降水卫星如何给云层做CT扫描？一起来探秘

4月24日，是我国第八个航天日，今年的主题为“格物致知，叩问苍穹”。意思是不断研究事物的原理，而获得更多的知识，倡导广大公众特别是青少年，行而致知、知而促行，不断探索宇宙奥秘。回顾我国航天发展的历程，不论是载人航天还是遥感卫星的研发，这样的主题始终贯穿其中。不久前，我国在轨气象卫星家族中又增添一名新成员，风云三号G星，这颗卫星具有重大的技术突破，使我国气象研究站上一个新的台阶。

4月16日上午9点36分，风云三号G星在酒泉成功发射。这是全球第三颗，我国第一颗专门用来测量降水的卫星。它将在轨服役至少6年。这颗卫星有一个独特的本事，只要7天就可以完成一遍对全球中低纬度地区降水三维层析结构的探测，简单地说，就是相当于给空中的云层做了一个CT扫描。对气象科学家们来说，这个CT扫描，将为他们打开一个新的世界。

雨、雪、冰雹等等，这些与降水有关的天气现象，都属于降水卫星的观测范围。了解云层中的雨滴空间分布和垂直分布的情况，对降水预报预警都至关重要。我国虽然已经具有完备的地基降雨观测系统，但是无法覆盖海洋和地形复杂的山地区域，同时，原有的卫星只能拍摄二维平面云层图像，这给准确预测降水带来了很大的困难。

国家卫星气象中心副主任、风云三号极轨卫星地面系统总指挥 张鹏：准确知道降雨发生在什么位置、什么时间、下多大，这是一个世界性难题。预报的准确率，比如温度预报能达到七八十分，但是降雨预报的准确率只能达到二三十分的量级。

精准预报降水是一个世界难题，风云三号G星的诞生，就是向解决这一难题迈出的一大步。

国家卫星气象中心副主任、风云三号极轨卫星地面系统总指挥 张鹏：它可以了解全球尺度降水，深化我们对降水全球气候形态的认识，进一步帮助科学家准确认识降水的机理，更科学进行降水预报，作用非常巨大。

那么，这颗独特的降水卫星是如何实现给云层做CT扫描的呢？秘密就在这颗卫星搭载的主载荷——双频降水测量雷达上。KU频段的雷达和KA波段的雷达，一大一小两个雷达，通过向大气发出不同频段的无线电磁波信号，接收降水粒子的反射信号，来构建大气降水的三维图像。

降水雷达不仅能测出中到大雨，还能将细微如毛毛雨这样的变化监测出来，可谓是明察秋毫。这样细微的观测，对地面雷达来说也不是一件容易的事，天上400公里外的降水雷达是如何做到的呢？

时间回到2006年，那一年，在第二代低轨气象卫星的主要技术完成攻关之后，气象科学家们提出了一个需求。

国家卫星气象中心副主任、风云三号极轨卫星地面系统总指挥 张鹏：航天的科学家问我们气象的科学家，气象最需要观测的是什么要素？我们说是降水。我们又问，要准确地测量降水，必须要有天上的主动雷达，这个技术你们能实现吗？我们要求这颗卫星在天上工作，它可以测到0.2个毫米每小时、就是毛毛雨的降雨量。

对航天科学家来说，这是个不小的挑战。当时，国外也在研究这样的技术，但是性能指标并没有这么高。要达到这样的性能指标，必须解决一个问题，就是要让微弱的降水回波信号从干扰信号中准确分离出来。

中国航天科技集团九院七〇四所微波遥感技术研究室主任 江柏森：地表回波比降水回波强一百万倍，常规雷达地表信号干扰一般在一万倍左右，如何在一百万倍的信号中挑取出降水回波，这个难度很大。

如何从纷繁复杂的信号中挑出最微弱却最有用的那些信号，困扰着科学家们。不过，格物致知，攻坚克难，是他们一直的追求。最终，他们花了近3年的时间，用独特的方式成功解决了这个问题，雷达发射面上密密麻麻的小缝隙，就是关键点之一。这些小缝隙，承担着抑制干扰回波的重任。它们一排排整齐排列，看上去大小相同，只是角度略有差别。但实际上，在这近两万个缝隙中没有任何一个一模一样。

在整个雷达研制过程中，这样精密、不容误差的“艺术品”科研人员做了不下10个。他们切割出了几十万个各不相同的小缝隙，通过无数次试验，最终才捕获到那些最微弱的回波信号。研制的过程漫长而艰辛，而到了2010年实验验证阶段，则需要耐心和运气。

中国航天科技集团九院七〇四所所长、风云三号G星副总师 于勇：降水必须下雨天才能测，有几个条件必须同时满足：天上的卫星得过境，那个点还要下雨，我们还有一个船，就是放些浮标，数据比对。在那飞了将近3个月，碰上这种条件的也就两天。

江柏森对其中一天记忆犹新。那一天本以为没有降雨会空手而归，没想到返航途中下起了小雨，兴奋的他们立刻要求回到测试点。

中国航天科技集团九院七〇四所微波遥感技术研究室主任 江柏森：很难得获得这么一次机会，我们通过雷达挂载在飞机的机腹下方，探测降水，把回波记录下来，确实比较兴奋，也比较难忘。

最终的事实证明，等待是值得的。回波信号显示的降水信息与其他方式监测的信息完全吻合，这证明了双频降水测量雷达的成功，可以运用在太空中。不过，行百里者半九十，雷达研制的成功并不代表整个卫星大功告成，之后的十多年，还有重重难关要突破。

通常情况下，中低纬度地区降水较为频繁，因此，在设计上，这颗卫星就有别于别的卫星运行轨道，是家族中飞得最低，且倾角最小的成员。它的运行轨道高度407千米，与赤道面夹角仅50度，这样才能够更好地监测降水情况，而这也对卫星的运行姿态提出了挑战：它需要频繁调整角度来适应太阳照射，如同跳空中芭蕾。

中国航天科技集团八院、风云三号G星总设计师 钱斌：很频繁，一年要发生13次。都靠地面控制去做的话，理论上讲也行，但是要投入人力、物力和地面长期管理人员，也会带来很大的工作量。所以我们考虑整星设计的时候，把自主偏航180的动作都设计成全自主的活动，包括在维持轨道高度方面，也开发了一些算法，自主做一些轨控动作，确保轨道高度的稳定。

自设难度，精益求精，这样的精神一直贯穿于卫星研发始终。除了双频降水测量雷达、卫星低轨道低倾角自主偏航之外，风云三号G星还具有不少独特性，例如它还同时搭载了微波成像仪、中分辨率光谱成像仪和全球导航卫星掩星探测仪，种种独特的性能和载荷让整个卫星从概念的提出到研制成功长达17年。

如今，风云三号G星已经顺利升空，就在4月21日，部分载荷已经成功开机，接下来将进入全面验证过程。从1970年提出要发展我们自己的气象卫星到现在，我国气象卫星从无到有、升级换代，定量观测能力已经全面接近世界领先水平，完成了由跟跑到并跑的飞跃。

国家卫星气象中心副主任、风云三号极轨卫星地面系统总指挥 张鹏：从2018年开始，我们的定量观测精度更高，要有一些自己独特的观测能力。不仅为我们国家的气象作贡献，还要响应总书记的要求，让风云气象卫星服务国际社会，服务“一带一路”。既体现了我们技术的进步，也让我们技术的进步普惠整个地球，普惠全人类。

目前，我国风云卫星在轨运行8颗，成为全球唯一同时运行晨昏、上午、下午和倾斜4条近地轨道民用气象卫星的国家。我国对于气象的探索进入了一个更加深入的阶段。

风云卫星只是我国太空探索应用中的一个典型。据国家航天局介绍，我国目前在轨稳定运行的300kg以上的卫星有300余颗，居世界第二位。构建起了以卫星通信、卫星遥感、卫星导航为主体的天地一体化国家空间基础设施体系，为20多个行业提供了准确的信息，其中近50个业务领域实现100%信息自给率。这些都为服务国计民生、加快建设科技强国，实现高水平科技自立自强提供了宝贵经验。