每天出现在天气预报中的风云卫星，有哪些飞行轨道？
出品：科普中国
制作：王峥
监制：中国科学院计算机网络信息中心
出门前我们习惯先看天气。但你知道面对反复无常的天气变化，我们是如何及时预报的吗？这就得说到气象卫星，比如我们熟知的“风云系列”气象卫星。
夏末秋初，9月到来，天气逐渐凉爽。恰巧，风云卫星最初发射就是在9月。
1988年9月7日，风云一号A卫星（FY-1A）发射；1990年9月3日，风云一号B卫星（FY-1B）发射。时至今日，风云卫星已经成长为一个系列。
中国的风云卫星家族有哪些成员？各自有哪些飞行轨道？为什么这样选择？
风云卫星云图（图片来源：中央气象台）
风云卫星中的四大家族
卫星首次实现了我国气象、海洋和空间环境的综合探测应用，开创了我国航天事业的新纪元。风云卫星有诸如“一号”“二号”“三号”这样的名称，但每个名称指称的并不是单颗卫星。
例如，在风云一号A卫星（FY-1A）和风云一号B卫星（FY-1B）中，“FY”是“风云”的缩写，“1”代表“一号”，A和B是它们更进一步的代号。
风云一号是我国第一代“太阳同步轨道气象卫星”，主要用于获取全球气象云图和海洋资料。同时，它还能获取昼夜可见光、红外云图，冰雪覆盖、植被、海洋水色、海面温度等，为中长期天气预报、气象和海洋科学研究、气候预测提供了必要的基本资料，也在灾害监测、环境遥感中发挥了巨大作用。
早在1977年，就形成了风云一号气象卫星的总体初步方案，之后全面开展研制工作。1985年10月，风云一号气象卫星工程被列入“七五”期间卫星型号发展的重点项目，很快在1988年风云一号A星就发射成功。
风云一号卫星系列包总共含4颗卫星。在A卫星和B卫星发射约10年后，1999年和2002年又分别发射了C卫星和D卫星。目前，4颗卫星均已失效并退役。值得一提的是，最初发射的A卫星服役时间仅有39天，但D卫星足足做了10年的“天气预报员”。
风云一号卫星（图片来源：国家卫星气象中心）
风云二号同样也不只是一颗卫星，而是由2颗试验卫星（FY-2A、FY-2B卫星）和系列业务卫星（FY-2C、FY-2D、FY-2E、FY-2F、FY-2G、FY-2H等）组成。
风云二号卫星系列可以获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图，进行天气图传真广播，收集气象、水文和海洋等数据收集平台的气象监测数据。这一系列是“地球同步轨道卫星”。
风云二号卫星（图片来源：国家卫星气象中心）
风云二号频繁的迭代保证了星地系统一年365天、每天24小时连续运行。FY-2D之后，几乎隔2年或4年就会发射一枚新的风云二号卫星，直到2018年还有2H卫星发射，几乎横跨了咱们现在年轻人的整个青少年时期，难怪天气预报节目上老有它。
这些风云二号系列卫星的设计和功能都非常相似。前一颗卫星还在工作，后一颗就上天开始观测了。也正是这样的“备份”，才能保证这十多年来的无缝对接。
大家有时还会在天气预报上听到“风云三号”。风云三号由3颗卫星组成（FY-3A卫星、FY-3B卫星、FY-3C卫星），虽然被戏称为“奥运星”，但其实只有第一颗是在接近2008年奥运会的时间发射，后两颗发射于2010和2013年。
彼时，它的任务目标是和风云二号气象卫星一起，共同为奥运会提供气象保障服务。探测对象包括地球大气环境的三维、全球、全天候、定量、高精度资料。风云三号是继承风云一号的“极轨太阳同步轨道卫星”。
风云三号01批星（图片来源：国家卫星气象中心）
至于最新的风云四号卫星，A星在2016年12月11日发射，后续自然也还会有B星。它们也是地球同步轨道卫星，继承的是风云二号的衣钵。
2017年2月27日，风云四号A星获取首批图像和数据。中国获取并发布了世界第一幅静止轨道地球大气高光谱图，同时也首次获取了彩色卫星云图和闪电分布图。
风云四号A星（图片来源：国家卫星气象中心）
这些卫星的轨道非常好记：奇数的一号和三号是“极轨”的“太阳同步轨道”卫星，偶数的二号和四号是“静止”的“地球同步轨道”卫星。
“太阳同步”，要怎么同步？
风云一号和三号是“极轨”的“太阳同步轨道”卫星。所谓“极轨”，也就是轨道经过地球南北极上空，轨道平面与地球赤道面相垂直。
但实际上，通常卫星轨道不会正好经过南极点、北极点，而是略微倾斜。所以准确地说是“近极轨”，轨道平面与赤道平面的夹角接近90度。
咱们想象一个原地自转的地球仪，地球仪侧面的支架就像轨道面一样。在宇宙空间中，没有特别的力的话，这个平面会如支架一样不动如山。那么，随着地球自转，卫星轨道就会遍历整个地球所有区域上空。
地球仪（图片来源：justglobes.uk）
但是，卫星轨道面真的不会动吗？
如果地球是个均匀球体，那倾角90度轨道的卫星正好受力均衡，轨道平面不会转动，叫做随地球“平动”。
但是，地球是个扁椭球体，扁椭球体上的各点对卫星的引力不等，而且地轴又是倾斜的。于是，卫星的轨道平面绕地轴朝着与卫星运动相反方向旋转，称为轨道平面的“进动”。所以，太阳同步轨道才要选择略微大于90°的轨道倾角。
根据计算，进动的速度大约为1°，正好使轨道平面与太阳始终保持固定的取向。也即是说，卫星的轨道平面也在进行一年360°的旋转，正好总是垂直于太阳与地球的连线，那么在地球周围转圈的卫星就不会被地球挡住，可以充分照射太阳光，也就是“太阳同步”。
因此，太阳同步轨道所同步的是，其实是地球的公转。
风云卫星选择这个轨道，对天气预报信息的获取非常有利。首先，可以最大化利用太阳能发电。其次，卫星每次飞越某地上空时，太阳都是从同一角度照射该地，通过对比拍摄的照片，可以获得更多的信息。
“地球同步静止”，在天上也能静止吗？
风云二号和四号是“静止”的“地球同步轨道”卫星。那么，它们又是怎么“静止”的呢？
其实，它们并不是在宇宙空间中停留不动，而是咱们地面的人往天上看，这颗卫星总在头顶没有飞走，就好像是静止了。
从地球上看，太阳东升西落，是因为地球一直自西向东自转。所谓“地球同步轨道”，同步的就是地球自转。卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期（23小时56分4秒），而且方向与之一致。因此，卫星总是随着地球一同旋转，与地面的位置相对保持不变。
地球同步轨道（图片来源：wikipedia）
由于地球同步轨道的轨道面与赤道平面重合，即轨道倾角为0度。所以，卫星并不能停留在任意地区（比如北京）的正上方，而是始终位于赤道某地的上空。
中国的风云卫星虽然不是在中国广袤土地的正上方，但是选择了经度匹配的经度。例如，曾选择东经105度、99.5度、79度等位置，抬头仰望，我们甚至无法捕捉到它们的身影。
然而，正是这一颗颗肉眼难以见到的卫星，不仅构成了服务于中国天气预报的卫星体系，还在气候监测、灾害监测和环境遥感等方面发挥了重要作用，为社会的发展作出了巨大贡献。