的星地一体化设计。总体技术班子从卫星工程的整体性、层次性和关联性出发，将用户纳入工程系统建设的总体架构。在卫星观测能力设计中，高度关注一线用户的反馈，把国家气象中心、部分省气象局等不同特色应用需求转化为卫星和载荷的技术性能指标。“大系统”和“小平台”同步设计开发，使卫星资料在各地推广应用节奏大大加快。


“让卫星资料不仅能用更要好用，尽可能地让我们的终极用户感到用起来顺手。”董超华说，气象卫星应用系统是一个专业面广、多种学科联系紧密的综合技术体系，既有科学问题，又有工程问题，必须充分论证各方对卫星的需求，这就涉及到数据格式是否规范、数据质量能否保证，是否对有质量问题的数据做了标注等诸多细节。


注重细节、严格把关——这是董超华在系统建设中秉持的一贯风格。2003年，因扩大区域数据接收范围、新建高纬度接收站的需要，她带队到黑龙江省的抚远和佳木斯两地调研。一行人跑到了多个空旷高地查看情况，详细了解包括电磁环境、地质结构和生活条件等是否满足建站要求，最后选址佳木斯城南的四丰山。调研途中，团队遭遇汽车“爆胎”侧翻，所幸有惊无险。


无数个夜以继日的鏖战，难忘的一个又一个技术攻关。为保证工程进度和质量，参研人员先后6次采取封闭式管理模式，远离城区进行研发和完成系统联调联试。


2008年上半年，取得了多项自主知识产权、依靠自主力量设计与建设的风云三号卫星地面系统投入使用。其规模和复杂程度与美国和欧洲相当，代表当时国际气象卫星地面系统的最高水平。它的建成，为我国气象业务发展，特别是数值预报业务发展提供了重要的探测手段和科学数据。


研制起点高、技术难度大！高质量的风云三号卫星资料，吸引了全球用户的目光——


那股“优质共享”的研发韧劲


第二代极轨气象卫星具备全球、全天候、三维、定量、多光谱综合观测能力。看似简单的这十余个字里，卫星和仪器载荷新技术的研发水平大幅提升。


“大家当时就憋着一股劲，要想在数据上实现共享，水平上必须同步，那么对精度的要求一定不能‘糙’。”董超华说。


观测分辨率由公里级提高到百米量级，数据量一下子增加100倍。卫星观测能力提高，数据处理能力就得跟上，地面系统设计和建设的要求也“水涨船高”。


为提高大气探测参数反演精度，董超华利用周末和晚上时间，和团队成员一起，从算法入手寻求解决途径。


高强度处理了两个月的卫星观测资料，她成功获得一万余个反演统计样本，大气温度反演误差比欧美算法提高约0.5℃，为天气预报提供了更精确的大气参数产品，在非线性定标算法和红外高光谱仪器指标敏感性试验研究方面，为星载仪器研制提供了重要依据。


2008年5月27日，我国新一代极轨气象卫星风云三号A星成功发射。随着装载仪器首次打开，遥感应用产品即将惊艳亮相。有了它，北极冰融、南极臭氧洞、台风结构、沙尘暴、火灾等一览无余。


当时，正赶上汶川地震后救援期及重建期，震区地面气象观测设备受到严重破坏。原本是科学试验卫星的风云三号A星临危受命，开始对整个汶川地区天气状况进行监测。新建成的地面系统为该星在轨功能和性能测试提供了强有力支持，星地匹配良好、运行状态稳定。


从A星到D星，风云三号大气探测仪器数据质量持续改进，微波温度、湿度、成像仪器辐射率资料、掩星探测和红外高光谱探测资料成功进入欧洲中期天气预报中心和英国气象局等国际顶尖级数值预报研究与业务运行机构系统，仪器观测精度与欧美同类仪器相当。高质量的风云三号卫星资料吸引了全球用户的目光，成为全球对地观测系统（GEOSS）的重要组成部分。


2012年，风云三号卫星和地面应用系统获国家科技进步二等奖。


砥砺创新、奋发成长、高歌壮大——半个世纪以来，无数像董超华一样的气象工作者参与见证，伴着我国卫星气象事业走过了非凡历程。这其中，作为星地一体化工程模式典范的风云三号，已成为国家统筹规划、部门协同配合的生动个例和重要印记。（中国气象报记者丁继武）