觀云測(cè)雨，風(fēng)云三號(hào)G星有哪些“絕技”

2023年4月16日9時(shí)36分，長(zhǎng)征四號(hào)乙遙五十一運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空，成功將我國首顆降水測(cè)量專用衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)G星送入預(yù)定軌道。

由中國航天科技集團(tuán)有限公司八院抓總研制的風(fēng)云三號(hào)G星，作為風(fēng)云衛(wèi)星家族中的第20星，在國際上首次采用雙頻主動(dòng)降水測(cè)量雷達(dá)與被動(dòng)微波、光學(xué)遙感相結(jié)合的綜合探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了降水測(cè)量從“被動(dòng)看”到“主動(dòng)探”的跨越，進(jìn)一步提高了我國氣象綜合觀測(cè)能力。

那么，這顆衛(wèi)星都有哪些技術(shù)創(chuàng)新？下面就讓記者帶你一探究竟。

雙頻段、高精度，對(duì)降水進(jìn)行“CT掃描”

降水是全球水循環(huán)的重要過程，降水量多少和降水在時(shí)間與空間分布上的變化會(huì)極大地影響人們的生活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球臺(tái)風(fēng)有三分之一左右產(chǎn)生于北太平洋西部，而我國正處于這一臺(tái)風(fēng)活動(dòng)帶。近年來，臺(tái)風(fēng)暴雨內(nèi)澇成為我國部分城市面臨的重要災(zāi)害，給人們的生產(chǎn)生活造成重大影響。

關(guān)于降水資料的獲取，傳統(tǒng)上主要通過雨量計(jì)、地基雷達(dá)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。中國航天科技集團(tuán)八院風(fēng)云三號(hào)G星總指揮李海生介紹，風(fēng)云三號(hào)G星搭載了我國首套“空中雨量計(jì)”——星載Ku、Ka雙頻降水測(cè)量雷達(dá)，將雷達(dá)觀測(cè)分辨率高和衛(wèi)星觀測(cè)范圍廣的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，通過向大氣發(fā)射無線電磁波信號(hào)，接收大氣中不同高度層的降水粒子反射信號(hào)，獲取垂直方向不同高度層的降水結(jié)構(gòu)信息。同時(shí)，利用雷達(dá)跨軌方向的掃描能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)水平方向的降水探測(cè)，最終使風(fēng)云三號(hào)G星具備自上而下獲取降水精細(xì)三維結(jié)構(gòu)信息的能力，“就如同對(duì)大氣降水進(jìn)行CT掃描一樣”。

此外，Ku、Ka雙頻段雷達(dá)同步工作時(shí)，大氣中不同高度層的降水粒子對(duì)輻射微波信號(hào)反射率不同，由此可以區(qū)分雨雪，并對(duì)降水進(jìn)行精確估計(jì)。“其中，Ku頻段有利于探測(cè)強(qiáng)降水，Ka頻段則有利于探測(cè)弱降水，兩者結(jié)合形成的雙頻探測(cè)可以擴(kuò)展降水探測(cè)能力，提高降水反演精度，精準(zhǔn)感知407公里軌道高度內(nèi)地球大氣0.2毫米/小時(shí)如毛毛雨般的降水強(qiáng)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1倍。”李海生解釋。

全天時(shí)、全天候，“精確把脈”臺(tái)風(fēng)暴雨

為進(jìn)一步提升對(duì)臺(tái)風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性降水的高精度觀測(cè)，風(fēng)云三號(hào)G星除配有主動(dòng)降水測(cè)量雷達(dá)外，還搭載一臺(tái)微波成像儀，能夠接收地球大氣10~183千兆赫微波輻射能量，并進(jìn)行全天時(shí)、全天候、多極化協(xié)同探測(cè)。在中國航天科技集團(tuán)八院風(fēng)云三號(hào)G星總設(shè)計(jì)師錢斌看來，微波成像儀就像一只高靈敏、高精度的千里眼，可以“精確把脈”臺(tái)風(fēng)暴雨，獲取臺(tái)風(fēng)內(nèi)部溫濕結(jié)構(gòu)、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、臺(tái)風(fēng)影響區(qū)雨強(qiáng)等關(guān)鍵信息，預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)未來發(fā)展情況。

此外，風(fēng)云三號(hào)G星搭載的光學(xué)遙感載荷——中分辨率光譜成像儀，將實(shí)現(xiàn)可見光/紅外云圖、云頂溫度和高度、有效粒子半徑、云形態(tài)學(xué)方面的要素探測(cè)，進(jìn)而輔助判斷降水云的存在，完善微波測(cè)量的反演結(jié)果。

“主動(dòng)降水測(cè)量雷達(dá)與被動(dòng)微波、光學(xué)遙感相輔相成，實(shí)現(xiàn)降水要素的多體制聯(lián)合協(xié)同探測(cè)，可謂強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，將測(cè)量降水的配置拉成‘頂配’，成為降水測(cè)量界的‘王炸’。”錢斌形象而幽默地比喻道。

可俯仰、可掉頭，靈動(dòng)跳出“太空芭蕾”

風(fēng)云三號(hào)G星運(yùn)行在低軌低傾角的非太陽同步軌道。對(duì)于軌道上的衛(wèi)星，由于光照條件不斷變化，其外部熱環(huán)境變化復(fù)雜，太陽會(huì)定期出現(xiàn)在軌道面的兩側(cè)——一段時(shí)間內(nèi)，太陽照射衛(wèi)星的左側(cè)面；過了這段時(shí)間，太陽又會(huì)照射衛(wèi)星的右側(cè)面。而定量探測(cè)的需求，要求風(fēng)云衛(wèi)星必須有一面始終背向太陽。“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，從而保證穩(wěn)定的外部熱環(huán)境和單機(jī)穩(wěn)定的工作環(huán)境，我們?cè)谧塑壙叵到y(tǒng)設(shè)計(jì)了自主偏航姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式，即當(dāng)太陽光從軌道面的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)時(shí)，衛(wèi)星將自動(dòng)轉(zhuǎn)身180°，實(shí)現(xiàn)從正飛到倒飛再到正飛的靈活機(jī)動(dòng)掉頭。”錢斌強(qiáng)調(diào)。

在衛(wèi)星運(yùn)行的低軌道上(距離地面約407公里高度)，大氣密度較高，遇上太陽活動(dòng)高年，衛(wèi)星1天的軌道高度衰減就達(dá)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(jìn)行3次軌道調(diào)整。針對(duì)這一情況，風(fēng)云三號(hào)G星研制團(tuán)隊(duì)集智攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了軌道高度維持、偏心率與軌道相位協(xié)同自主控制，讓衛(wèi)星一直以固定高度經(jīng)過同緯度地區(qū)上空，保障了應(yīng)用效能的發(fā)揮。同時(shí)，為滿足有效載荷在軌執(zhí)行任務(wù)的需求，研制團(tuán)隊(duì)還為衛(wèi)星設(shè)計(jì)了三軸任意角度的快速機(jī)動(dòng)、短期姿態(tài)偏置模式，將載荷有效觀測(cè)范圍提高近50%。

據(jù)悉，在后續(xù)的業(yè)務(wù)運(yùn)行中，風(fēng)云三號(hào)G星將繼續(xù)發(fā)揮“獨(dú)門絕技”，與風(fēng)云三號(hào)晨昏星、上午星、下午星組網(wǎng)形成完整的低軌氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)綜合觀測(cè)能力，將預(yù)報(bào)精度提高3%左右，預(yù)報(bào)時(shí)效延長(zhǎng)24小時(shí)左右，氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)時(shí)效提高近1倍，有效監(jiān)測(cè)衛(wèi)星壽命周期內(nèi)發(fā)生在海上的臺(tái)風(fēng)內(nèi)部云、雨發(fā)展過程，在為臺(tái)風(fēng)、暴雨、暴雪等災(zāi)害性降水提供高精度觀測(cè)資料的同時(shí)，也進(jìn)一步提高全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)效能。

(本報(bào)記者 張蕾)