我国首颗降水星——风云三号G 星任务概况

张鹏 谷松岩 商建 张宏伟 陈林 林曼筠 朱爱军 贾树泽 武胜利 咸迪

（国家卫星气象中心）

1 引言

2023年4月16日，我国首颗降水测量卫星风云三号G 星（又称降水星）搭乘长征四号乙遥五十一运载火箭，在酒泉卫星发射中心成功发射，标志着我国成为全球唯一同时业务运行上午、下午、晨昏、倾斜4 条轨道极轨卫星的国家。

降水是地球气候系统能量和水循环的重要过程，对降水系统瞬时结构和全球分布特征的认识，是人们理解全球气候变化的重要内容。地球气候系统的降水过程主要发生在热带，气象卫星是实现热带降水探测唯一有效的技术手段。

1997年，美日联合实施热带降水测量计划TRMM，发射了装载降水雷达（PR）、微波成像仪（TMI）、可见光红外扫描仪（VIRS）、云和地球辐射能量测量系统（CERES）和闪电成像仪（LIS）的TRMM 卫星（Kummerow，1998），多种遥感器联合实现了热带降水的星载探测，其资料在热带降水测量、降水预报准确率提高、暴雨以及热带气旋研究等方面发挥了重要应用价值，开启了全球降水星载遥感探测时代，初步揭示了热带地区降水的基本气候学特征。TRMM 之后，美国接续发起了全球降水测量计划（GPM），于2014年发射了GPM 核心卫星。借助比TRMM/PR 功能更强的Ka/Ku 双频降水测量雷达（DPR），获取地球南北纬65°范围内的降水信息，精确获取中高纬地区弱降水及固态降水，进一步加深了人们对降水三维精细结构和全球分布特征的认识。

从2006年开始，针对我国天气预报业务中对地面降水进行主动立体监测的迫切需求，我国气象卫星科技工作者就已经开始着手谋划通过气象卫星对地球表面的降水进行精细化监测。在气象和航天工作者的共同努力下，于2010年突破了卫星载荷原理样机技术，2014年完成了卫星使用要求确定，2015年研制方案通过了专家评审，2018年正式启动天地一体化五大系统研制工作。

2 科学目标与任务

风云三号G 星的科学目标主要包括：通过星地雷达融合应用实现全球三维大气、云和降水结构探测，揭示降水系统三维结构；深化对降水和云微物理特征的科学认识；提升台风、暴雨和其他极端灾害性天气监测预报精度，在生态环境、能源、农业、健康等领域发挥作用。

风云三号G 星主要创新点包括：

1）填补了我国星载降雨测量雷达探测的空白，实现了Ka/Ku 双频降水测量雷达探测降水系统三维结构，“风云”卫星成为国际上唯一拥有上午、下午、晨昏和倾斜4 条低轨业务气象卫星的卫星系列。

2）国内民用系列遥感卫星中率先使用中继技术实现降水星数据传输，提升数据时效，支撑降水星资料的天气应用。

3）国产卫星星载被动微波辐射计首次实现成像与探测的一体化设计，利用设置在10 ～183GHz 间双氧和水汽吸收通道与传统微波窗区通道协和反演降水参数，有效提升陆地弱降水和北方固态降水的星载探测能力。

4）利用该星与其他太阳同步轨道及静止轨道卫星的交汇特征，建立辐射基准的空间传递链路，将降水星上高精度星上定标器及微波成像仪辐射定标结果，溯源传递到其他风云卫星，建立风云辐射基准体系。

5）通过该星目标观测能力，实现预报牵引下降水系统的目标探测，以及探测结果与预报模式的同化应用，建立预报-探测-预报的闭合环路，探索支撑我国暴雨预报精度提升的技术新途径。

3 有效载荷配置

为了实现降水观测科学目标，风云三号G 星配置6台有效载荷，其中Ka/Ku双频降水测量雷达（PMR）、高精度定标器（HAOC）、短波红外偏振多角度成像仪（PMAI）为全新研制，成像与探测一体化设计的微波成像仪-降水型（MWRI-RM）、中分辨率光谱成像仪-降水型（MERSI-RM）为升级改进，全球导航卫星掩星探测仪-Ⅱ型（GNOS-Ⅱ）为业务继承。

（1）降水测量雷达

PMR 是风云三号G 星的主载荷，星下点水平分辨率5km，采用Ku 和Ka 双波段观测台风、暴雨、暴雪等大气降水的三维滴谱特性，其测量参数独立于背景辐射且与降水直接相关，可以反演得到比被动遥感更准确的降水强度；还可以获得降水类型、降水层高度等其他丰富的降水信息。PMR 的幅宽超过300km，在水平分辨率相同的条件下，PMR 的刈幅宽度大于PR 和DPR，可以覆盖更多的降水事件。PMR 的天线峰值旁瓣电平≤30dB，优于DPR 和PR，有利于抑制地杂波的影响，降低测量误差。

降水测量雷达

（2）微波成像仪-降水型

微波成像仪-降水型是降水星的主载荷之一，是风云三号02 批微波成像仪的升级版，在其基础上增加了温度探测通道54GHz、弱降水探测通道118GHz+166GHz 以及湿度探测通道183GHz 等，提高了降水、大气温湿廓线探测能力和性能指标，探测通道数达到26 个。微波成像仪-降水型是圆锥扫描的全功率辐射计，工作目标为采集地球表面的微波辐射，开展全球中低纬降水测量服务。

微波成像仪-降水型

（3）中分辨率光谱成像仪-降水型

中分辨率光谱成像仪-降水型是风云三号G 星配置的光学成像类仪器，所有通道的星下点空间分辨率均达到500m，幅宽约1000km。仪器保留了主要用于探测云和降水的通道，获取可见光/红外云图、云顶温度、云顶高度、有效粒子半径等宏微观参数，进而辅助判断降水云的存在。利用其高空间分辨率和大幅宽的特点，配合主动雷达和微波成像仪等微波仪器实现降水和云雨大气参数遥感探测。此外，目前静止轨道气象卫星使用红外通道估计降水，因此MERSI-RM 还是联系低轨道卫星微波降水测量结果与静止轨道卫星红外降水估计结果的桥梁。

中分辨率光谱成像仪-降水型

（4）全球导航卫星掩星探测仪-Ⅱ型

全球导航卫星掩星探测仪Ⅱ型在继承风云三号E 星掩星和反射信号一体化探测基础上，提供在轨实时滤波精密定轨结果，在407km 轨道高度上，有望实现基于精密定轨的轨道大气密度反演和更高精度的GNSS-R 海面风场及土壤湿度等产品的反演。

全球导航卫星掩星探测仪-II 型

（5）高精度定标器

高精度定标器

高精度定标器是推扫式成像光谱仪，通过Offner光栅分光技术获得地球反射太阳在可见-近红外波段（400～1060nm）的光谱图像，并伴随卫星飞行收集一系列幅宽50km 的对地推扫观测图像，从而形成一个包含二维空间图像和一维光谱信息的高光谱图像立方体。定标器将首次开展在轨太阳交叉定标技术验证试验，演示将地球辐射信号与稳定自然光源——太阳相联系的国际单位制标准溯源链路，以及将高精度辐射定标结果传递给同平台或其他卫星可见/近红外遥感仪器的辐射传递链路，为未来构建太阳反射波段高精度（＜0.3%，k=2）空间辐射定标基准、开展地球反射太阳辐射的气候学长期资料记录奠定研究基础。

（6）短波红外偏振多角度成像仪

短波红外偏振多角度成像仪是风云卫星系列的首台多角度偏振遥感仪器，是国内首次具备短波红外波段的偏振多角度卫星观测能力，通过广角光学镜头+偏振与光谱滤光轮+面阵探测器的观测体制，探索为实现云、气溶胶和地表等相关参数的高精度定量化反演提供最丰富的观测信息，致力于提高在天气预报、气候变化和地球环境监测领域的能力。

短波红外偏振多角度成像仪

4 卫星工程方案

风云三号G 星工程任务由卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面系统和科学应用系统六大系统组成。风云三号G 星以“一箭单星”方式发射，入轨后运行在高度407km、倾角50°的非太阳同步倾斜轨道。

卫星系统

风云三号G 星平台基于SAST-3000 卫星公用平台，具有滚动、俯仰、偏航等三轴机动能力，星上主被动微波和光学遥感仪器共存。卫星本体由卫星平台和载荷舱组成，采取模块化设计，包含服务平台、有效载荷舱及总装直属件等。其中卫星服务平台采用“中心承力筒+结构板”的箱式结构，分上、中、下三舱。有效载荷舱采用新型“内部桁架+蜂窝板”的混合结构形式，分上、中、下三舱，全新设计了降水测量雷达内部桁架及微波成像仪支撑桁架，提高了卫星平台承载能力，保证了卫星质心高度合理，载荷视场无遮挡。

风云三号G 降水星地面系统

为了满足卫星整星阴影期2600W 稳态功耗，采用新型双翼偏置一维驱动太阳电池阵构型，确保在+Y翼太阳电池阵受到卫星星体局部遮挡的最恶劣情况下仍然能够保证有足够能源输出，同时与-Y翼太阳电池阵一起确保整星能源平衡。风云三号G 星大幅改进姿控系统控制，整星机动能力更强。姿控系统采用三轴稳定零动量方案，飞轮采用六棱锥构型，在轨姿态控制及机动能力强。为了满足降水测量雷达的在轨定标需求，卫星具备90°偏航能力。为了实现高时效的应急观测，卫星滚动机动频繁。风云三号G星采用综合电子技术系统集成度更高，新增中继系统保障数据时效性。根据轨道的特殊性，地面接收站按3 站配置（包括佳木斯、乌鲁木齐或喀什、广州），可确保每轨固存数据当轨清空；卫星长时间不见站情况下（最长为14h），采用数传DPT 链路和中继通道联合下传技术，实现探测数据获得时效性。

运载火箭系统

长征四号乙运载火箭是由中国航天科技集团有限公司所属的上海航天技术研究院为总体研制的常温液体三级火箭。一、二、三子级全部采用四氯化二氮和偏二甲肼为推进剂。

发射场系统及测控系统

发射场为酒泉卫星发射中心，主要完成卫星发射的适应性改造及卫星与火箭的发射技术保障任务；测控工作由西安卫星测控中心负责，主要完成火箭发射阶段外测、遥测、安控等任务，完成卫星发射及在轨运行期间对卫星的跟踪测轨、遥测、遥控等任务。

地面系统

风云三号G 降水星地面系统由12 个技术系统组成。

地面系统的主要任务是建设由广州站、乌鲁木齐站、佳木斯站、喀什站构成的全球数据获取站网，以及基于云网融合异构混合云架构为业务应用提供数算一体的数据和IT 资源支撑平台，实现全球数据获取和处理，生产L1 科学数据，以及包括云辐射、海陆表、大气参数、空间天气等共计4 类，24 种主要参数的高级产品，满足世界气象组织全球综合观测系统（WIGOS）的主要需求。同时搭建卫星数据存档和共享服务平台，提升数据服务能力和平台效益。

科学应用系统

风云三号G 星科学应用系统是风云三号03 批应用系统的重要内容。风云三号03 批应用系统国家级遥感应用包括防灾减灾、应对气候变化、生态监测评估、环境保护、空间天气监测5 大领域应用，涵盖了天气预报、数值预报、人工影响天气、地质灾害监测、气候与变化、冰冻圈监测、农业生态遥感、陆表生态监测与评估、海洋生态监测、大气环境监测和空间天气监测等11 个应用方向。

风云三号G 星资料将用于开展华南江淮暴雨、长江梅雨等我国典型降水天气系统的监测预警研究；台风暴雨监测及发生发展机理研究；北方地区固态降水系统监测预警研究；青藏高原地区降水气候学研究等。

风云三号G 星将面向应用发展云服务平台，针对应用部分的数据资源存储，调度管理，为国家级、省级、行业和社会公众用户提供一体化的风云卫星云端数据共享和应用服务。同时针对应用数据和产品的教育培训及“一带一路”开展国际推广应用。

5 结束语

风云三号G 星是针对全球降水监测及我国暴雨灾害预警的重大国家需求而实施的业务气象卫星空间科学任务。风云三号G 星成功发射后，中国已成为全球唯一同时业务运行晨昏、上午、下午和倾斜4 条近地轨道民用气象卫星的国家，进一步发挥低轨气象卫星完备观测网的整体优势，在气象灾害监测领域向世界贡献中国智慧和“风云”方案。

风云三号系列卫星规划中共包含2 颗非太阳同步轨道低倾角降水测量卫星，预计到2026年前后风云三号将形成由2 颗降水星和5 颗业务极轨气象卫星组成的星座体系，其中2 颗降水星均设计装载Ka/Ku双频降水测量雷达及微波成像仪，双星共轭运行在高度407km、倾角50°的非太阳同步倾斜轨道，与其他在轨的风云三号气象卫星将形成星座体系下主被动微波联合探测降水的业务能力，以风云三号G 星为核心，“风云”卫星将形成高低轨协同测量降水的虚拟星座，实现将静止轨道光学载荷与极地轨道主被动微波载荷融为一体的“风云”综合降水测量体系。