听到火箭点火升空的轰响，正在测试厂房检查数据的杨润峰百感交集。“就像养育多年的孩子，突然间真的离开你了。”他这样回忆雷达上天时的感觉。作为704所风云三号G星降水测量雷达主任设计师，杨润峰和同事们为该产品辛勤奋斗了17年。当年意气风发的青年，如今已生出华发。

4月份，我国首颗降水测量专用卫星风云三号G星发射升空，其主载荷是由中国航天科技集团九院704所研制的我国首套星载Ku、Ka双频降水测量雷达。据了解，该雷达凭借犀利的“双睛”，已成功探测到全球中低纬度地区降水的三维精细结构，捕捉到“玛娃”“泰利”等台风降雨系统的三维立体结构。在8月份的华北暴雨雨情中，该雷达精准探测到降水三维精细结构信息，为防灾减灾提供了宝贵的观测数据。

国内首颗降水测量气象卫星

作为我国自主研制并达到国际先进水平的第二代极轨气象卫星，风云三号系列卫星大部分属于近极地太阳同步轨道卫星，分布在离地球800多公里的太空中。而风云三号G星的轨道高度在407公里，属于非太阳同步倾斜轨道，且不经过极地，外观也与其他风云三号卫星不同。它为何如此特殊？

“特殊轨道、特殊外观取决于它特殊的使命——解决台风等灾害性天气系统强降水监测问题，为世界提供全球中低纬地区降水三维结构信息，因此我们也称它为‘降水星’。”张鹏说。

据介绍，降水是水循环的重要组成部分，在气候变化背景下，气象灾害频发，对降水系统瞬时结构和全球分布特征的认识，成为人们防灾减灾、理解全球气候变化的重要内容。

目前，我国已建成比较完备的地面监测网，其中地面降水雷达在监测降水三维信息方面发挥了巨大作用，但它在广袤海域或地形复杂等地区存在监测盲区。而卫星在监测这些区域方面具有特殊优势，那么如何将降水雷达搬到卫星上，实现强强联合？张鹏表示，研制风云三号G星的目的就在于此，在太空中实现对降水结构的三维滴谱探测，地空天协同，解决地面降水监测盲区的问题。

风云三号G星上配置有双频降水测量雷达、微波成像仪、中分辨率光谱成像仪、全球导航卫星掩星探测仪4个业务载荷和高精度定标器、短波红外偏振多角度成像仪两个试验载荷。通过主动降水雷达、微波降水遥感和红外降水估计，可以提供降水结构的三维立体监测信息，这对于我国强降水监测预报预警、降水机理研究和支撑人工影响天气业务开展，具有非常重要的意义。

此外，张鹏表示，风云三号G星是中国发射的国内首颗、国际第三颗降水测量气象卫星，它将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。

“双管齐下”造雷达

时间回拨至十七年前，2006年，第二代极轨气象卫星的首发星风云三号A星正处于后期工程研制阶段，发射指日可待。当时气象卫星科技工作者就已在谋划：“实现升级换代后，未来极轨卫星的技术攻关将指向何方？”

彼时，利用气象卫星对地面降水进行主动立体监测是气象业务中的迫切需求，但这对航天工业研制要求非常高，难题摆在了气象和航天工作者面前。“最终，在大气科学发展需求、气象业务发展需求和航天科技进步需求等三方需求牵引下，我们共同确定了风云三号降水星的研制任务。”张鹏说。

我国处于北太平洋西部台风活动带，台风暴雨内涝一直是部分地区面临的主要自然灾害。获取降水资料，过去主要借助雨量计、地基雷达等手段，但受设备数量和分布位置限制，大范围高空间分辨率的地面降水信息很难得到。1997年，美日联合发射装载降水雷达的TRMM（热带降雨测量任务）卫星，开创了星载雷达探测降水的先河，也为我国新一代低轨风云气象卫星发展提供了借鉴思路。

21世纪初，704所科研人员开始搜集材料，对星载降水雷达开展前期研究。他们敏锐地觉察到，相比TRMM卫星所用的单频雷达，双频降水雷达在实际应用中效果更好。

“Ku、Ka双频降水测量雷达，能将雷达观测分辨率高和卫星观测范围广的优势结合起来。”704所微波遥感技术研究室主任江柏森介绍，Ku频段有利于探测强降水，Ka频段有利于探测弱降水，两者同步工作可以扩大降水探测能力，哪怕是每小时0.2毫米的毛毛雨，也能精准感知。

此外，利用降水粒子对不同频段雷达信号散射不同的特性，双频测量可以分辨雨、雪、冰雹等，探测降水过程中的液态、固态变化，这在气象应用中十分重要。当时，美日联合实施的全球降水观测计划（GPM）启动不久，星载双频降水雷达在国际上也处于探索阶段。“那时我们就想，要做就做最好。”江柏森说。

在2006年举办的气象卫星发展论坛上，研制国产降水测量卫星成为共识。704所奋勇“揭榜”，扛下了卫星主载荷降水测量雷达的研制重任。

造雷达难上天更难

造雷达难，要让它胜任天上的工作更不易。与大多数星载雷达间歇性工作不同，降水测量雷达需要在风云三号G星的6年设计寿命内不间断开机，意味着它至少要连续工作约5.3万小时。其可靠性和长寿命要求，成为研制团队面临的难题。杨润峰带领设计团队，在各种制约因素中探寻最佳平衡——通过优化算法和资源配置，弥补高可靠性芯片处理能力弱的问题；在满足重量、体积、功耗等要求的同时，对系统级、单机级、软件级等方面进行冗余备份设计。

相比地面雷达，星载雷达是从天上往下看，面临很多新问题，例如地表回波会对探测形成干扰。江柏森说，地表回波信号比降水回波信号强百万倍，如果不能很好地将其分离、消除，降水信号就测不准甚至测不到。对此，研制团队开展了大量创新攻关。

在该雷达面阵上，密集排列着一行行缝隙，电磁波就从这些缝隙里辐射出来。江柏森介绍，这数万个波导缝隙由精密加工设备切成，其宽度、深度、角度各不相同，由此可以控制阵面中不同位置电磁波能量的大小和相位。这样的设计能有效抑制干扰，解决很多在天上观测带来的问题。相比美日GPM卫星，风云三号G星性能优势明显。“在观测幅宽上，我们的Ku、Ka波段雷达分别高出20%和140%；相同的灵敏度条件下，我们的‘CT’每250米扫描一层，精细程度优一倍。”江柏森说。

目前，降水测量雷达在轨测试运行稳定，研制人员手里的工作却丝毫没有松懈。在密切关注雷达在轨状态的同时，他们已投入到其他星载降水测量雷达的研制，以及下一代降水测量雷达的攻关中。

“气象工作与生命安全、生产发展、生态环境紧密相关，是事关人民幸福安康的‘国之大者’。”704所所长于勇说，“双频降水测量雷达是我们迈出的第一步，未来我们将继续在微波主动气象领域精耕细作，不断推出更先进的气象遥感仪器，为我国迈向‘气象强国’作出更大的贡献！”

测量降水“顶配”出击

卫星国际首次采用双频主动降水测量雷达与被动微波、光学遥感相结合的综合探测，搭载了降水测量雷达、微波成像仪、中分辨率光谱成像仪等4台业务载荷。

微波成像仪在国内首次实现9频点26通道一体化探测，可以接收地球大气10-183GHz微波辐射能量，进行全天时、全天候、多极化协同探测，就像一只高灵敏、高精度的千里眼，获取台风内部温湿结构、台风强度、台风影响区雨强等相关关键信息，预测台风未来发展情况，对台风暴雨“精确把脉”。

主动降水测量雷达与被动微波、光学遥感相辅相成，强强联合，将测量降水的配置拉成“顶配”。卫星发射后将填补国内降水三维立体层析探测数据空白，整体功能性能达到国际先进水平。

风云三号G星发射重量约3.6吨，运行于高度407km、倾角50°的倾斜轨道，是风云气象卫星的首颗非太阳同步倾斜轨道卫星。风云三号G星的主要观测对象是大气中的降水现象，全球降水又主要发生在地球的中低纬度地区，为了提高降水观测的时效性，风云三号G星便采用了轨道倾角为50°的低倾角轨道。

为确保卫星始终以同一侧面面向太阳，稳定卫星的外部热环境，航天科技工作者们为风云三号G星量身定制了一套自动掉头工作模式，在轨运行过程中，当太阳光从轨道面的一侧运动到另一侧时，风云三号G星将自动旋转，实现前后掉头，从而确保始终以同一个侧面面向太阳。这样，无论太阳在什么位置，卫星的外部热环境都能相对稳定，从而保障了星上仪器始终处于舒适的温度区间，发挥更好的性能。

风云三号G星将发挥“独门绝技”，与风云三号晨昏星、上午星、下午星功能互补、相互配合，组网形成完整的低轨气象卫星业务综合观测能力，将预报精度提高3%左右，将预报时效延长24小时左右，将气象灾害监测时效提高近1倍，有效监测卫星寿命周期内发生在海上的台风内部云、雨的发展过程，为台风、暴雨、暴雪等灾害性降水提供高精度观测资料，进一步提高全球数值天气预报效能。

在轨运行后，风云三号G星将通过探测云、水汽、气溶胶、风场等相关要素，进一步研究降水形成过程，并且能精确感知到地球大气0.2毫米/小时的降水强度变化，探测到毛毛雨般的降水强度，精准度达到国际先进水平。卫星发射后将大幅提高空间降水探测能力，为全球气象灾害的监测和预报提供有力手段。

文章来源： 科技日报，新民晚报，光明网