王存恩（北京空間科技信息研究所）

2014年2月28日，“全球降雨觀測”（GPM）衛(wèi)星由日本H-2A火箭從種子島發(fā)射，該衛(wèi)星是“全球降雨觀測”計劃中的主衛(wèi)星，也是“熱帶降雨觀測”（TRMM）衛(wèi)星的后繼星，由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）和美國航空航天局（NASA）聯(lián)合研制?！叭蚪涤暧^測”衛(wèi)星是世界上首顆配備以Ku頻段雷達(dá)（KuPR）和Ka頻段雷達(dá)（KaPR）組成的雙頻段、毫米頻段、具備多普勒測速功能雷達(dá)為主的降雨觀測衛(wèi)星，它不僅可用于地球觀測，也能用于安全保障。

1 “全球降雨觀測”計劃

啟動背景

早在20世紀(jì)80年代中期，日美就簽訂了共同研制“熱帶降雨觀測”衛(wèi)星的協(xié)議，并于1997年11月27日用H-2火箭將其送入預(yù)定軌道。該衛(wèi)星設(shè)計壽命僅3年，但2001年日美對衛(wèi)星實施了軌道提升，由350km提升到402.5km，所以到目前為止，這顆衛(wèi)星依然在軌穩(wěn)定運行?！盁釒Ы涤暧^測”衛(wèi)星對占全球降雨量2/3的熱帶和亞熱帶地區(qū)的降雨進(jìn)行了長達(dá)15年的觀測。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)歸納和整理獲取的全部觀測數(shù)據(jù)，建立了熱帶和亞熱帶降雨、熱帶低氣壓信息等數(shù)據(jù)庫，對研究厄爾尼諾等異?，F(xiàn)象和引起氣候變化的主要原因—降雨和熱循環(huán)等發(fā)揮了重要作用。

“熱帶降雨觀測”衛(wèi)星的發(fā)射與成功應(yīng)用，使人們進(jìn)一步認(rèn)識到有計劃地開展全球降雨觀測十分必要。于是，日美決定研制新一代降雨觀測衛(wèi)星，同時提出了以“全球降雨觀測”衛(wèi)星作為主衛(wèi)星，吸收具備同種功能的地球觀測衛(wèi)星的國家或空間組織所積累的經(jīng)驗，與其協(xié)力拓展降雨觀測，形成了一個完好的“全球降雨觀測”計劃。截止到2013年底，正式參加這項計劃的共有9顆衛(wèi)星，它們都作為“全球降雨觀測”計劃的副衛(wèi)星，在承擔(dān)整個計劃的運行管理單位—美國航空航天局戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）的協(xié)調(diào)管理下，以松散組網(wǎng)運行方式對全球降雨進(jìn)行全面觀測。參加這項觀測計劃的國家或機構(gòu)可通過其地面接收站接收這些衛(wèi)星發(fā)送的降雨觀測數(shù)據(jù)，并將其傳送至設(shè)在戈達(dá)德航天飛行中心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由其統(tǒng)一處理，然后生成數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并在最短時間內(nèi)向參加這項計劃的國家或機構(gòu)，以及研究人員提供其所需的最新降雨走勢圖，以支持相關(guān)組織和研究人員對全球氣候和降雨等數(shù)據(jù)開展深入研究。

計劃目的

推進(jìn)“全球降雨觀測”計劃，研制和發(fā)射“全球降雨觀測”衛(wèi)星，并邀請其他國家和空間組織參加該計劃，其主要目的是喚醒人們提高對保護水資源重要性的認(rèn)識，針對水資源銳減和水污染嚴(yán)重等現(xiàn)實，喚起人們認(rèn)清保護水資源的重大意義；認(rèn)真地開展研究，增強對水資源進(jìn)行科學(xué)管理意識；并想方設(shè)法把獲取的全球降雨觀測信息等有效地用于環(huán)境保護，提高天氣預(yù)報精度，并及時播報洪水災(zāi)害信息，為保護水資源，減少人民生命財產(chǎn)損失，以及解開氣候異常之謎作貢獻(xiàn)。

（1）認(rèn)清水資源的重要性，提高保護水資源意識

人們在世界上生活離不開水，它和空氣、糧食都是人們賴以生存的必需品。人類生存的地球表面積的97.5%都是海水，但淡水僅占2.5%，而可供人們生活用的水只占地球上保有水量的0.3%。這些“珍貴的水”基本上都是來自降雨、降雪后流入或滲入地下，并流入江河湖泊的淡水。人類離不開“珍貴的水”，但這些“珍貴的水”也常常威脅人們的生命財產(chǎn)安全。據(jù)不完全的統(tǒng)計，威脅人們生命安全的約60%的因素來自“珍貴的水”——洪水、暴雨、暴雪及由其所致的山洪暴發(fā)和山體滑坡；海嘯、核電站泄漏及其所引起的輻射等。所以，實時地對降水（雨和雪）進(jìn)行觀測，掌握其可能造成的危害；搞清地球上水資源循環(huán)的機理，合理地利用水資源造福于人類，同時想方設(shè)法減少乃至杜絕“珍貴的水”（也包括海水）給人們帶來的災(zāi)難。這是研制、發(fā)射并利用“全球降雨觀測”衛(wèi)星的真實目的。

地球表面水的面積和淡水與人們生活用水分布比例圖

（2）有效地開展降水方面的科學(xué)研究，為保護環(huán)境做貢獻(xiàn)

日美希望通過執(zhí)行“全球降雨觀測”計劃，有效地利用參加“全球降雨觀測”計劃的多顆衛(wèi)星獲取大量、全面的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對全球的大氣、海洋和陸地出現(xiàn)的降雨和地表熱輻射等現(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)觀測和研究，搞清在全球范圍所出現(xiàn)的各種異?，F(xiàn)象，如太平洋東部和南美海面海水持續(xù)高溫，連續(xù)出現(xiàn)的強降雨、降雪、干旱和頻發(fā)的洪水等嚴(yán)重威脅人類生命安全的惡劣自然現(xiàn)象的原因；尋覓減少出現(xiàn)上述現(xiàn)象的良策，使航天對保護人類賴以生存的地球環(huán)境發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

（3）加強水資源管理，防止水資源減少

執(zhí)行“全球降雨觀測”計劃就是要有效地利用該計劃中由主衛(wèi)星和副衛(wèi)星所構(gòu)成的觀測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)實時觀測，充分地發(fā)揮其對全球降雨進(jìn)行全面、實時觀測的功能。具體包括：①進(jìn)一步掌握與人們休戚相關(guān)的水—生活用水、工農(nóng)業(yè)用水、發(fā)電用水的水源分布情況；②對照已掌握的原始水源分布信息，實時了解地球水源（也包括海水）的變化情況，通過比對其增減狀況，特別是主要江河湖海以及各個蓄水區(qū)域的蓄水量增減，以及飲用水區(qū)段的水質(zhì)污染情況，分析其原因、發(fā)展趨勢和可能釀成的后果，并將其通報給相關(guān)國家和地區(qū)性組織機構(gòu)，乃至相關(guān)國際組織機構(gòu)，以引起人們的足夠重視，并及時采取有效對策，以制定可有效地保護和控制人們賴以生存的水資源（生活用水、工農(nóng)業(yè)用水、發(fā)電用水）手段，防止水資源急劇減少，以及減少乃至徹底杜絕其對人們生命財產(chǎn)造成的威脅。

（4）提高天氣預(yù)報精度，及時播報異常天氣、洪水災(zāi)害等信息

民眾都希望實時收聽準(zhǔn)確的天氣預(yù)報，以便及時應(yīng)對天氣變化，及時采取行之有效的對策，將損失降至最低。然而，由于設(shè)計能力、技術(shù)水平、分析能力等原因，致使遲報、漏報、錯報現(xiàn)象屢見不鮮。利用“全球降雨觀測”計劃的主衛(wèi)星和9顆副衛(wèi)星上搭載的遙感器，通過組網(wǎng)運行和有效管理，可望實現(xiàn)全天候觀測，獲取全球不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同時段與生成暴風(fēng)雨、暴風(fēng)雪等異常氣候現(xiàn)象有關(guān)的數(shù)據(jù)，并向“全球降雨觀測”計劃參加國或機構(gòu)提供異常氣象預(yù)測、分析信息，有望提高天氣預(yù)報精度，實現(xiàn)更及時播報，為人們更快地制定有效的應(yīng)對措施，減少因降雨、降雪和異常天氣等所致的洪澇災(zāi)害，為人們生命財產(chǎn)損失做貢獻(xiàn)。

正常情況（左圖）與受厄爾尼諾現(xiàn)象影響（右圖）的大氣狀況比較

計劃特點

“全球降雨觀測”計劃的主要特點是：①不僅能夠觀測到暴雨、大暴雨、大暴雪，還可觀測到“熱帶降雨觀測”衛(wèi)星所觀測不到的小雨，乃至雨云中的雨珠、雪花和微小的冰粒等，大幅度地提高觀測精度；②全面擴大觀測范圍，由原來只能夠?qū)釒Ш蛠啛釒У貐^(qū)的降雨進(jìn)行觀測擴展到可對全球的降雨、降雪等進(jìn)行觀測；③實現(xiàn)高頻度觀測，即每3h就可獲取1次地球大氣中的降水走勢信息，因此，無論是對保護水資源，確保觀測信息的有效利用，還是對洪澇等自然災(zāi)害盡快采取有效措施均能夠發(fā)揮重要作用。

測試中的“全球降雨觀測”衛(wèi)星

“全球降雨觀測”衛(wèi)星的主要性能參數(shù)

2 主衛(wèi)星—“全球降雨觀測”衛(wèi)星

衛(wèi)星概況

“全球降雨觀測”衛(wèi)星采用零動量三軸姿態(tài)控制，質(zhì)量為3500kg，衛(wèi)星運行在軌道高度為407km、軌道傾角為65°的非太陽同步軌道上。美國航空航天局負(fù)責(zé)衛(wèi)星公用平臺的研制，有效載荷部分包括雨云掃描雷達(dá)（DPR，又稱雙頻段降雨雷達(dá)）和微波輻射計（GM I）。前者由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)、情報通信研究機構(gòu)（NICT）和日本電氣公司（NEC）研制；后者由美國航空航天局研制。美國航空航天局負(fù)責(zé)衛(wèi)星的跟蹤與應(yīng)用；日美共同負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

主要有效載荷

（1）雙頻段降雨雷達(dá)

雙頻段降雨雷達(dá)采用箱型結(jié)構(gòu)，由Ku頻段雷達(dá)和Ka頻段雷達(dá)組成。在其結(jié)構(gòu)體中分別配備了發(fā)射和接收系統(tǒng)（TRS）、頻率變換和中頻部分（FCRF）、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理部分（SCDP）。結(jié)構(gòu)體中指向地球一側(cè)的面上安裝了天線系統(tǒng)（ANT）；為了散熱，在結(jié)構(gòu)體的側(cè)面貼有太陽反射鏡（OSR），而除太陽反射鏡和天線之外，所有結(jié)構(gòu)體表面均覆有以鍺為主的熱控蒸著鍍膜。

雙頻段降雨雷達(dá)是在1997年發(fā)射的“熱帶降雨觀測”衛(wèi)星上降雨雷達(dá)（PR，僅Ku頻段的雷達(dá)）的基礎(chǔ)上增加了實時電波的功能，伴隨衛(wèi)星在軌運行高度變化，其脈沖重復(fù)頻率（PRF）也隨之變化，用來測量雨滴的信號散射強度。雙頻段降雨雷達(dá)能夠?qū)⒂甑嗡碌纳⑸湫盘栕儞Q成中頻信號，然后進(jìn)行對數(shù)檢波；接著，還要進(jìn)行模數(shù)變換、積分處理等數(shù)字信號處理，再通過衛(wèi)星本體的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)把獲取的觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到地球站。

Ku頻段和Ka頻段雷達(dá)的主要性能：

·可觀測降雨強度，分別約為0.5mm/h（Ku頻段雷達(dá)）和0.2mm/h（Ka頻段雷達(dá)）；

·觀測高度范圍，地表以上19km；

·觀測掃描寬度，分別為245km（Ku頻段雷達(dá)）和125km（Ka頻段雷達(dá)）。

Ku頻段和Ka頻段雷達(dá)的主要功能：

·脈沖重復(fù)頻率隨衛(wèi)星運行高度信息變化而隨之變化的功能；

·所搭載的儀器具備內(nèi)部和外部校正功能；

·衛(wèi)星具備獨立的熱控功能。

此外，Ku頻段雷達(dá)和Ka頻段雷達(dá)各有側(cè)重，在同時進(jìn)行觀測時可起到互補作用，可對從熱帶強降雨、降雪到高緯度的弱降雨、降雪都進(jìn)行高精度觀測。

雙頻段降雨雷達(dá)通常不受降雨衰減量大小的影響，同時觀測同一場所降雨（雪）的雨滴（雪花）的大小，可獲得降水量之差，再根據(jù)降水量之差就可估算出雨（雪）雨滴（雪花）的大小，以及雨滴粒徑或雪花粒徑的分布情況。由于其可獲得單一頻段雷達(dá)所無法獲得的大量信息，能大幅度地提高對降雨量的觀測精度，并且可跟蹤到雨云信息，所以人們也將其稱為“雨云跟蹤雷達(dá)”。

Ku頻段雷達(dá)的外觀圖

Ka頻段雷達(dá)的外觀圖

圖中白色部分為天線，側(cè)面為用于保護太陽反射鏡的保護罩

Ku頻段發(fā)射/接收單元

Ka頻段發(fā)射/接收單元

雙頻段降雨雷達(dá)的設(shè)計者要求兩個頻段雷達(dá)不僅要具備根據(jù)其從發(fā)送電波到接收到雨滴回聲所需的時間計算出降水量的高度分布，還要求其所配備的天線波束要具備既能夠掃描到衛(wèi)星的前進(jìn)方向，又能夠掃描到垂直方向的功能，從而測量出降水的三維分布。為滿足這一要求，設(shè)計者決定在這兩個頻段雷達(dá)上均配備相控陣天線，而且全都采用由128個天線元件組成的全電子掃描式天線系統(tǒng)。為實現(xiàn)全電子掃描，還采用將128個天線元件全都連接到了發(fā)射/接收（T/R）機模塊上：發(fā)射/接收機模塊內(nèi)配備有相移器，執(zhí)行放大發(fā)射和接收電波用的固體電子放大器（SSPA）和低噪聲放大器（LNA）都安裝到相移器內(nèi)。另外，把128個天線元件都集成到8個發(fā)射/接收單元內(nèi)，達(dá)到了有效壓縮了搭載空間的目的。

此外，為確保發(fā)射/接收機單元內(nèi)的固體電子放大器和低噪聲放大器能夠經(jīng)受住衛(wèi)星在軌運行階段苛刻的溫度環(huán)境考驗，使增益不發(fā)生變化，在設(shè)計階段就采取了高縝密度的溫度補償措施，從而達(dá)到高可靠性運行，且能獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

（2）微波輻射計

微波輻射計是在“熱帶降雨觀測”衛(wèi)星所攜帶的微波觀測裝置（TM I）的基礎(chǔ)上研制的多頻段、多偏波圓錐掃描式微波輻射計。

與微波觀測裝置相比，“全球降雨觀測”衛(wèi)星搭載的微波輻射計有兩大特點：①微波觀測裝置只有9個頻段（10.65～89GH z），而微波輻射計在其基礎(chǔ)上增加了4個高頻頻段，如166GH z（“窗口”頻段）和183.31GH z（吸收水蒸氣頻段）。正是由于追加了這4個高頻頻段，且多用于高緯度的海域和陸域觀測，大幅度地提高了對于小雨雪的估算精度。②與微波觀測裝置相比，“全球降雨觀測”衛(wèi)星所用天線的孔徑較“熱帶降雨觀測”衛(wèi)星加大了1倍，由0.6m變?yōu)?.2m，大幅度地提高了空間分辨率。

采用這種模式的微波輻射計與雙頻降雨雷達(dá)同時進(jìn)行觀測，不僅可大幅度提高對降雨和降雪的估算精度，同時還可通過利用主衛(wèi)星的微波遙感器進(jìn)行高精度觀測，為在副衛(wèi)星上搭載的各種不同規(guī)格的微波輻射計之間搭建起進(jìn)行高頻率觀測的橋梁；還可通過對副衛(wèi)星上搭載的微波輻射計的輝度和溫度進(jìn)行校正，使各遙感器間保持在一種平衡狀態(tài)，從而達(dá)到降低降雨強度估算誤差的目的。

如果雙頻段降雨雷達(dá)和微波輻射計同時持續(xù)觀測，還可建立且起到全天候觀測用數(shù)據(jù)校正器的作用，能夠起到提高微波輻射計（包括副衛(wèi)星上所搭載的微波輻射計在內(nèi)）對降水觀測精度的作用。

利用“全球降雨觀測”衛(wèi)星進(jìn)行降雨觀測原理圖

另外，在“熱帶降雨觀測”衛(wèi)星仍繼續(xù)執(zhí)行飛行任務(wù)情況下，將與新發(fā)射的“全球降雨觀測”衛(wèi)星一起執(zhí)行飛行任務(wù)，對確保觀測穩(wěn)定性、增加獲取信息量等有重要價值。

3 “全球降雨觀測”計劃的9顆副衛(wèi)星

據(jù)日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)報道，到2013年1月底，決定參加“全球降雨觀測”計劃的還有9顆副衛(wèi)星。

·法國國家空間研究中心（CNES）和印度空間研究組織(ISRO)共同研制和發(fā)射的“熱帶云”（M egha-Tropiques）衛(wèi)星；

·美國國防部（DOD）研制的“國防氣象衛(wèi)星計劃”（DMSP）中的兩顆衛(wèi)星（DMSP-F19和F20）；

·日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)研制和發(fā)射的全球變化觀測任務(wù)-水1（GCOM-W 1）；

·歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）研制的氣象業(yè)務(wù)-B、C（MetOp-B、C）衛(wèi)星；

·美國國家海洋和大氣局（NOA A）研制的諾阿-19（NOAA-19）；

·美國航空航天局和“國家極軌環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)報項目”綜合辦公室（IPO）研制的“國家極軌環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項目”（NPP）衛(wèi)星；

·美國航空航天局與美國國家海洋和大氣局研制的聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)-1（JPSS-1）衛(wèi)星。

這9顆衛(wèi)星中，除了少部分是運行在低軌道傾角（20°～40°）的太陽同步軌道運行外，大多都在600～800km高的太陽同步極軌道上運行，其有效載荷搭載的也多是微波輻射計和微波遙感器。

戈達(dá)德航天飛行中心負(fù)責(zé)對“全球降雨觀測”衛(wèi)星和在軌運行的9顆副衛(wèi)星進(jìn)行有效地綜合管理，實現(xiàn)聯(lián)合觀測，呈在軌組網(wǎng)運行狀態(tài)，其主要優(yōu)勢在于：①可有效地擴大觀測范圍；②可加大觀測頻率，不僅可徹底實現(xiàn)全球觀測，還可持續(xù)更新全球降水走勢圖；③大幅度提高觀測精度，利用雙頻段降水雷達(dá)不僅可對暴風(fēng)雨、暴風(fēng)雪，還對微量降雨、降雪等進(jìn)行實時觀測，估算出降雨和降雪的強度等。

美國航空航天局和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)決定：凡參加“全球降雨觀測”計劃的國家和機構(gòu)，只要持特許證明就可利用其各自國家或區(qū)域性航天組織的地面接收站接收已納入戈達(dá)德航天飛行中心負(fù)責(zé)管理的“全球降雨觀測”衛(wèi)星的各種觀測數(shù)據(jù)。這些國家和組織機構(gòu)在接收到各種觀測數(shù)據(jù)后，還要通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將接收的這些數(shù)據(jù)再傳送給“全球降雨觀測”計劃配置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由其進(jìn)行綜合處理；然后，戈達(dá)德航天飛行中心就會通過互聯(lián)網(wǎng)等向各持有特許的機構(gòu)或研究人員發(fā)送新生成的全球降水走勢圖，這些最新全球降水信息會對天氣預(yù)報、洪水等自然災(zāi)害預(yù)測、預(yù)報、國土管理，以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)等實用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

利用“全球降雨觀測”計劃主、副衛(wèi)星進(jìn)行降雨觀測的示意圖

5 搭載發(fā)射的微小和納衛(wèi)星

與“全球降雨觀測”衛(wèi)星同時發(fā)射的還有7顆微小衛(wèi)星，分別是“可見光實驗通信衛(wèi)星”（Sh in d a iSa t）、太空繩系自主機器人衛(wèi)星-2（STARS-2）、“微生物觀測衛(wèi)星”[M OS，又名帝國大學(xué)衛(wèi)星-3（Teik y o Sa t-3）]、憧憬未來-1（IT F-1）衛(wèi)星、“大阪府立大學(xué)衛(wèi)星”（OPUSA T）、“藝術(shù)和設(shè)計實驗研究交互衛(wèi)星”（INVADER）、鹿兒島大學(xué)衛(wèi)星-2（KSAT-2）。

與“全球降雨觀測”衛(wèi)星同時發(fā)射的7顆微小衛(wèi)星