觀云測雨，風(fēng)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(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量專用衛(wèi)星風(fēng)云三號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降水測量雷達(dá)與被動微波、光學(xué)遙感相結(jié)合的綜合探測，實(shí)現(xiàn)了降水測量從“被動看”到“主動探”的跨越，進(jìn)一步提高了我國氣象綜合觀測能力。
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間與空間分布上的變化會極大地影響人們的生活。據(jù)統(tǒng)計，全球臺風(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風(fēng)活動帶。近年來，臺風(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、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G星總指揮李海生介紹，風(fēng)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(dá)，將雷達(dá)觀測分辨率高和衛(wèi)星觀測范圍廣的優(yōu)勢結(jié)合起來，通過向大氣發(fā)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(jié)構(gòu)信息。同時，利用雷達(dá)跨軌方向的掃描能力，實(shí)現(xiàn)對水平方向的降水探測，最終使風(fēng)云三號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，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(qū)分雨雪，并對降水進(jìn)行精確估計�！捌渲�，Ku頻段有利于探測強(qiáng)降水，Ka頻段則有利于探測弱降水，兩者結(jié)合形成的雙頻探測可以擴(kuò)展降水探測能力，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、全天候，“精確把脈”臺風(fēng)暴雨
為進(jìn)一步提升對臺風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性降水的高精度觀測，風(fēng)云三號G星除配有主動降水測量雷達(dá)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(jìn)行全天時、全天候、多極化協(xié)同探測。在中國航天科技集團(tuán)八院風(fēng)云三號G星總設(shè)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(fēng)暴雨，獲取臺風(fēng)內(nèi)部溫濕結(jié)構(gòu)、臺風(fēng)強(qiáng)度、臺風(fēng)影響區(qū)雨強(qiáng)等關(guān)鍵信息，預(yù)測臺風(fēng)未來發(fā)展情況。
此外，風(fēng)云三號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，進(jìn)而輔助判斷降水云的存在，完善微波測量的反演結(jié)果。
“主動降水測量雷達(dá)與被動微波、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，可謂強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，將測量降水的配置拉成‘頂配’，成為降水測量界的‘王炸’�！卞X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(fēng)云三號G星運(yùn)行在低軌低傾角的非太陽同步軌道。對于軌道上的衛(wèi)星，由于光照條件不斷變化，其外部熱環(huán)境變化復(fù)雜，太陽會定期出現(xiàn)在軌道面的兩側(cè)——一段時間內(nèi)，太陽照射衛(wèi)星的左側(cè)面；過了這段時間，太陽又會照射衛(wèi)星的右側(cè)面。而定量探測的需求，要求風(fēng)云衛(wèi)星必須有一面始終背向太陽�！盀檫m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，我們在姿軌控系統(tǒng)設(shè)計了自主偏航姿態(tài)機(jī)動模式，即當(dāng)太陽光從軌道面的一側(cè)運(yùn)動到另一側(cè)時，衛(wèi)星將自動轉(zhuǎn)身180°，實(shí)現(xiàn)從正飛到倒飛再到正飛的靈活機(jī)動掉頭�！卞X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。針對這一情況，風(fēng)云三號G星研制團(tuán)隊集智攻關(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，為滿足有效載荷在軌執(zhí)行任務(wù)的需求，研制團(tuán)隊還為衛(wèi)星設(shè)計了三軸任意角度的快速機(jī)動、短期姿態(tài)偏置模式，將載荷有效觀測范圍提高近50%。
據(jù)悉，在后續(xù)的業(yè)務(wù)運(yùn)行中，風(fēng)云三號G星將繼續(xù)發(fā)揮“獨(dú)門絕技”，與風(fēng)云三號晨昏星、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)綜合觀測能力，將預(yù)報精度提高3%左右，預(yù)報時效延長24小時左右，氣象災(zāi)害監(jiān)測時效提高近1倍，有效監(jiān)測衛(wèi)星壽命周期內(nèi)發(fā)生在海上的臺風(fēng)內(nèi)部云、雨發(fā)展過程，在為臺風(fēng)、暴雨、暴雪等災(zāi)害性降水提供高精度觀測資料的同時，也進(jìn)一步提高全球數(shù)值天氣預(yù)報效能。
(本報記者 張蕾)
