每日熱訊!衛(wèi)星降水測量從“被動看”到“主動探”

4月16日9時36分，長征四號乙運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空，成功將我國首顆降水測量專用衛(wèi)星風云三號G星送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。

(資料圖)

記者從中國航天科技集團有限公司八院獲悉，風云三號G星是我國第二代低軌氣象衛(wèi)星系列風云三號的第7顆衛(wèi)星，也是風云氣象衛(wèi)星連續(xù)成功發(fā)射的第20顆衛(wèi)星。它在國際上首次采用雙頻主動降水測量雷達與被動微波、光學(xué)遙感相結(jié)合的綜合探測，實現(xiàn)了降水測量從“被動看”到“主動探”的跨越，進一步提高了我國氣象綜合觀測能力。

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對降水進行“CT”掃描

降水是全球水循環(huán)中的重要過程，降水量以及降水在時間與空間分布的變化會極大地影響人們生活。據(jù)統(tǒng)計，全球三分之一左右的臺風產(chǎn)生于北太平洋西部，而我國正處于北太平洋西部臺風活動帶上，近年來，臺風暴雨內(nèi)澇成為我國部分城市面臨的重要災(zāi)害之一，給人民生活造成了巨大的影響。

據(jù)航天八院介紹，關(guān)于降水資料的獲取，傳統(tǒng)上主要通過雨量計、地基雷達等手段，但由于地面設(shè)備配置數(shù)量有限且分布不均，難以獲取大范圍高空間分辨率的地面降水信息。

此次發(fā)射成功的風云三號G星搭載了我國首套“空中雨量計”——星載Ku、Ka雙頻降水測量雷達。它們將雷達觀測分辨率高和衛(wèi)星觀測范圍廣的優(yōu)勢結(jié)合起來，通過向大氣發(fā)射無線電磁波信號，接收大氣中不同高度層的降水粒子反射信號，獲取垂直方向不同高度層的降水結(jié)構(gòu)信息，實現(xiàn)垂直方向降水的探測。

同時，利用雷達跨軌方向的掃描能力，實現(xiàn)對水平方向的降水探測，最終使風云三號G星具備自上而下獲取三維結(jié)構(gòu)信息的能力，就如同對大氣降水進行“CT”掃描，獲得降水精細的立體結(jié)構(gòu)信息。

此外，風云三號G星Ku頻段和Ka頻段雷達同步工作，可以利用大氣中不同高度層的降水粒子對兩個頻段雷達輻射的微波信號的反射率不同的特性，區(qū)分雨和雪，并對降水進行精確估計。

Ku頻段有利于探測強降水，Ka頻段則有利于探測弱降水，兩者結(jié)合形成的雙頻探測，可以擴大降水探測能力，提高降水反演精度，精準感知407公里軌道高度內(nèi)地球大氣0.2毫米/小時如毛毛雨般的降水強度變化，比國外同類儀器在相同靈敏度下的距離分辨率提高了一倍，可獲取更精細的降水三維結(jié)構(gòu)信息。

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可預(yù)測臺風未來發(fā)展情況

為了進一步提升對臺風、暴雨等災(zāi)害性降水的高精度觀測，風云三號G星瞄準了“高探測靈敏度、高探測精度、多體制聯(lián)合探測”的發(fā)展方向。除了主動降水測量雷達，衛(wèi)星還搭載了一臺全新升級換代的儀器——微波成像儀。

作為國內(nèi)首次配置的降水型多通道、高靈敏、高精度的輻射計，微波成像儀將在國內(nèi)首次實現(xiàn)9頻點26通道一體化探測。它可以接收地球大氣10~183GHz微波輻射能量，進行全天時、全天候、多極化協(xié)同探測。

航天八院專家告訴記者，這就像高靈敏、高精度的千里眼，可獲取臺風內(nèi)部溫濕結(jié)構(gòu)、臺風強度、臺風影響區(qū)雨強等關(guān)鍵信息，預(yù)測臺風未來發(fā)展情況，對臺風暴雨“精確把脈”。

此外，衛(wèi)星搭載的光學(xué)遙感載荷——中分辨率光譜成像儀將實現(xiàn)可見光/紅外云圖、云頂溫度、云頂高度、有效粒子半徑和云形態(tài)學(xué)方面的要素探測，進而輔助判斷降水云的存在，完善微波測量的反演結(jié)果。

主動降水測量雷達與被動微波、光學(xué)遙感相輔相成，實現(xiàn)降水要素的多體制聯(lián)合協(xié)同探測，將測量降水的配置拉成“頂配”。

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可俯仰、可掉頭?適應(yīng)低軌低傾角

風云三號G星運行在低軌低傾角的非太陽同步軌道，對于軌道上的衛(wèi)星，由于光照條件的不斷變化，其外部熱環(huán)境變化復(fù)雜，太陽會定期出現(xiàn)在軌道面的兩側(cè)。

但風云衛(wèi)星定量探測的需求，要求衛(wèi)星有一面必須始終背向太陽，為適應(yīng)低軌低傾角軌道復(fù)雜的光照條件和多變的外熱流，確保衛(wèi)星始終以同一側(cè)面面向太陽，保證穩(wěn)定的外部熱環(huán)境和單機穩(wěn)定的工作環(huán)境，姿軌控系統(tǒng)設(shè)計了自主偏航姿態(tài)機動模式。

據(jù)介紹，當太陽光從軌道面的一側(cè)運動到另一側(cè)時，衛(wèi)星將自動轉(zhuǎn)身180°，實現(xiàn)從正飛到倒飛，再到正飛的靈活掉頭機動。

此外，衛(wèi)星運行在距離地面約407公里高度的低軌道上，大氣密度較高，在太陽活動高年，衛(wèi)星一天的軌道高度衰減可達600多米。根據(jù)任務(wù)要求，衛(wèi)星軌道高度要控制在100米的偏差以內(nèi)，每天需要進行3次軌道調(diào)整。

針對這種情況，風云三號G星研制團隊實現(xiàn)了衛(wèi)星軌道高度維持、偏心率與軌道相位協(xié)同自主控制，使得衛(wèi)星一直以固定高度經(jīng)過同緯度地區(qū)上空，保障了衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用效能的發(fā)揮。同時，為了滿足有效載荷在軌執(zhí)行任務(wù)的需求，衛(wèi)星設(shè)計了三軸任意角度的快速機動、短期姿態(tài)偏置模式，使得載荷有效觀測范圍提高近50%。

為保證衛(wèi)星超長壽命業(yè)務(wù)化運行，系統(tǒng)全面的保障措施必不可少。據(jù)介紹，風云三號G星研制團隊設(shè)計了單機級、系統(tǒng)級的故障診斷，采用多層敏感器信息融合故障診斷技術(shù)，可在單個星敏感器、兩個星敏感器、多個星敏感器之間進行姿態(tài)基準切換，并根據(jù)衛(wèi)星需求完成故障診斷和姿態(tài)調(diào)整，真正意義上實現(xiàn)“靈動”。

衛(wèi)星采用陀螺多表頭信息完備診斷與不同軸陀螺表頭重構(gòu)，飛輪診斷與故障剔除等技術(shù)手段，使各部位有效備份，實現(xiàn)實時姿態(tài)安全監(jiān)控，提高了平臺可靠性，保證了衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行。

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數(shù)據(jù)獲取時間從16小時縮至3小時內(nèi)

由于風云三號G星運行時并不經(jīng)過南北極，無法借用南北極的衛(wèi)星接收站的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能，如果僅靠國內(nèi)衛(wèi)星地面站來接收監(jiān)測資料，可能需要16個小時才能完成數(shù)據(jù)同步，這無法滿足降水天氣應(yīng)用的時效需求。如何解決這一難題？

“最后，我們通過中繼技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)獲取時間從16小時壓縮到3小時內(nèi)，這也是民用衛(wèi)星首次使用中繼技術(shù)開展業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。”風云三號G星地面系統(tǒng)總設(shè)計師谷松巖解釋，當風云三號G星飛過中繼衛(wèi)星時，把觀測數(shù)據(jù)及時上傳至中繼衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星再將數(shù)據(jù)傳到地面站，這相當于把南北極衛(wèi)星接收站放到了天上的中繼衛(wèi)星上，從而使數(shù)據(jù)獲取時效達到預(yù)期效果。

風云三號G星主要用于監(jiān)測降水，可為世界提供全球中低緯地區(qū)降水三維結(jié)構(gòu)信息，因此也被稱為“降水星”。預(yù)計到2026年前后，風云三號將形成由兩顆降水星和5顆業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)星組成的星座體系。

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