一文了解风云三号G星技术创新

本文转自：文汇报

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星成功发射，作为风云卫星家族中的第20星，它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。

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双频段、高精度，让降水无处遁形

降水是全球水循环中的重要过程，降水量多少和降水在时间与空间分布的变化会极大地影响人们生活。据统计，全球台风有三分之一左右产生于北太平洋西部，而我国正处于北太平洋西部台风活动带上，近年来，台风暴雨内涝成为我国部分城市面临的重要灾害之一，给人民生活造成了巨大的影响。

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。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，实现垂直方向降水的探测。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三维结构信息的能力，就如同对大气降水进行“CT”扫描，获得降水精细的立体结构信息。

除此之外，风云三号G星Ku频段和Ka频段雷达同步工作，可以利用大气中不同高度层的降水粒子对两个频段雷达辐射的微波信号的反射率不同的特性，区分雨和雪，并对降水进行精确估计。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,可以扩大降水探测能力，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，可获取更精细的降水三维结构信息。

多体制、主被动，将测量做到极致

为了进一步提升对台风、暴雨等灾害性降水的高精度观测，风云三号G星瞄准了“高探测灵敏度、高探测精度、多体制联合探测”的发展方向。除了主动降水测量雷达外，卫星还搭载了一台全新升级换代的被动微波仪器——微波成像仪。

作为国内首次配置的降水型多通道、高灵敏、高精度的辐射计，微波成像仪将在国内首次实现9频点26通道一体化探测。它可以接收地球大气10~183GHz微波辐射能量，进行全天时、全天候、多极化协同探测。就像一只高灵敏、高精度的千里眼，获取台风内部温湿结构、台风强度、台风影响区雨强等相关关键信息，预测台风未来发展情况，对台风暴雨“精确把脉”。

此外，卫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、云顶高度、有效粒子半径和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”。

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，由于光照条件的不断变化，其外部热环境变化复杂，太阳会定期出现在轨道面的两侧，在一段时间内，太阳照射卫星的左侧面；但过一段时间，太阳又会照射卫星的右侧面。但风云卫星定量探测的需求，要求卫星有一面必须始终背向太阳，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，保证稳定的外部热环境和单机稳定的工作环境，姿轨控系统设计了自主偏航姿态机动模式。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，再到正飞的灵活掉头机动。

此外，卫星运行在距离地面约407公里高度的低轨道上，大气密度较高，在太阳活动高年，卫星1天的轨道高度衰减可达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，针对这种情况，风云三号G星研制团队凝聚了集体智慧，实现了卫星轨道高度维持、偏心率与轨道相位协同自主控制，使得卫星一直以固定高度经过同纬度地区上空，保障了卫星业务应用效能的发挥。同时，为了满足有效载荷在轨执行任务的需求，卫星设计了三轴任意角度的快速机动、短期姿态偏置模式，使得载荷有效观测范围提高近50%。

为保证卫星超长寿命业务化运行，系统全面的保障措施必不可少。风云三号G星研制团队设计了单机级、系统级的故障诊断，采用多层敏感器信息融合故障诊断技术，可在单个星敏感器、两个星敏感器、多个星敏感器之间进行姿态基准切换，并根据卫星需求完成故障诊断和姿态调整，真正意义上实现“灵动”。此外，卫星采用陀螺多表头信息完备诊断与不同轴陀螺表头重构，飞轮诊断与故障剔除等技术手段，使各部位有效备份，实现实时姿态安全监控，提高了平台可靠性，保证了卫星在轨稳定运行。

在后续的业务运行中，风云三号G星将发挥“独门绝技”，与风云三号黎明星、上午星、下午星功能互补、相互配合，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，将预报时效延长24小时左右，将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、雨的发展过程，为台风、暴雨、暴雪等灾害性降水提供高精度观测资料，进一步提高全球数值天气预报效能。

附录

1. 1988年9月7日，风云一号A星。我国自行研制和发射的第一颗低轨气象卫星，也是我国第一颗传输型极轨遥感卫星。

2. 1990年9月3日，风云一号B星。卫星的性能和主要功能与美国第三代极轨气象卫星相当，接近业务应用水平。

3. 1997年6月10日，风云二号A星。我国第一颗地球静止气象卫星，开启了我国地球静止气象卫星在轨运行的时代。

4. 1999年5月10日，风云一号C星。我国第一代业务极轨气象卫星的首发星，突破了长寿命稳定运行的技术，被世界气象组织正式列入世界业务极轨气象卫星序列，被列为20世纪末中国三大事件之一铭刻在中华世纪坛上。

5. 2000年6月25日，风云二号B星。我国第一代静止气象卫星风云二号气象卫星的第二颗试验卫星。

6. 2002年5月15日，风云一号D星。在风云一号C星基础上进一步提高稳定性，为更精确的中长期天气预报和气候预测提供必要的基本资料。

7. 2004年10月19日，风云二号C星。我国第一代静止气象卫星的第一颗业务卫星，被世界气象组织纳入全球地球观测业务卫星序列，成为全球地球综合观测系统（GEOSS）的重要成员。

8. 2006年12月8日，风云二号D星。与风云二号C星形成双星组网观测，实现了我国静止业务气象卫星的“在轨备份”。

9. 2008年5月27日，风云三号A星。我国新一代风云极轨气象卫星的首发试验试用卫星，标志着我国极轨气象卫星成功地实现了技术升级换代。

10. 2008年12月23日，风云二号E星，确保我国静止气象卫星观测业务的连续稳定运行。

11. 2010年11月5日，风云三号B星。与风云三号A星组网，全球资料的观测时效从12小时提高到4.5小时。

12. 2012年1月13日，风云二号F星。风云二号03批卫星的首发星，进一步提高了定量应用水平，具备更加灵活的、高时间分辨率的特定区域扫描能力。

13. 2013年9月23日，风云三号C星。我国第二代业务极轨气象卫星的首发星，被空间与重大灾害国际宪章纳入值班卫星。

14. 2014年12月31日，风云二号G星。保障我国静止轨道气象卫星观测业务的连续稳定，形成“多星在轨、统筹运行、互为备份、适时加密”的格局。

15. 2016年12月11日，风云四号A星。我国新一代静止气象卫星的首发星，实现全球首次静止轨道干涉式高光谱大气探测，全球首次辐射计、探测仪、闪电仪共平台装载、全天时工作，对地综合观测能力全球领先。

16. 2017年11月15日，风云三号D星。与风云三号C共同组网，形成我国新一代极轨气象卫星上、下午星组网观测的业务布局。

17. 2018年6月5日，风云二号H星。定位在东经79度，观测覆盖区域拓展至亚太空间合作组织成员国和“一带一路”沿线国家。

18. 2021年6月3日，风云四号B星。实现国际首次静止轨道250m空间分辨率全天时观测，大幅提高对短临天气现象的观测能力。

19. 2021年7月5日，风云三号E星。全球首颗民用晨昏轨道气象卫星，有效补充了6小时同化窗内卫星观测资料的空白。

20. 2023年4月16日，风云三号G星，我国首颗低倾角轨道降水测量专用卫星，主要用于灾害性天气系统强降水监测，提供全球中低纬度地区降水三维结构信息。

作者：史博臻 肖前循 张鹏飞 许海玉 郑永艾

编辑：朱伟

责任编辑：戎兵