“全球降雨觀測”衛星發射升空

王存恩（北京空間科技信息研究所）

2014年2月28日，“全球降雨觀測”（GPM）衛星由日本H-2A火箭從種子島發射，該衛星是“全球降雨觀測”計劃中的主衛星，也是“熱帶降雨觀測”（TRMM）衛星的后繼星，由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和美國航空航天局（NASA）聯合研制。“全球降雨觀測”衛星是世界上首顆配備以Ku頻段雷達（KuPR）和Ka頻段雷達（KaPR）組成的雙頻段、毫米頻段、具備多普勒測速功能雷達為主的降雨觀測衛星，它不僅可用于地球觀測，也能用于安全保障。

1 “全球降雨觀測”計劃

啟動背景

早在20世紀80年代中期，日美就簽訂了共同研制“熱帶降雨觀測”衛星的協議，并于1997年11月27日用H-2火箭將其送入預定軌道。該衛星設計壽命僅3年，但2001年日美對衛星實施了軌道提升，由350km提升到402.5km，所以到目前為止，這顆衛星依然在軌穩定運行。“熱帶降雨觀測”衛星對占全球降雨量2/3的熱帶和亞熱帶地區的降雨進行了長達15年的觀測。日本宇宙航空研究開發機構歸納和整理獲取的全部觀測數據，建立了熱帶和亞熱帶降雨、熱帶低氣壓信息等數據庫，對研究厄爾尼諾等異常現象和引起氣候變化的主要原因—降雨和熱循環等發揮了重要作用。

“熱帶降雨觀測”衛星的發射與成功應用，使人們進一步認識到有計劃地開展全球降雨觀測十分必要。于是，日美決定研制新一代降雨觀測衛星，同時提出了以“全球降雨觀測”衛星作為主衛星，吸收具備同種功能的地球觀測衛星的國家或空間組織所積累的經驗，與其協力拓展降雨觀測，形成了一個完好的“全球降雨觀測”計劃。截止到2013年底，正式參加這項計劃的共有9顆衛星，它們都作為“全球降雨觀測”計劃的副衛星，在承擔整個計劃的運行管理單位—美國航空航天局戈達德航天飛行中心（GSFC）的協調管理下，以松散組網運行方式對全球降雨進行全面觀測。參加這項觀測計劃的國家或機構可通過其地面接收站接收這些衛星發送的降雨觀測數據，并將其傳送至設在戈達德航天飛行中心的數據處理系統，由其統一處理，然后生成數據產品，并在最短時間內向參加這項計劃的國家或機構，以及研究人員提供其所需的最新降雨走勢圖，以支持相關組織和研究人員對全球氣候和降雨等數據開展深入研究。

計劃目的

推進“全球降雨觀測”計劃，研制和發射“全球降雨觀測”衛星，并邀請其他國家和空間組織參加該計劃，其主要目的是喚醒人們提高對保護水資源重要性的認識，針對水資源銳減和水污染嚴重等現實，喚起人們認清保護水資源的重大意義；認真地開展研究，增強對水資源進行科學管理意識；并想方設法把獲取的全球降雨觀測信息等有效地用于環境保護，提高天氣預報精度，并及時播報洪水災害信息，為保護水資源，減少人民生命財產損失，以及解開氣候異常之謎作貢獻。

（1）認清水資源的重要性，提高保護水資源意識

人們在世界上生活離不開水，它和空氣、糧食都是人們賴以生存的必需品。人類生存的地球表面積的97.5%都是海水，但淡水僅占2.5%，而可供人們生活用的水只占地球上保有水量的0.3%。這些“珍貴的水”基本上都是來自降雨、降雪后流入或滲入地下，并流入江河湖泊的淡水。人類離不開“珍貴的水”，但這些“珍貴的水”也常常威脅人們的生命財產安全。據不完全的統計，威脅人們生命安全的約60%的因素來自“珍貴的水”——洪水、暴雨、暴雪及由其所致的山洪暴發和山體滑坡；海嘯、核電站泄漏及其所引起的輻射等。所以，實時地對降水（雨和雪）進行觀測，掌握其可能造成的危害；搞清地球上水資源循環的機理，合理地利用水資源造福于人類，同時想方設法減少乃至杜絕“珍貴的水”（也包括海水）給人們帶來的災難。這是研制、發射并利用“全球降雨觀測”衛星的真實目的。

地球表面水的面積和淡水與人們生活用水分布比例圖

（2）有效地開展降水方面的科學研究，為保護環境做貢獻

日美希望通過執行“全球降雨觀測”計劃，有效地利用參加“全球降雨觀測”計劃的多顆衛星獲取大量、全面的數據，實現對全球的大氣、海洋和陸地出現的降雨和地表熱輻射等現象進行持續觀測和研究，搞清在全球范圍所出現的各種異常現象，如太平洋東部和南美海面海水持續高溫，連續出現的強降雨、降雪、干旱和頻發的洪水等嚴重威脅人類生命安全的惡劣自然現象的原因；尋覓減少出現上述現象的良策，使航天對保護人類賴以生存的地球環境發揮其應有的作用。

（3）加強水資源管理，防止水資源減少

執行“全球降雨觀測”計劃就是要有效地利用該計劃中由主衛星和副衛星所構成的觀測網絡，實現實時觀測，充分地發揮其對全球降雨進行全面、實時觀測的功能。具體包括：①進一步掌握與人們休戚相關的水—生活用水、工農業用水、發電用水的水源分布情況；②對照已掌握的原始水源分布信息，實時了解地球水源（也包括海水）的變化情況，通過比對其增減狀況，特別是主要江河湖海以及各個蓄水區域的蓄水量增減，以及飲用水區段的水質污染情況，分析其原因、發展趨勢和可能釀成的后果，并將其通報給相關國家和地區性組織機構，乃至相關國際組織機構，以引起人們的足夠重視，并及時采取有效對策，以制定可有效地保護和控制人們賴以生存的水資源（生活用水、工農業用水、發電用水）手段，防止水資源急劇減少，以及減少乃至徹底杜絕其對人們生命財產造成的威脅。

（4）提高天氣預報精度，及時播報異常天氣、洪水災害等信息

民眾都希望實時收聽準確的天氣預報，以便及時應對天氣變化，及時采取行之有效的對策，將損失降至最低。然而，由于設計能力、技術水平、分析能力等原因，致使遲報、漏報、錯報現象屢見不鮮。利用“全球降雨觀測”計劃的主衛星和9顆副衛星上搭載的遙感器，通過組網運行和有效管理，可望實現全天候觀測，獲取全球不同地區、不同季節、不同時段與生成暴風雨、暴風雪等異常氣候現象有關的數據，并向“全球降雨觀測”計劃參加國或機構提供異常氣象預測、分析信息，有望提高天氣預報精度，實現更及時播報，為人們更快地制定有效的應對措施，減少因降雨、降雪和異常天氣等所致的洪澇災害，為人們生命財產損失做貢獻。

正常情況（左圖）與受厄爾尼諾現象影響（右圖）的大氣狀況比較

計劃特點

“全球降雨觀測”計劃的主要特點是：①不僅能夠觀測到暴雨、大暴雨、大暴雪，還可觀測到“熱帶降雨觀測”衛星所觀測不到的小雨，乃至雨云中的雨珠、雪花和微小的冰粒等，大幅度地提高觀測精度；②全面擴大觀測范圍，由原來只能夠對熱帶和亞熱帶地區的降雨進行觀測擴展到可對全球的降雨、降雪等進行觀測；③實現高頻度觀測，即每3h就可獲取1次地球大氣中的降水走勢信息，因此，無論是對保護水資源，確保觀測信息的有效利用，還是對洪澇等自然災害盡快采取有效措施均能夠發揮重要作用。

測試中的“全球降雨觀測”衛星

“全球降雨觀測”衛星的主要性能參數

2 主衛星—“全球降雨觀測”衛星

衛星概況

“全球降雨觀測”衛星采用零動量三軸姿態控制，質量為3500kg，衛星運行在軌道高度為407km、軌道傾角為65°的非太陽同步軌道上。美國航空航天局負責衛星公用平臺的研制，有效載荷部分包括雨云掃描雷達（DPR，又稱雙頻段降雨雷達）和微波輻射計（GM I）。前者由日本宇宙航空研究開發機構、情報通信研究機構（NICT）和日本電氣公司（NEC）研制；后者由美國航空航天局研制。美國航空航天局負責衛星的跟蹤與應用；日美共同負責數據系統的開發與應用。

主要有效載荷

（1）雙頻段降雨雷達

雙頻段降雨雷達采用箱型結構，由Ku頻段雷達和Ka頻段雷達組成。在其結構體中分別配備了發射和接收系統（TRS）、頻率變換和中頻部分（FCRF）、系統控制和數據處理部分（SCDP）。結構體中指向地球一側的面上安裝了天線系統（ANT）；為了散熱，在結構體的側面貼有太陽反射鏡（OSR），而除太陽反射鏡和天線之外，所有結構體表面均覆有以鍺為主的熱控蒸著鍍膜。

雙頻段降雨雷達是在1997年發射的“熱帶降雨觀測”衛星上降雨雷達（PR，僅Ku頻段的雷達）的基礎上增加了實時電波的功能，伴隨衛星在軌運行高度變化，其脈沖重復頻率（PRF）也隨之變化，用來測量雨滴的信號散射強度。雙頻段降雨雷達能夠將雨滴所致的散射信號變換成中頻信號，然后進行對數檢波；接著，還要進行模數變換、積分處理等數字信號處理，再通過衛星本體的數據傳輸系統把獲取的觀測數據發送到地球站。

Ku頻段和Ka頻段雷達的主要性能：

·可觀測降雨強度，分別約為0.5mm/h（Ku頻段雷達）和0.2mm/h（Ka頻段雷達）；

·觀測高度范圍，地表以上19km；

·觀測掃描寬度，分別為245km（Ku頻段雷達）和125km（Ka頻段雷達）。

Ku頻段和Ka頻段雷達的主要功能：

·脈沖重復頻率隨衛星運行高度信息變化而隨之變化的功能；

·所搭載的儀器具備內部和外部校正功能；

·衛星具備獨立的熱控功能。

此外，Ku頻段雷達和Ka頻段雷達各有側重，在同時進行觀測時可起到互補作用，可對從熱帶強降雨、降雪到高緯度的弱降雨、降雪都進行高精度觀測。

雙頻段降雨雷達通常不受降雨衰減量大小的影響，同時觀測同一場所降雨（雪）的雨滴（雪花）的大小，可獲得降水量之差，再根據降水量之差就可估算出雨（雪）雨滴（雪花）的大小，以及雨滴粒徑或雪花粒徑的分布情況。由于其可獲得單一頻段雷達所無法獲得的大量信息，能大幅度地提高對降雨量的觀測精度，并且可跟蹤到雨云信息，所以人們也將其稱為“雨云跟蹤雷達”。

Ku頻段雷達的外觀圖

Ka頻段雷達的外觀圖

圖中白色部分為天線，側面為用于保護太陽反射鏡的保護罩

Ku頻段發射/接收單元

Ka頻段發射/接收單元

雙頻段降雨雷達的設計者要求兩個頻段雷達不僅要具備根據其從發送電波到接收到雨滴回聲所需的時間計算出降水量的高度分布，還要求其所配備的天線波束要具備既能夠掃描到衛星的前進方向，又能夠掃描到垂直方向的功能，從而測量出降水的三維分布。為滿足這一要求，設計者決定在這兩個頻段雷達上均配備相控陣天線，而且全都采用由128個天線元件組成的全電子掃描式天線系統。為實現全電子掃描，還采用將128個天線元件全都連接到了發射/接收（T/R）機模塊上：發射/接收機模塊內配備有相移器，執行放大發射和接收電波用的固體電子放大器（SSPA）和低噪聲放大器（LNA）都安裝到相移器內。另外，把128個天線元件都集成到8個發射/接收單元內，達到了有效壓縮了搭載空間的目的。

此外，為確保發射/接收機單元內的固體電子放大器和低噪聲放大器能夠經受住衛星在軌運行階段苛刻的溫度環境考驗，使增益不發生變化，在設計階段就采取了高縝密度的溫度補償措施，從而達到高可靠性運行，且能獲得穩定的數據。

（2）微波輻射計

微波輻射計是在“熱帶降雨觀測”衛星所攜帶的微波觀測裝置（TM I）的基礎上研制的多頻段、多偏波圓錐掃描式微波輻射計。

與微波觀測裝置相比，“全球降雨觀測”衛星搭載的微波輻射計有兩大特點：①微波觀測裝置只有9個頻段（10.65～89GH z），而微波輻射計在其基礎上增加了4個高頻頻段，如166GH z（“窗口”頻段）和183.31GH z（吸收水蒸氣頻段）。正是由于追加了這4個高頻頻段，且多用于高緯度的海域和陸域觀測，大幅度地提高了對于小雨雪的估算精度。②與微波觀測裝置相比，“全球降雨觀測”衛星所用天線的孔徑較“熱帶降雨觀測”衛星加大了1倍，由0.6m變為1.2m，大幅度地提高了空間分辨率。

采用這種模式的微波輻射計與雙頻降雨雷達同時進行觀測，不僅可大幅度提高對降雨和降雪的估算精度，同時還可通過利用主衛星的微波遙感器進行高精度觀測，為在副衛星上搭載的各種不同規格的微波輻射計之間搭建起進行高頻率觀測的橋梁；還可通過對副衛星上搭載的微波輻射計的輝度和溫度進行校正，使各遙感器間保持在一種平衡狀態，從而達到降低降雨強度估算誤差的目的。

如果雙頻段降雨雷達和微波輻射計同時持續觀測，還可建立且起到全天候觀測用數據校正器的作用，能夠起到提高微波輻射計（包括副衛星上所搭載的微波輻射計在內）對降水觀測精度的作用。

利用“全球降雨觀測”衛星進行降雨觀測原理圖

另外，在“熱帶降雨觀測”衛星仍繼續執行飛行任務情況下，將與新發射的“全球降雨觀測”衛星一起執行飛行任務，對確保觀測穩定性、增加獲取信息量等有重要價值。

3 “全球降雨觀測”計劃的9顆副衛星

據日本宇宙航空研究開發機構報道，到2013年1月底，決定參加“全球降雨觀測”計劃的還有9顆副衛星。

·法國國家空間研究中心（CNES）和印度空間研究組織(ISRO)共同研制和發射的“熱帶云”（M egha-Tropiques）衛星；

·美國國防部（DOD）研制的“國防氣象衛星計劃”（DMSP）中的兩顆衛星（DMSP-F19和F20）；

·日本宇宙航空研究開發機構研制和發射的全球變化觀測任務-水1（GCOM-W 1）；

·歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT）研制的氣象業務-B、C（MetOp-B、C）衛星；

·美國國家海洋和大氣局（NOA A）研制的諾阿-19（NOAA-19）；

·美國航空航天局和“國家極軌環境業務衛星系統預報項目”綜合辦公室（IPO）研制的“國家極軌環境業務衛星系統預備項目”（NPP）衛星；

·美國航空航天局與美國國家海洋和大氣局研制的聯合極軌衛星系統-1（JPSS-1）衛星。

這9顆衛星中，除了少部分是運行在低軌道傾角（20°～40°）的太陽同步軌道運行外，大多都在600～800km高的太陽同步極軌道上運行，其有效載荷搭載的也多是微波輻射計和微波遙感器。

戈達德航天飛行中心負責對“全球降雨觀測”衛星和在軌運行的9顆副衛星進行有效地綜合管理，實現聯合觀測，呈在軌組網運行狀態，其主要優勢在于：①可有效地擴大觀測范圍；②可加大觀測頻率，不僅可徹底實現全球觀測，還可持續更新全球降水走勢圖；③大幅度提高觀測精度，利用雙頻段降水雷達不僅可對暴風雨、暴風雪，還對微量降雨、降雪等進行實時觀測，估算出降雨和降雪的強度等。

美國航空航天局和日本宇宙航空研究開發機構決定：凡參加“全球降雨觀測”計劃的國家和機構，只要持特許證明就可利用其各自國家或區域性航天組織的地面接收站接收已納入戈達德航天飛行中心負責管理的“全球降雨觀測”衛星的各種觀測數據。這些國家和組織機構在接收到各種觀測數據后，還要通過數據傳輸系統將接收的這些數據再傳送給“全球降雨觀測”計劃配置的數據處理系統，由其進行綜合處理；然后，戈達德航天飛行中心就會通過互聯網等向各持有特許的機構或研究人員發送新生成的全球降水走勢圖，這些最新全球降水信息會對天氣預報、洪水等自然災害預測、預報、國土管理，以及農業、林業、漁業等實用領域發揮重要作用。

利用“全球降雨觀測”計劃主、副衛星進行降雨觀測的示意圖

5 搭載發射的微小和納衛星

與“全球降雨觀測”衛星同時發射的還有7顆微小衛星，分別是“可見光實驗通信衛星”（Sh in d a iSa t）、太空繩系自主機器人衛星-2（STARS-2）、“微生物觀測衛星”[M OS，又名帝國大學衛星-3（Teik y o Sa t-3）]、憧憬未來-1（IT F-1）衛星、“大阪府立大學衛星”（OPUSA T）、“藝術和設計實驗研究交互衛星”（INVADER）、鹿兒島大學衛星-2（KSAT-2）。

與“全球降雨觀測”衛星同時發射的7顆微小衛星