觀云測雨，風云三號G星有哪些“絕技”
2023年4月16日9時36分，長征四號乙遙五十一運載火箭在酒泉衛星發射中心點火升空，成功將我國首顆降水測量專用衛星風云三號G星送入預定軌道。
由中國航天科技集團有限公司八院抓總研制的風云三號G星，作為風云衛星家族中的第20星，在國際上首次采用雙頻主動降水測量雷達與被動微波、光學遙感相結合的綜合探測，實現了降水測量從“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。
那么，這顆衛星都有哪些技術創新？下面就讓記者帶你一探究竟。
雙頻段、高精度，對降水進行“CT掃描”
降水是全球水循環的重要過程，降水量多少和降水在時間與空間分布上的變化會極大地影響人們的生活。據統計，全球臺風有三分之一左右產生于北太平洋西部，而我國正處于這一臺風活動帶。近年來，臺風暴雨內澇成為我國部分城市面臨的重要災害，給人們的生產生活造成重大影響。
關于降水資料的獲取，傳統上主要通過雨量計、地基雷達等手段，但由于地面設備配置數量有限且分布不均，難以獲取大范圍高空間分辨率的地面降水信息。中國航天科技集團八院風云三號G星總指揮李海生介紹，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，將雷達觀測分辨率高和衛星觀測范圍廣的優勢結合起來，通過向大氣發射無線電磁波信號，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構信息。同時，利用雷達跨軌方向的掃描能力，實現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降水精細三維結構信息的能力，“就如同對大氣降水進行CT掃描一樣”。
此外，Ku、Ka雙頻段雷達同步工作時，大氣中不同高度層的降水粒子對輻射微波信號反射率不同，由此可以區分雨雪，并對降水進行精確估計。“其中，Ku頻段有利于探測強降水，Ka頻段則有利于探測弱降水，兩者結合形成的雙頻探測可以擴展降水探測能力，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1倍。”李海生解釋。
全天時、全天候，“精確把脈”臺風暴雨
為進一步提升對臺風、暴雨等災害性降水的高精度觀測，風云三號G星除配有主動降水測量雷達外，還搭載一臺微波成像儀，能夠接收地球大氣10~183千兆赫微波輻射能量，并進行全天時、全天候、多極化協同探測。在中國航天科技集團八院風云三號G星總設計師錢斌看來，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”臺風暴雨，獲取臺風內部溫濕結構、臺風強度、臺風影響區雨強等關鍵信息，預測臺風未來發展情況。
此外，風云三號G星搭載的光學遙感載荷——中分辨率光譜成像儀，將實現可見光/紅外云圖、云頂溫度和高度、有效粒子半徑、云形態學方面的要素探測，進而輔助判斷降水云的存在，完善微波測量的反演結果。
“主動降水測量雷達與被動微波、光學遙感相輔相成，實現降水要素的多體制聯合協同探測，可謂強強聯合，將測量降水的配置拉成‘頂配’，成為降水測量界的‘王炸’。”錢斌形象而幽默地比喻道。
可俯仰、可掉頭，靈動跳出“太空芭蕾”
風云三號G星運行在低軌低傾角的非太陽同步軌道。對于軌道上的衛星，由于光照條件不斷變化，其外部熱環境變化復雜，太陽會定期出現在軌道面的兩側——一段時間內，太陽照射衛星的左側面；過了這段時間，太陽又會照射衛星的右側面。而定量探測的需求，要求風云衛星必須有一面始終背向太陽。“為適應低軌低傾角軌道復雜的光照條件和多變的外熱流，確保衛星始終以同一側面面向太陽，從而保證穩定的外部熱環境和單機穩定的工作環境，我們在姿軌控系統設計了自主偏航姿態機動模式，即當太陽光從軌道面的一側運動到另一側時，衛星將自動轉身180°，實現從正飛到倒飛再到正飛的靈活機動掉頭。”錢斌強調。
在衛星運行的低軌道上(距離地面約407公里高度)，大氣密度較高，遇上太陽活動高年，衛星1天的軌道高度衰減就達600多米。根據任務要求，衛星軌道高度要控制在100米的偏差以內，每天需要進行3次軌道調整。針對這一情況，風云三號G星研制團隊集智攻關，實現了軌道高度維持、偏心率與軌道相位協同自主控制，讓衛星一直以固定高度經過同緯度地區上空，保障了應用效能的發揮。同時，為滿足有效載荷在軌執行任務的需求，研制團隊還為衛星設計了三軸任意角度的快速機動、短期姿態偏置模式，將載荷有效觀測范圍提高近50%。
據悉，在后續的業務運行中，風云三號G星將繼續發揮“獨門絕技”，與風云三號晨昏星、上午星、下午星組網形成完整的低軌氣象衛星業務綜合觀測能力，將預報精度提高3%左右，預報時效延長24小時左右，氣象災害監測時效提高近1倍，有效監測衛星壽命周期內發生在海上的臺風內部云、雨發展過程，在為臺風、暴雨、暴雪等災害性降水提供高精度觀測資料的同時，也進一步提高全球數值天氣預報效能。
(本報記者 張蕾)
