卫星降水测量从“被动看”到“主动探”

　　4月16日9时36分，长征四号乙运载火箭在酒泉卫星发射中心点火升空，成功将我国首颗降水测量专用卫星风云三号G星送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。

　　记者从中国航天科技集团有限公司八院获悉，风云三号G星是我国第二代低轨气象卫星系列风云三号的第7颗卫星，也是风云气象卫星连续成功发射的第20颗卫星。它在国际上首次采用双频主动降水测量雷达与被动微波、光学遥感相结合的综合探测，实现了降水测量从“被动看”到“主动探”的跨越，进一步提高了我国气象综合观测能力。

　　关注 1

　　对降水进行“CT”扫描

　　降水是全球水循环中的重要过程，降水量以及降水在时间与空间分布的变化会极大地影响人们生活。据统计，全球三分之一左右的台风产生于北太平洋西部，而我国正处于北太平洋西部台风活动带上，近年来，台风暴雨内涝成为我国部分城市面临的重要灾害之一，给人民生活造成了巨大的影响。

　　据航天八院介绍，关于降水资料的获取，传统上主要通过雨量计、地基雷达等手段，但由于地面设备配置数量有限且分布不均，难以获取大范围高空间分辨率的地面降水信息。

　　此次发射成功的风云三号G星搭载了我国首套“空中雨量计”——星载Ku、Ka双频降水测量雷达。它们将雷达观测分辨率高和卫星观测范围广的优势结合起来，通过向大气发射无线电磁波信号，接收大气中不同高度层的降水粒子反射信号，获取垂直方向不同高度层的降水结构信息，实现垂直方向降水的探测。

　　同时，利用雷达跨轨方向的扫描能力，实现对水平方向的降水探测，最终使风云三号G星具备自上而下获取三维结构信息的能力，就如同对大气降水进行“CT”扫描，获得降水精细的立体结构信息。

　　此外，风云三号G星Ku频段和Ka频段雷达同步工作，可以利用大气中不同高度层的降水粒子对两个频段雷达辐射的微波信号的反射率不同的特性，区分雨和雪，并对降水进行精确估计。

　　Ku频段有利于探测强降水，Ka频段则有利于探测弱降水，两者结合形成的双频探测，可以扩大降水探测能力，提高降水反演精度，精准感知407公里轨道高度内地球大气0.2毫米/小时如毛毛雨般的降水强度变化，比国外同类仪器在相同灵敏度下的距离分辨率提高了一倍，可获取更精细的降水三维结构信息。

　　关注 2

　　可预测台风未来发展情况

　　为了进一步提升对台风、暴雨等灾害性降水的高精度观测，风云三号G星瞄准了“高探测灵敏度、高探测精度、多体制联合探测”的发展方向。除了主动降水测量雷达，卫星还搭载了一台全新升级换代的仪器——微波成像仪。

　　作为国内首次配置的降水型多通道、高灵敏、高精度的辐射计，微波成像仪将在国内首次实现9频点26通道一体化探测。它可以接收地球大气10~183GHz微波辐射能量，进行全天时、全天候、多极化协同探测。

　　航天八院专家告诉记者，这就像高灵敏、高精度的千里眼，可获取台风内部温湿结构、台风强度、台风影响区雨强等关键信息，预测台风未来发展情况，对台风暴雨“精确把脉”。

　　此外，卫星搭载的光学遥感载荷——中分辨率光谱成像仪将实现可见光/红外云图、云顶温度、云顶高度、有效粒子半径和云形态学方面的要素探测，进而辅助判断降水云的存在，完善微波测量的反演结果。

　　主动降水测量雷达与被动微波、光学遥感相辅相成，实现降水要素的多体制联合协同探测，将测量降水的配置拉成“顶配”。

　　关注 3

　　可俯仰、可掉头 适应低轨低倾角

　　风云三号G星运行在低轨低倾角的非太阳同步轨道，对于轨道上的卫星，由于光照条件的不断变化，其外部热环境变化复杂，太阳会定期出现在轨道面的两侧。

　　但风云卫星定量探测的需求，要求卫星有一面必须始终背向太阳，为适应低轨低倾角轨道复杂的光照条件和多变的外热流，确保卫星始终以同一侧面面向太阳，保证稳定的外部热环境和单机稳定的工作环境，姿轨控系统设计了自主偏航姿态机动模式。

　　据介绍，当太阳光从轨道面的一侧运动到另一侧时，卫星将自动转身180°，实现从正飞到倒飞，再到正飞的灵活掉头机动。

　　此外，卫星运行在距离地面约407公里高度的低轨道上，大气密度较高，在太阳活动高年，卫星一天的轨道高度衰减可达600多米。根据任务要求，卫星轨道高度要控制在100米的偏差以内，每天需要进行3次轨道调整。

　　针对这种情况，风云三号G星研制团队实现了卫星轨道高度维持、偏心率与轨道相位协同自主控制，使得卫星一直以固定高度经过同纬度地区上空，保障了卫星业务应用效能的发挥。同时，为了满足有效载荷在轨执行任务的需求，卫星设计了三轴任意角度的快速机动、短期姿态偏置模式，使得载荷有效观测范围提高近50%。

　　为保证卫星超长寿命业务化运行，系统全面的保障措施必不可少。据介绍，风云三号G星研制团队设计了单机级、系统级的故障诊断，采用多层敏感器信息融合故障诊断技术，可在单个星敏感器、两个星敏感器、多个星敏感器之间进行姿态基准切换，并根据卫星需求完成故障诊断和姿态调整，真正意义上实现“灵动”。

　　卫星采用陀螺多表头信息完备诊断与不同轴陀螺表头重构，飞轮诊断与故障剔除等技术手段，使各部位有效备份，实现实时姿态安全监控，提高了平台可靠性，保证了卫星在轨稳定运行。

　　关注 4

　　数据获取时间从16小时缩至3小时内

　　由于风云三号G星运行时并不经过南北极，无法借用南北极的卫星接收站的数据中转功能，如果仅靠国内卫星地面站来接收监测资料，可能需要16个小时才能完成数据同步，这无法满足降水天气应用的时效需求。如何解决这一难题？

　　“最后，我们通过中继技术实现了数据传输，将数据获取时间从16小时压缩到3小时内，这也是民用卫星首次使用中继技术开展业务数据传输。”风云三号G星地面系统总设计师谷松岩解释，当风云三号G星飞过中继卫星时，把观测数据及时上传至中继卫星，中继卫星再将数据传到地面站，这相当于把南北极卫星接收站放到了天上的中继卫星上，从而使数据获取时效达到预期效果。

　　风云三号G星主要用于监测降水，可为世界提供全球中低纬地区降水三维结构信息，因此也被称为“降水星”。预计到2026年前后，风云三号将形成由两颗降水星和5颗业务极轨气象卫星组成的星座体系。

　　新京报记者 张建林 王景曦