我國首顆降水星
——風(fēng)云三號G 星任務(wù)概況

張鵬 谷松巖 商建 張宏偉 陳林 林曼筠 朱愛軍 賈樹澤 武勝利 咸迪

（國家衛(wèi)星氣象中心）

1 引言

2023年4月16日，我國首顆降水測量衛(wèi)星風(fēng)云三號G 星（又稱降水星）搭乘長征四號乙遙五十一運(yùn)載火箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，標(biāo)志著我國成為全球唯一同時業(yè)務(wù)運(yùn)行上午、下午、晨昏、傾斜4 條軌道極軌衛(wèi)星的國家。

降水是地球氣候系統(tǒng)能量和水循環(huán)的重要過程，對降水系統(tǒng)瞬時結(jié)構(gòu)和全球分布特征的認(rèn)識，是人們理解全球氣候變化的重要內(nèi)容。地球氣候系統(tǒng)的降水過程主要發(fā)生在熱帶，氣象衛(wèi)星是實現(xiàn)熱帶降水探測唯一有效的技術(shù)手段。

1997年，美日聯(lián)合實施熱帶降水測量計劃TRMM，發(fā)射了裝載降水雷達(dá)（PR）、微波成像儀（TMI）、可見光紅外掃描儀（VIRS）、云和地球輻射能量測量系統(tǒng)（CERES）和閃電成像儀（LIS）的TRMM 衛(wèi)星（Kummerow，1998），多種遙感器聯(lián)合實現(xiàn)了熱帶降水的星載探測，其資料在熱帶降水測量、降水預(yù)報準(zhǔn)確率提高、暴雨以及熱帶氣旋研究等方面發(fā)揮了重要應(yīng)用價值，開啟了全球降水星載遙感探測時代，初步揭示了熱帶地區(qū)降水的基本氣候?qū)W特征。TRMM 之后，美國接續(xù)發(fā)起了全球降水測量計劃（GPM），于2014年發(fā)射了GPM 核心衛(wèi)星。借助比TRMM/PR 功能更強(qiáng)的Ka/Ku 雙頻降水測量雷達(dá)（DPR），獲取地球南北緯65°范圍內(nèi)的降水信息，精確獲取中高緯地區(qū)弱降水及固態(tài)降水，進(jìn)一步加深了人們對降水三維精細(xì)結(jié)構(gòu)和全球分布特征的認(rèn)識。

從2006年開始，針對我國天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中對地面降水進(jìn)行主動立體監(jiān)測的迫切需求，我國氣象衛(wèi)星科技工作者就已經(jīng)開始著手謀劃通過氣象衛(wèi)星對地球表面的降水進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測。在氣象和航天工作者的共同努力下，于2010年突破了衛(wèi)星載荷原理樣機(jī)技術(shù)，2014年完成了衛(wèi)星使用要求確定，2015年研制方案通過了專家評審，2018年正式啟動天地一體化五大系統(tǒng)研制工作。

2 科學(xué)目標(biāo)與任務(wù)

風(fēng)云三號G 星的科學(xué)目標(biāo)主要包括：通過星地雷達(dá)融合應(yīng)用實現(xiàn)全球三維大氣、云和降水結(jié)構(gòu)探測，揭示降水系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)；深化對降水和云微物理特征的科學(xué)認(rèn)識；提升臺風(fēng)、暴雨和其他極端災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)報精度，在生態(tài)環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)、健康等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

風(fēng)云三號G 星主要創(chuàng)新點(diǎn)包括：

1）填補(bǔ)了我國星載降雨測量雷達(dá)探測的空白，實現(xiàn)了Ka/Ku 雙頻降水測量雷達(dá)探測降水系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)，“風(fēng)云”衛(wèi)星成為國際上唯一擁有上午、下午、晨昏和傾斜4 條低軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的衛(wèi)星系列。

2）國內(nèi)民用系列遙感衛(wèi)星中率先使用中繼技術(shù)實現(xiàn)降水星數(shù)據(jù)傳輸，提升數(shù)據(jù)時效，支撐降水星資料的天氣應(yīng)用。

3）國產(chǎn)衛(wèi)星星載被動微波輻射計首次實現(xiàn)成像與探測的一體化設(shè)計，利用設(shè)置在10 ～183GHz 間雙氧和水汽吸收通道與傳統(tǒng)微波窗區(qū)通道協(xié)和反演降水參數(shù)，有效提升陸地弱降水和北方固態(tài)降水的星載探測能力。

4）利用該星與其他太陽同步軌道及靜止軌道衛(wèi)星的交匯特征，建立輻射基準(zhǔn)的空間傳遞鏈路，將降水星上高精度星上定標(biāo)器及微波成像儀輻射定標(biāo)結(jié)果，溯源傳遞到其他風(fēng)云衛(wèi)星，建立風(fēng)云輻射基準(zhǔn)體系。

5）通過該星目標(biāo)觀測能力，實現(xiàn)預(yù)報牽引下降水系統(tǒng)的目標(biāo)探測，以及探測結(jié)果與預(yù)報模式的同化應(yīng)用，建立預(yù)報-探測-預(yù)報的閉合環(huán)路，探索支撐我國暴雨預(yù)報精度提升的技術(shù)新途徑。

3 有效載荷配置

為了實現(xiàn)降水觀測科學(xué)目標(biāo)，風(fēng)云三號G 星配置6臺有效載荷，其中Ka/Ku雙頻降水測量雷達(dá)（PMR）、高精度定標(biāo)器（HAOC）、短波紅外偏振多角度成像儀（PMAI）為全新研制，成像與探測一體化設(shè)計的微波成像儀-降水型（MWRI-RM）、中分辨率光譜成像儀-降水型（MERSI-RM）為升級改進(jìn)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀-Ⅱ型（GNOS-Ⅱ）為業(yè)務(wù)繼承。

（1）降水測量雷達(dá)

PMR 是風(fēng)云三號G 星的主載荷，星下點(diǎn)水平分辨率5km，采用Ku 和Ka 雙波段觀測臺風(fēng)、暴雨、暴雪等大氣降水的三維滴譜特性，其測量參數(shù)獨(dú)立于背景輻射且與降水直接相關(guān)，可以反演得到比被動遙感更準(zhǔn)確的降水強(qiáng)度；還可以獲得降水類型、降水層高度等其他豐富的降水信息。PMR 的幅寬超過300km，在水平分辨率相同的條件下，PMR 的刈幅寬度大于PR 和DPR，可以覆蓋更多的降水事件。PMR 的天線峰值旁瓣電平≤30dB，優(yōu)于DPR 和PR，有利于抑制地雜波的影響，降低測量誤差。

降水測量雷達(dá)

（2）微波成像儀-降水型

微波成像儀-降水型是降水星的主載荷之一，是風(fēng)云三號02 批微波成像儀的升級版，在其基礎(chǔ)上增加了溫度探測通道54GHz、弱降水探測通道118GHz+166GHz 以及濕度探測通道183GHz 等，提高了降水、大氣溫濕廓線探測能力和性能指標(biāo)，探測通道數(shù)達(dá)到26 個。微波成像儀-降水型是圓錐掃描的全功率輻射計，工作目標(biāo)為采集地球表面的微波輻射，開展全球中低緯降水測量服務(wù)。

微波成像儀-降水型

（3）中分辨率光譜成像儀-降水型

中分辨率光譜成像儀-降水型是風(fēng)云三號G 星配置的光學(xué)成像類儀器，所有通道的星下點(diǎn)空間分辨率均達(dá)到500m，幅寬約1000km。儀器保留了主要用于探測云和降水的通道，獲取可見光/紅外云圖、云頂溫度、云頂高度、有效粒子半徑等宏微觀參數(shù)，進(jìn)而輔助判斷降水云的存在。利用其高空間分辨率和大幅寬的特點(diǎn)，配合主動雷達(dá)和微波成像儀等微波儀器實現(xiàn)降水和云雨大氣參數(shù)遙感探測。此外，目前靜止軌道氣象衛(wèi)星使用紅外通道估計降水，因此MERSI-RM 還是聯(lián)系低軌道衛(wèi)星微波降水測量結(jié)果與靜止軌道衛(wèi)星紅外降水估計結(jié)果的橋梁。

中分辨率光譜成像儀-降水型

（4）全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀-Ⅱ型

全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀Ⅱ型在繼承風(fēng)云三號E 星掩星和反射信號一體化探測基礎(chǔ)上，提供在軌實時濾波精密定軌結(jié)果，在407km 軌道高度上，有望實現(xiàn)基于精密定軌的軌道大氣密度反演和更高精度的GNSS-R 海面風(fēng)場及土壤濕度等產(chǎn)品的反演。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀-II 型

（5）高精度定標(biāo)器

高精度定標(biāo)器

高精度定標(biāo)器是推掃式成像光譜儀，通過Offner光柵分光技術(shù)獲得地球反射太陽在可見-近紅外波段（400～1060nm）的光譜圖像，并伴隨衛(wèi)星飛行收集一系列幅寬50km 的對地推掃觀測圖像，從而形成一個包含二維空間圖像和一維光譜信息的高光譜圖像立方體。定標(biāo)器將首次開展在軌太陽交叉定標(biāo)技術(shù)驗證試驗，演示將地球輻射信號與穩(wěn)定自然光源——太陽相聯(lián)系的國際單位制標(biāo)準(zhǔn)溯源鏈路，以及將高精度輻射定標(biāo)結(jié)果傳遞給同平臺或其他衛(wèi)星可見/近紅外遙感儀器的輻射傳遞鏈路，為未來構(gòu)建太陽反射波段高精度（＜0.3%，k=2）空間輻射定標(biāo)基準(zhǔn)、開展地球反射太陽輻射的氣候?qū)W長期資料記錄奠定研究基礎(chǔ)。

（6）短波紅外偏振多角度成像儀

短波紅外偏振多角度成像儀是風(fēng)云衛(wèi)星系列的首臺多角度偏振遙感儀器，是國內(nèi)首次具備短波紅外波段的偏振多角度衛(wèi)星觀測能力，通過廣角光學(xué)鏡頭+偏振與光譜濾光輪+面陣探測器的觀測體制，探索為實現(xiàn)云、氣溶膠和地表等相關(guān)參數(shù)的高精度定量化反演提供最豐富的觀測信息，致力于提高在天氣預(yù)報、氣候變化和地球環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的能力。

短波紅外偏振多角度成像儀

4 衛(wèi)星工程方案

風(fēng)云三號G 星工程任務(wù)由衛(wèi)星系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)六大系統(tǒng)組成。風(fēng)云三號G 星以“一箭單星”方式發(fā)射，入軌后運(yùn)行在高度407km、傾角50°的非太陽同步傾斜軌道。

衛(wèi)星系統(tǒng)

風(fēng)云三號G 星平臺基于SAST-3000 衛(wèi)星公用平臺，具有滾動、俯仰、偏航等三軸機(jī)動能力，星上主被動微波和光學(xué)遙感儀器共存。衛(wèi)星本體由衛(wèi)星平臺和載荷艙組成，采取模塊化設(shè)計，包含服務(wù)平臺、有效載荷艙及總裝直屬件等。其中衛(wèi)星服務(wù)平臺采用“中心承力筒+結(jié)構(gòu)板”的箱式結(jié)構(gòu)，分上、中、下三艙。有效載荷艙采用新型“內(nèi)部桁架+蜂窩板”的混合結(jié)構(gòu)形式，分上、中、下三艙，全新設(shè)計了降水測量雷達(dá)內(nèi)部桁架及微波成像儀支撐桁架，提高了衛(wèi)星平臺承載能力，保證了衛(wèi)星質(zhì)心高度合理，載荷視場無遮擋。

風(fēng)云三號G 降水星地面系統(tǒng)

為了滿足衛(wèi)星整星陰影期2600W 穩(wěn)態(tài)功耗，采用新型雙翼偏置一維驅(qū)動太陽電池陣構(gòu)型，確保在+Y翼太陽電池陣受到衛(wèi)星星體局部遮擋的最惡劣情況下仍然能夠保證有足夠能源輸出，同時與-Y翼太陽電池陣一起確保整星能源平衡。風(fēng)云三號G 星大幅改進(jìn)姿控系統(tǒng)控制，整星機(jī)動能力更強(qiáng)。姿控系統(tǒng)采用三軸穩(wěn)定零動量方案，飛輪采用六棱錐構(gòu)型，在軌姿態(tài)控制及機(jī)動能力強(qiáng)。為了滿足降水測量雷達(dá)的在軌定標(biāo)需求，衛(wèi)星具備90°偏航能力。為了實現(xiàn)高時效的應(yīng)急觀測，衛(wèi)星滾動機(jī)動頻繁。風(fēng)云三號G星采用綜合電子技術(shù)系統(tǒng)集成度更高，新增中繼系統(tǒng)保障數(shù)據(jù)時效性。根據(jù)軌道的特殊性，地面接收站按3 站配置（包括佳木斯、烏魯木齊或喀什、廣州），可確保每軌固存數(shù)據(jù)當(dāng)軌清空；衛(wèi)星長時間不見站情況下（最長為14h），采用數(shù)傳DPT 鏈路和中繼通道聯(lián)合下傳技術(shù)，實現(xiàn)探測數(shù)據(jù)獲得時效性。

運(yùn)載火箭系統(tǒng)

長征四號乙運(yùn)載火箭是由中國航天科技集團(tuán)有限公司所屬的上海航天技術(shù)研究院為總體研制的常溫液體三級火箭。一、二、三子級全部采用四氯化二氮和偏二甲肼為推進(jìn)劑。

發(fā)射場系統(tǒng)及測控系統(tǒng)

發(fā)射場為酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，主要完成衛(wèi)星發(fā)射的適應(yīng)性改造及衛(wèi)星與火箭的發(fā)射技術(shù)保障任務(wù)；測控工作由西安衛(wèi)星測控中心負(fù)責(zé)，主要完成火箭發(fā)射階段外測、遙測、安控等任務(wù)，完成衛(wèi)星發(fā)射及在軌運(yùn)行期間對衛(wèi)星的跟蹤測軌、遙測、遙控等任務(wù)。

地面系統(tǒng)

風(fēng)云三號G 降水星地面系統(tǒng)由12 個技術(shù)系統(tǒng)組成。

地面系統(tǒng)的主要任務(wù)是建設(shè)由廣州站、烏魯木齊站、佳木斯站、喀什站構(gòu)成的全球數(shù)據(jù)獲取站網(wǎng)，以及基于云網(wǎng)融合異構(gòu)混合云架構(gòu)為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)算一體的數(shù)據(jù)和IT 資源支撐平臺，實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)獲取和處理，生產(chǎn)L1 科學(xué)數(shù)據(jù)，以及包括云輻射、海陸表、大氣參數(shù)、空間天氣等共計4 類，24 種主要參數(shù)的高級產(chǎn)品，滿足世界氣象組織全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）的主要需求。同時搭建衛(wèi)星數(shù)據(jù)存檔和共享服務(wù)平臺，提升數(shù)據(jù)服務(wù)能力和平臺效益。

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)

風(fēng)云三號G 星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)是風(fēng)云三號03 批應(yīng)用系統(tǒng)的重要內(nèi)容。風(fēng)云三號03 批應(yīng)用系統(tǒng)國家級遙感應(yīng)用包括防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對氣候變化、生態(tài)監(jiān)測評估、環(huán)境保護(hù)、空間天氣監(jiān)測5 大領(lǐng)域應(yīng)用，涵蓋了天氣預(yù)報、數(shù)值預(yù)報、人工影響天氣、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、氣候與變化、冰凍圈監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生態(tài)遙感、陸表生態(tài)監(jiān)測與評估、海洋生態(tài)監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測和空間天氣監(jiān)測等11 個應(yīng)用方向。

風(fēng)云三號G 星資料將用于開展華南江淮暴雨、長江梅雨等我國典型降水天氣系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警研究；臺風(fēng)暴雨監(jiān)測及發(fā)生發(fā)展機(jī)理研究；北方地區(qū)固態(tài)降水系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警研究；青藏高原地區(qū)降水氣候?qū)W研究等。

風(fēng)云三號G 星將面向應(yīng)用發(fā)展云服務(wù)平臺，針對應(yīng)用部分的數(shù)據(jù)資源存儲，調(diào)度管理，為國家級、省級、行業(yè)和社會公眾用戶提供一體化的風(fēng)云衛(wèi)星云端數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用服務(wù)。同時針對應(yīng)用數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的教育培訓(xùn)及“一帶一路”開展國際推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語

風(fēng)云三號G 星是針對全球降水監(jiān)測及我國暴雨災(zāi)害預(yù)警的重大國家需求而實施的業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星空間科學(xué)任務(wù)。風(fēng)云三號G 星成功發(fā)射后，中國已成為全球唯一同時業(yè)務(wù)運(yùn)行晨昏、上午、下午和傾斜4 條近地軌道民用氣象衛(wèi)星的國家，進(jìn)一步發(fā)揮低軌氣象衛(wèi)星完備觀測網(wǎng)的整體優(yōu)勢，在氣象災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域向世界貢獻(xiàn)中國智慧和“風(fēng)云”方案。

風(fēng)云三號系列衛(wèi)星規(guī)劃中共包含2 顆非太陽同步軌道低傾角降水測量衛(wèi)星，預(yù)計到2026年前后風(fēng)云三號將形成由2 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，其中2 顆降水星均設(shè)計裝載Ka/Ku雙頻降水測量雷達(dá)及微波成像儀，雙星共軛運(yùn)行在高度407km、傾角50°的非太陽同步傾斜軌道，與其他在軌的風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星將形成星座體系下主被動微波聯(lián)合探測降水的業(yè)務(wù)能力，以風(fēng)云三號G 星為核心，“風(fēng)云”衛(wèi)星將形成高低軌協(xié)同測量降水的虛擬星座，實現(xiàn)將靜止軌道光學(xué)載荷與極地軌道主被動微波載荷融為一體的“風(fēng)云”綜合降水測量體系。