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風(fēng)云三號(hào)G星:“獨(dú)門絕技”讓大氣降水盡在掌握
2023年04月17日 09:11 來源:人民網(wǎng) 關(guān)燈

4月16日9時(shí)36分,長征四號(hào)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(hào)G星送入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。

記者從中國航天科技集團(tuán)八院了解到,風(fēng)云三號(hào)G星是我國第二代低軌氣象衛(wèi)星系列風(fēng)云三號(hào)的第7顆衛(wèi)星,也是風(fēng)云氣象衛(wèi)星連續(xù)成功發(fā)射的第20顆衛(wèi)星。它在國際上首次采用雙頻主動(dòng)降水測量雷達(dá)與被動(dòng)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(dòng)看”到“主動(dòng)探”的跨越,進(jìn)一步提高了我國氣象綜合觀測能力。

這顆衛(wèi)星到底都有哪些“獨(dú)門絕技”?本文帶您一探究竟。

雙頻段、高精度,讓降水無處遁形

降水是全球水循環(huán)中的重要過程,降水量多少和降水在時(shí)間與空間分布的變化會(huì)極大地影響人們生活。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球臺(tái)風(fēng)有三分之一左右產(chǎn)生于北太平洋西部,而我國正處于北太平洋西部臺(tái)風(fēng)活動(dòng)帶上,近年來,臺(tái)風(fēng)暴雨內(nèi)澇成為我國部分城市面臨的重要災(zāi)害之一,給人民生活造成了巨大的影響。

關(guān)于降水資料的獲取,傳統(tǒng)上主要通過雨量計(jì)、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。風(fēng)云三號(hào)G星搭載了我國首套“空中雨量計(jì)”——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(hào),接收大氣中不同高度層的降水粒子反射信號(hào),獲取垂直方向不同高度層的降水結(jié)構(gòu)信息,實(shí)現(xiàn)垂直方向降水的探測。同時(shí),利用雷達(dá)跨軌方向的掃描能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)水平方向的降水探測,最終使風(fēng)云三號(hào)G星具備自上而下獲取三維結(jié)構(gòu)信息的能力,就如同對(duì)大氣降水進(jìn)行“CT”掃描,獲得降水精細(xì)的立體結(jié)構(gòu)信息。

除此之外,風(fēng)云三號(hào)G星Ku頻段和Ka頻段雷達(dá)同步工作,可以利用大氣中不同高度層的降水粒子對(duì)兩個(gè)頻段雷達(dá)輻射的微波信號(hào)的反射率不同的特性,區(qū)分雨和雪,并對(duì)降水進(jìn)行精確估計(jì)。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)大降水探測能力,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(shí)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,可獲取更精細(xì)的降水三維結(jié)構(gòu)信息。

多體制、主被動(dòng),將測量做到極致

為了進(jìn)一步提升對(duì)臺(tái)風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性降水的高精度觀測,風(fēng)云三號(hào)G星瞄準(zhǔn)了“高探測靈敏度、高探測精度、多體制聯(lián)合探測”的發(fā)展方向。除了主動(dòng)降水測量雷達(dá)外,衛(wèi)星還搭載了一臺(tái)全新升級(jí)換代的儀器——微波成像儀。

作為國內(nèi)首次配置的降水型多通道、高靈敏、高精度的輻射計(jì),微波成像儀將在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)9頻點(diǎn)26通道一體化探測。它可以接收地球大氣10~183GHz微波輻射能量,進(jìn)行全天時(shí)、全天候、多極化協(xié)同探測。就像一只高靈敏、高精度的千里眼,獲取臺(tái)風(fēng)內(nèi)部溫濕結(jié)構(gòu)、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、臺(tái)風(fēng)影響區(qū)雨強(qiáng)等相關(guān)關(guān)鍵信息,預(yù)測臺(tái)風(fēng)未來發(fā)展情況,對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨“精確把脈”。

此外,衛(wèi)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、云頂高度、有效粒子半徑和云形態(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(dòng)降水測量雷達(dá)與被動(dòng)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”。

可俯仰、可掉頭,靈動(dòng)跳出“太空芭蕾”

風(fēng)云三號(hào)G星運(yùn)行在低軌低傾角的非太陽同步軌道,對(duì)于軌道上的衛(wèi)星,由于光照條件的不斷變化,其外部熱環(huán)境變化復(fù)雜,太陽會(huì)定期出現(xiàn)在軌道面的兩側(cè),在一段時(shí)間內(nèi),太陽照射衛(wèi)星的左側(cè)面;但過一段時(shí)間,太陽又會(huì)照射衛(wèi)星的右側(cè)面。但風(fēng)云衛(wèi)星定量探測的需求,要求衛(wèi)星有一面必須始終背向太陽,為適應(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,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,姿軌控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自主偏航姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式。當(dāng)太陽光從軌道面的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)時(shí),衛(wèi)星將自動(dòng)轉(zhuǎn)身180°,實(shí)現(xiàn)從正飛到倒飛,再到正飛的靈活掉頭機(jī)動(dòng)。

此外,衛(wèi)星運(yùn)行在距離地面約407公里高度的低軌道上,大氣密度較高,在太陽活動(dòng)高年,衛(wèi)星1天的軌道高度衰減可達(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(duì)這種情況,風(fēng)云三號(hào)G星研制團(tuán)隊(duì)凝聚了集體智慧,實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星軌道高度維持、偏心率與軌道相位協(xié)同自主控制,使得衛(wèi)星一直以固定高度經(jīng)過同緯度地區(qū)上空,保障了衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用效能的發(fā)揮。同時(shí),為了滿足有效載荷在軌執(zhí)行任務(wù)的需求,衛(wèi)星設(shè)計(jì)了三軸任意角度的快速機(jī)動(dòng)、短期姿態(tài)偏置模式,使得載荷有效觀測范圍提高近50%。

為保證衛(wèi)星超長壽命業(yè)務(wù)化運(yùn)行,系統(tǒng)全面的保障措施必不可少。風(fēng)云三號(hào)G星研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了單機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的故障診斷,采用多層敏感器信息融合故障診斷技術(shù),可在單個(gè)星敏感器、兩個(gè)星敏感器、多個(gè)星敏感器之間進(jìn)行姿態(tài)基準(zhǔn)切換,并根據(jù)衛(wèi)星需求完成故障診斷和姿態(tài)調(diào)整,真正意義上實(shí)現(xiàn)“靈動(dòng)”。此外,衛(wèi)星采用陀螺多表頭信息完備診斷與不同軸陀螺表頭重構(gòu),飛輪診斷與故障剔除等技術(shù)手段,使各部位有效備份,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)姿態(tài)安全監(jiān)控,提高了平臺(tái)可靠性,保證了衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行。

在后續(xù)的業(yè)務(wù)運(yùn)行中,風(fēng)云三號(hào)G星將發(fā)揮“獨(dú)門絕技”,與風(fēng)云三號(hào)晨昏星、上午星、下午星功能互補(bǔ)、相互配合,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(bào)精度提高3%左右,將預(yù)報(bào)時(shí)效延長24小時(shí)左右,將氣象災(zāi)害監(jiān)測時(shí)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(tái)風(fēng)內(nèi)部云、雨的發(fā)展過程,為臺(tái)風(fēng)、暴雨、暴雪等災(zāi)害性降水提供高精度觀測資料,進(jìn)一步提高全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)效能。

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編輯:方琳
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