4月16日，距离地球407公里的浩瀚太空中，又增加了一颗闪亮的“中国星”——风云三号G星。
风云三号G星，是风云气象卫星家族的第20颗卫星，也是风云三号系列卫星发射的第6颗星。作为中国首颗低倾角轨道降水测量卫星，它的成功发射，标志着我国成为全球唯一同时业务运行晨昏、上午、下午和倾斜四条近地轨道民用气象卫星的国家。
风云三号系列卫星运行轨道：这颗卫星发射背后有怎样的故事？它将为全球天气监测预报服务贡献哪些中国力量呢？
一是，中国首颗低倾角轨道降水测量卫星成功发射，标志着我国成为全球唯一同时业务运行晨昏、上午、下午和倾斜四条近地轨道民用气象卫星的国家。
二是，特殊的外观、特殊的轨道，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，因此被称为降水星。
三是， 通过中继技术实现了降水星数据传输，将数据获取时间从16小时压缩到3小时内，这也是民用卫星上首次使用中继技术开展业务数据传输。
四是，国内首次实现星载主被动微波联合测量降水系统三维结构、首次实现星载被动微波辐射计成像和探测一体化设计、首次生成风云三号被动微波多星融合综合数据集。
一、特殊的使命，特殊的轨道，特殊的外观——国内首颗、世界第三颗降水星
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？
“特殊的外观、特殊的轨道，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‘降水星’。”张鹏说。
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2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星是继美、日联合发射专用降水测量卫星之后，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。
二、十余年磨砺，让构想变为现实——需求牵引，实现多项首次
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。
锁定目标后，承担这一重大工程任务的气象和航天工作者便开始紧锣密鼓地部署推动。
2010年，突破卫星载荷原理样机技术；2014年，完成卫星使用要求确定，2015年，研制方案通过专家评审，随后降水星正式纳入风云三号工程建设；2018年，天地一体化5大系统研制工作正式启动……“就在上个月，我们完成了卫星发射前整个地面系统的联调联试工作，这标志着地面系统准备好，具备了接收处理降水星资料的能力。” 谷松岩说。
如今，位于非太阳同步轨道上的风云三号G星，在407公里的太空中自由翱翔，两个太阳能板如同它的翅膀，使其能游刃有余地持续获取太阳能量。谷松岩表示，太阳同步轨道卫星只有一个太阳能板，因为它与太阳的夹角始终不变，因此可以持续获取太阳能量，而降水星与太阳的夹角是变化的，当太阳能板与太阳间的夹角小于某个角度时，它就不能获取足够能量，需要通过掉头利用另一侧的太阳能板继续获取太阳能量。而此前，如何解决卫星跟踪太阳方向的问题让研制人员很是头疼，如今已全部在降水星上彻底解决。
此外，降水星运行时并不经过南北极，无法借用南北极的卫星接收站的数据中转功能，如果仅靠国内卫星地面站来接收降水星的监测资料，可能需要16个小时才能完成数据同步，这根本无法满足降水天气应用的时效需求。怎么办？又一难题摆在眼前。
“最后，我们通过中继技术实现了数据传输，将数据获取时间从16小时压缩到3小时内，这也是民用卫星首次使用中继技术开展业务数据传输。” 谷松岩解释，当降水星飞过中继卫星时，把观测数据及时上传至中继卫星，中继卫星再将数据传到地面站，这相当于把南北极卫星接收站放到了天上的中继卫星上，从而使数据获取时效达到预期效果。
“我们还将福建、上海、海南等省级遥感卫星地面站纳入国家级站网布局，扫除海上、山区等部分地区地基观测的盲区，以最快速度实现降水星的监测资料对我国沿海等地区降水产品制作的支持。” 谷松岩说。
国内首次实现星载主被动微波联合测量降水系统三维结构、首次实现星载被动微波辐射计成像和探测一体化设计、首次生成风云三号被动微波多星融合综合数据集……一项项技术突破的背后，其实也是中国航天工业研制能力稳步提升的写照。
十几年来，风云三号A星、B星、C星、D星、E星先后发射成功并业务化运行，实现了我国极轨气象卫星的升级换代、填补了国际晨昏轨道气象卫星技术空白，技术的更迭使得监测资料能够更好地满足全球数值天气预报同化和时效要求，为全球中长期数值预报精度的提升贡献了中国力量……
2023年8月，我国还将发射风云三号F星，后续风云三号H星、I星、J星也在紧锣密鼓布置中，预计到2026年前后，风云三号将形成由两颗降水星（风三G星和I星）和5颗业务极轨气象卫星（风三D星、E星、F星、H星、J星）组成的星座体系，届时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业务能力。张鹏说：“我们不光要用好现在的卫星，同时还要规划好未来一代卫星，真正起到承先启后的作用。”
据悉，目前我国第三代极轨气象卫星风云五号的技术攻关方向也在同步谋划中。未来，风云卫星将通过不断提升星载降水探测能力，促进我国降水探测能力及预报准确率的提高，进而为全球应对气候变化提供支撑。
（本文由中国气象局宣科中心出品）
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