百团百项｜AI+航天”助力看准云雨

转载自：上海卫星

为贯彻落实上海市《关于人工智能“模塑申城”的实施方案》，加快推动人工智能引领科研范式变革，建立“产业出题，科学家答题，人工智能解题”的联合攻关模式。上海市经济和信息化委员会设立“百团百项”专项工程。由上海卫星工程研究所牵头申报的“基于ai的大口径多曲面微波载荷天线方向图确定技术”项目成功入选该专项，标志着上海卫星在“ai+航天”融合创新的方向上取得了重要进展。

微波探测具有穿云透雨的特点，能够通过对云雨大气及其内部结构的三维监测，有效捕捉台风、流域性降水等灾害性天气及其演变过程，因此在数值天气预报系统中成为贡献最大的观测数据源。

上海卫星工程研究所作为总体参与研制的全球首颗静止轨道微波气象卫星装载毫米波亚毫米波探测仪，可实现对大气温湿度要素全天时、全天候、大范围的高频次三维探测，大幅提升包括台风路径和强度预报在内的预报预警能力，可助推实现世界气象探测领域新的飞跃。

静止轨道微波探测卫星

静止轨道微波探测卫星装载的大口径微波天线，口径达5米，在太空环境中需承受零下130°c至130°c的巨大温差变化。为确保在3.6万公里高度实现大气温湿度的高精度定量探测，该天线的型面精度必须控制在百微米以内(约一根头发丝粗细)，这对在轨测量与控制提出了极大挑战。

大口径复杂面型微波探测天线的精确方向图确定决定了卫星在轨应用效能，在上海市经信委科学智能“百团百项”专项支持下，项目团队聚焦静止轨道微波探测的一项关键能力一一天线方向图的精确确定，推动ai+航天工程的深度融合。项目由上海卫星工程研究所团队牵头，联合复旦大学两支团队协同攻关：领域科学家张峰教授团队负责典型气象观测场景的应用和效能评估；ai科学家单洪明教授团队负责人工智能模型和算法开发，工业部门和高校研用结合，ai+航天实现更精准观测和服务。

为什么微波载荷方向图“看不见”，却决定数据“准不准”?

天线方向图畸变对比(左图为变形前，右图为变形后)

天线方向图可以理解为天线的“观测响应特性”：它决定载荷实际“看向哪里”、信号能量如何分布、边缘是否拖尾，直接影响定位配准、辐射测量和温湿度等参数反演的精度和稳定性。静止轨道微波探测对天线精度要求极高，因为卫星在地球赤道上空3.6万公里的高度“定点”工作，哪怕只有0.1°的微小偏差，投影到地面将变成几十公里的位置偏差，直接影响对天气预报的偏差。

静止轨道环境极端复杂，在太空中太阳照射与地球遮挡交替带来温度的剧烈变化，大口径多曲面天线结构变形、微振动等扰动影响不可忽略，最终表现为天线方向的指向漂移、能力集中度下降。如果不能及时掌握方向图的真实状态，后续再精细的算法也将在“错误输入”条件下，降低精度和稳定性。

传统基于物理结构、热及辐射的物理模型仿真虽能够计算方向图变化，但存在链路长、效率低的缺陷，难以满足静止轨道高频观测对天线方向图误差“实时获取、快速更新”的需求。因此，需要一种既贴近物理机理、又更高效可用的新方法，ai技术的应用，可有效解决上述短板。

怎么做：让ai既“算得快”，也“算得准、算得稳”

项目的核心思路，是把天线方向图随环境与结构变化而产生的复杂机理过程，使用ai进行信息挖掘和计算加速：一方面把物理规律与工程约束融入ai模型，实现力学、热变形、辐射等多领域耦合信息的充分挖掘，让输出结果稳定可靠；另一方面用ai提升计算速度，满足静止轨道高频观测对天线方向图误差“快速更新”的需求，能够直接服务载荷运行与数据处理链路。

天线方向图ai预测模型

多源信息融合，把影响因素“看全”。天线方向图变化由多因素耦合触发，热环境变化引起结构热变形影响观测方向，结构形变与微振动共同作用又会进一步影响电磁性能。项目以“工程可用”为目标，将与方向图相关的关键要素纳入统一建模框架。

星地协同应用，持续迭代优化。方向图确定最终要进入卫星观测数据配准、定标与反演等数据处理链路，并接受工程检验。面向实际应用，团队从输出对接业务链路、可验证可迭代和构建地面大模型训练等方面深入挖掘。

地面端模型与在轨应用模型

在“百团百项”的牵引下，团队以真实工程需求为导向，将人工智能深度嵌入卫星总体设计的关键环节。在追求技术精准可靠的同时，进一步强调工程应用的可行性与流程的深度融合，全力推动形成可落地、可迁移的技术解决方案，为后续任务应用于同类平台能力建设筑牢坚实根基。

面向未来，团队仍将以“功成不必在我”与“功成必定有我”的担当，勇挑重担、锐意进取，持续深耕航天智能化领域，以创新驱动发展，以实干成就梦想，为推动上海卫星高质量发展奠定坚实基础。

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上观号作者：上海经信委