我國首顆降水星
——風云三號G 星任務概況

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

（國家衛星氣象中心）

1 引言

2023年4月16日，我國首顆降水測量衛星風云三號G 星（又稱降水星）搭乘長征四號乙遙五十一運載火箭，在酒泉衛星發射中心成功發射，標志著我國成為全球唯一同時業務運行上午、下午、晨昏、傾斜4 條軌道極軌衛星的國家。

降水是地球氣候系統能量和水循環的重要過程，對降水系統瞬時結構和全球分布特征的認識，是人們理解全球氣候變化的重要內容。地球氣候系統的降水過程主要發生在熱帶，氣象衛星是實現熱帶降水探測唯一有效的技術手段。

1997年，美日聯合實施熱帶降水測量計劃TRMM，發射了裝載降水雷達（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（CERES）和閃電成像儀（LIS）的TRMM 衛星（Kummerow，1998），多種遙感器聯合實現了熱帶降水的星載探測，其資料在熱帶降水測量、降水預報準確率提高、暴雨以及熱帶氣旋研究等方面發揮了重要應用價值，開啟了全球降水星載遙感探測時代，初步揭示了熱帶地區降水的基本氣候學特征。TRMM 之后，美國接續發起了全球降水測量計劃（GPM），于2014年發射了GPM 核心衛星。借助比TRMM/PR 功能更強的Ka/Ku 雙頻降水測量雷達（DPR），獲取地球南北緯65°范圍內的降水信息，精確獲取中高緯地區弱降水及固態降水，進一步加深了人們對降水三維精細結構和全球分布特征的認識。

從2006年開始，針對我國天氣預報業務中對地面降水進行主動立體監測的迫切需求，我國氣象衛星科技工作者就已經開始著手謀劃通過氣象衛星對地球表面的降水進行精細化監測。在氣象和航天工作者的共同努力下，于2010年突破了衛星載荷原理樣機技術，2014年完成了衛星使用要求確定，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研制工作。

2 科學目標與任務

風云三號G 星的科學目標主要包括：通過星地雷達融合應用實現全球三維大氣、云和降水結構探測，揭示降水系統三維結構；深化對降水和云微物理特征的科學認識；提升臺風、暴雨和其他極端災害性天氣監測預報精度，在生態環境、能源、農業、健康等領域發揮作用。

風云三號G 星主要創新點包括：

1）填補了我國星載降雨測量雷達探測的空白，實現了Ka/Ku 雙頻降水測量雷達探測降水系統三維結構，“風云”衛星成為國際上唯一擁有上午、下午、晨昏和傾斜4 條低軌業務氣象衛星的衛星系列。

2）國內民用系列遙感衛星中率先使用中繼技術實現降水星數據傳輸，提升數據時效，支撐降水星資料的天氣應用。

3）國產衛星星載被動微波輻射計首次實現成像與探測的一體化設計，利用設置在10 ～183GHz 間雙氧和水汽吸收通道與傳統微波窗區通道協和反演降水參數，有效提升陸地弱降水和北方固態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星的交匯特征，建立輻射基準的空間傳遞鏈路，將降水星上高精度星上定標器及微波成像儀輻射定標結果，溯源傳遞到其他風云衛星，建立風云輻射基準體系。

5）通過該星目標觀測能力，實現預報牽引下降水系統的目標探測，以及探測結果與預報模式的同化應用，建立預報-探測-預報的閉合環路，探索支撐我國暴雨預報精度提升的技術新途徑。

3 有效載荷配置

為了實現降水觀測科學目標，風云三號G 星配置6臺有效載荷，其中Ka/Ku雙頻降水測量雷達（PMR）、高精度定標器（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，全球導航衛星掩星探測儀-Ⅱ型（GNOS-Ⅱ）為業務繼承。

（1）降水測量雷達

PMR 是風云三號G 星的主載荷，星下點水平分辨率5km，采用Ku 和Ka 雙波段觀測臺風、暴雨、暴雪等大氣降水的三維滴譜特性，其測量參數獨立于背景輻射且與降水直接相關，可以反演得到比被動遙感更準確的降水強度；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

（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，是風云三號02 批微波成像儀的升級版，在其基礎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，探測通道數達到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。

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-降水型是風云三號G 星配置的光學成像類儀器，所有通道的星下點空間分辨率均達到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，進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，配合主動雷達和微波成像儀等微波儀器實現降水和云雨大氣參數遙感探測。此外，目前靜止軌道氣象衛星使用紅外通道估計降水，因此MERSI-RM 還是聯系低軌道衛星微波降水測量結果與靜止軌道衛星紅外降水估計結果的橋梁。

中分辨率光譜成像儀-降水型

（4）全球導航衛星掩星探測儀-Ⅱ型

全球導航衛星掩星探測儀Ⅱ型在繼承風云三號E 星掩星和反射信號一體化探測基礎上，提供在軌實時濾波精密定軌結果，在407km 軌道高度上，有望實現基于精密定軌的軌道大氣密度反演和更高精度的GNSS-R 海面風場及土壤濕度等產品的反演。

全球導航衛星掩星探測儀-II 型

（5）高精度定標器

高精度定標器

高精度定標器是推掃式成像光譜儀，通過Offner光柵分光技術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。定標器將首次開展在軌太陽交叉定標技術驗證試驗，演示將地球輻射信號與穩定自然光源——太陽相聯系的國際單位制標準溯源鏈路，以及將高精度輻射定標結果傳遞給同平臺或其他衛星可見/近紅外遙感儀器的輻射傳遞鏈路，為未來構建太陽反射波段高精度（＜0.3%，k=2）空間輻射定標基準、開展地球反射太陽輻射的氣候學長期資料記錄奠定研究基礎。

（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云衛星系列的首臺多角度偏振遙感儀器，是國內首次具備短波紅外波段的偏振多角度衛星觀測能力，通過廣角光學鏡頭+偏振與光譜濾光輪+面陣探測器的觀測體制，探索為實現云、氣溶膠和地表等相關參數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報、氣候變化和地球環境監測領域的能力。

短波紅外偏振多角度成像儀

4 衛星工程方案

風云三號G 星工程任務由衛星系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統、地面系統和科學應用系統六大系統組成。風云三號G 星以“一箭單星”方式發射，入軌后運行在高度407km、傾角50°的非太陽同步傾斜軌道。

衛星系統

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

風云三號G 降水星地面系統

為了滿足衛星整星陰影期2600W 穩態功耗，采用新型雙翼偏置一維驅動太陽電池陣構型，確保在+Y翼太陽電池陣受到衛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。風云三號G 星大幅改進姿控系統控制，整星機動能力更強。姿控系統采用三軸穩定零動量方案，飛輪采用六棱錐構型，在軌姿態控制及機動能力強。為了滿足降水測量雷達的在軌定標需求，衛星具備90°偏航能力。為了實現高時效的應急觀測，衛星滾動機動頻繁。風云三號G星采用綜合電子技術系統集成度更高，新增中繼系統保障數據時效性。根據軌道的特殊性，地面接收站按3 站配置（包括佳木斯、烏魯木齊或喀什、廣州），可確保每軌固存數據當軌清空；衛星長時間不見站情況下（最長為14h），采用數傳DPT 鏈路和中繼通道聯合下傳技術，實現探測數據獲得時效性。

運載火箭系統

長征四號乙運載火箭是由中國航天科技集團有限公司所屬的上海航天技術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劑。

發射場系統及測控系統

發射場為酒泉衛星發射中心，主要完成衛星發射的適應性改造及衛星與火箭的發射技術保障任務；測控工作由西安衛星測控中心負責，主要完成火箭發射階段外測、遙測、安控等任務，完成衛星發射及在軌運行期間對衛星的跟蹤測軌、遙測、遙控等任務。

地面系統

風云三號G 降水星地面系統由12 個技術系統組成。

地面系統的主要任務是建設由廣州站、烏魯木齊站、佳木斯站、喀什站構成的全球數據獲取站網，以及基于云網融合異構混合云架構為業務應用提供數算一體的數據和IT 資源支撐平臺，實現全球數據獲取和處理，生產L1 科學數據，以及包括云輻射、海陸表、大氣參數、空間天氣等共計4 類，24 種主要參數的高級產品，滿足世界氣象組織全球綜合觀測系統（WIGOS）的主要需求。同時搭建衛星數據存檔和共享服務平臺，提升數據服務能力和平臺效益。

科學應用系統

風云三號G 星科學應用系統是風云三號03 批應用系統的重要內容。風云三號03 批應用系統國家級遙感應用包括防災減災、應對氣候變化、生態監測評估、環境保護、空間天氣監測5 大領域應用，涵蓋了天氣預報、數值預報、人工影響天氣、地質災害監測、氣候與變化、冰凍圈監測、農業生態遙感、陸表生態監測與評估、海洋生態監測、大氣環境監測和空間天氣監測等11 個應用方向。

風云三號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的監測預警研究；臺風暴雨監測及發生發展機理研究；北方地區固態降水系統監測預警研究；青藏高原地區降水氣候學研究等。

風云三號G 星將面向應用發展云服務平臺，針對應用部分的數據資源存儲，調度管理，為國家級、省級、行業和社會公眾用戶提供一體化的風云衛星云端數據共享和應用服務。同時針對應用數據和產品的教育培訓及“一帶一路”開展國際推廣應用。

5 結束語

風云三號G 星是針對全球降水監測及我國暴雨災害預警的重大國家需求而實施的業務氣象衛星空間科學任務。風云三號G 星成功發射后，中國已成為全球唯一同時業務運行晨昏、上午、下午和傾斜4 條近地軌道民用氣象衛星的國家，進一步發揮低軌氣象衛星完備觀測網的整體優勢，在氣象災害監測領域向世界貢獻中國智慧和“風云”方案。

風云三號系列衛星規劃中共包含2 顆非太陽同步軌道低傾角降水測量衛星，預計到2026年前后風云三號將形成由2 顆降水星和5 顆業務極軌氣象衛星組成的星座體系，其中2 顆降水星均設計裝載Ka/Ku雙頻降水測量雷達及微波成像儀，雙星共軛運行在高度407km、傾角50°的非太陽同步傾斜軌道，與其他在軌的風云三號氣象衛星將形成星座體系下主被動微波聯合探測降水的業務能力，以風云三號G 星為核心，“風云”衛星將形成高低軌協同測量降水的虛擬星座，實現將靜止軌道光學載荷與極地軌道主被動微波載荷融為一體的“風云”綜合降水測量體系。