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【央视网】《焦点访谈》云中探秘问苍穹

央视网消息(焦点访谈):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时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:“准确地知道降雨发生在什么位置、什么时间、下多大,这是一个世界性的难题,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。

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。

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个毫米每小时的降雨量,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,必须要解决一个问题,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。

在整个雷达研制的过程中,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,我们还有一条船,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。

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°,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。

张鹏:“从2018年开始,我们的定量观测精度更高,我们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。