【世界新视野】观云测雨，风云三号G星有哪些“绝技”

光明日报记者 张蕾

2023年4月16日9时36分，长征四号乙遥五十一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。

(相关资料图)

由中国航天科技集团有限公司八院抓总研制的风云三号G星，作为风云卫星家族中的第20星，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。

那么，这颗卫星都有哪些技术创新？下面就让记者带你一探究竟。

双频段、高精度，对降水进行“CT扫描”

降水是全球水循环的重要过程，降水量多少和降水在时间与空间分布上的变化会极大地影响人们的生活。据统计，全球台风有三分之一左右产生于北太平洋西部，而我国正处于这一台风活动带。近年来，台风暴雨内涝成为我国部分城市面临的重要灾害，给人们的生产生活造成重大影响。

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。中国航天科技集团八院风云三号G星总指挥李海生介绍，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，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。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降水精细三维结构信息的能力，“就如同对大气降水进行CT扫描一样”。

此外，Ku、Ka双频段雷达同步工作时，大气中不同高度层的降水粒子对辐射微波信号反射率不同，由此可以区分雨雪，并对降水进行精确估计。“其中，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展降水探测能力，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1倍。”李海生解释。

全天时、全天候，“精确把脉”台风暴雨

为进一步提升对台风、暴雨等灾害性降水的高精度观测，风云三号G星除配有主动降水测量雷达外，还搭载一台微波成像仪，能够接收地球大气10~183千兆赫微波辐射能量，并进行全天时、全天候、多极化协同探测。在中国航天科技集团八院风云三号G星总设计师钱斌看来，微波成像仪就像一只高灵敏、高精度的千里眼，可以“精确把脉”台风暴雨，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。

此外，风云三号G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、云顶温度和高度、有效粒子半径、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，可谓强强联合，将测量降水的配置拉成‘顶配’，成为降水测量界的‘王炸’。”钱斌形象而幽默地比喻道。

可俯仰、可掉头，灵动跳出“太空芭蕾”

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——一段时间内，太阳照射卫星的左侧面；过了这段时间，太阳又会照射卫星的右侧面。而定量探测的需求，要求风云卫星必须有一面始终背向太阳。“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，从而保证稳定的外部热环境和单机稳定的工作环境，我们在姿轨控系统设计了自主偏航姿态机动模式，即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机动掉头。”钱斌强调。

在卫星运行的低轨道上（距离地面约407公里高度），大气密度较高，遇上太阳活动高年，卫星1天的轨道高度衰减就达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。针对这一情况，风云三号G星研制团队集智攻关，实现了轨道高度维持、偏心率与轨道相位协同自主控制，让卫星一直以固定高度经过同纬度地区上空，保障了应用效能的发挥。同时，为满足有效载荷在轨执行任务的需求，研制团队还为卫星设计了三轴任意角度的快速机动、短期姿态偏置模式，将载荷有效观测范围提高近50%。

据悉，在后续的业务运行中，风云三号G星将继续发挥“独门绝技”，与风云三号晨昏星、上午星、下午星组网形成完整的低轨气象卫星业务综合观测能力，将预报精度提高3%左右，预报时效延长24小时左右，气象灾害监测时效提高近1倍，有效监测卫星寿命周期内发生在海上的台风内部云、雨发展过程，在为台风、暴雨、暴雪等灾害性降水提供高精度观测资料的同时，也进一步提高全球数值天气预报效能。

《光明日报》（ 2023年04月18日 08版）