“全球降雨观测”卫星发射升空

王存恩（北京空间科技信息研究所）

2014年2月28日，“全球降雨观测”（GPM）卫星由日本H-2A火箭从种子岛发射，该卫星是“全球降雨观测”计划中的主卫星，也是“热带降雨观测”（TRMM）卫星的后继星，由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和美国航空航天局（NASA）联合研制。“全球降雨观测”卫星是世界上首颗配备以Ku频段雷达（KuPR）和Ka频段雷达（KaPR）组成的双频段、毫米频段、具备多普勒测速功能雷达为主的降雨观测卫星，它不仅可用于地球观测，也能用于安全保障。

1 “全球降雨观测”计划

启动背景

早在20世纪80年代中期，日美就签订了共同研制“热带降雨观测”卫星的协议，并于1997年11月27日用H-2火箭将其送入预定轨道。该卫星设计寿命仅3年，但2001年日美对卫星实施了轨道提升，由350km提升到402.5km，所以到目前为止，这颗卫星依然在轨稳定运行。“热带降雨观测”卫星对占全球降雨量2/3的热带和亚热带地区的降雨进行了长达15年的观测。日本宇宙航空研究开发机构归纳和整理获取的全部观测数据，建立了热带和亚热带降雨、热带低气压信息等数据库，对研究厄尔尼诺等异常现象和引起气候变化的主要原因—降雨和热循环等发挥了重要作用。

“热带降雨观测”卫星的发射与成功应用，使人们进一步认识到有计划地开展全球降雨观测十分必要。于是，日美决定研制新一代降雨观测卫星，同时提出了以“全球降雨观测”卫星作为主卫星，吸收具备同种功能的地球观测卫星的国家或空间组织所积累的经验，与其协力拓展降雨观测，形成了一个完好的“全球降雨观测”计划。截止到2013年底，正式参加这项计划的共有9颗卫星，它们都作为“全球降雨观测”计划的副卫星，在承担整个计划的运行管理单位—美国航空航天局戈达德航天飞行中心（GSFC）的协调管理下，以松散组网运行方式对全球降雨进行全面观测。参加这项观测计划的国家或机构可通过其地面接收站接收这些卫星发送的降雨观测数据，并将其传送至设在戈达德航天飞行中心的数据处理系统，由其统一处理，然后生成数据产品，并在最短时间内向参加这项计划的国家或机构，以及研究人员提供其所需的最新降雨走势图，以支持相关组织和研究人员对全球气候和降雨等数据开展深入研究。

计划目的

推进“全球降雨观测”计划，研制和发射“全球降雨观测”卫星，并邀请其他国家和空间组织参加该计划，其主要目的是唤醒人们提高对保护水资源重要性的认识，针对水资源锐减和水污染严重等现实，唤起人们认清保护水资源的重大意义；认真地开展研究，增强对水资源进行科学管理意识；并想方设法把获取的全球降雨观测信息等有效地用于环境保护，提高天气预报精度，并及时播报洪水灾害信息，为保护水资源，减少人民生命财产损失，以及解开气候异常之谜作贡献。

（1）认清水资源的重要性，提高保护水资源意识

人们在世界上生活离不开水，它和空气、粮食都是人们赖以生存的必需品。人类生存的地球表面积的97.5%都是海水，但淡水仅占2.5%，而可供人们生活用的水只占地球上保有水量的0.3%。这些“珍贵的水”基本上都是来自降雨、降雪后流入或渗入地下，并流入江河湖泊的淡水。人类离不开“珍贵的水”，但这些“珍贵的水”也常常威胁人们的生命财产安全。据不完全的统计，威胁人们生命安全的约60%的因素来自“珍贵的水”——洪水、暴雨、暴雪及由其所致的山洪暴发和山体滑坡；海啸、核电站泄漏及其所引起的辐射等。所以，实时地对降水（雨和雪）进行观测，掌握其可能造成的危害；搞清地球上水资源循环的机理，合理地利用水资源造福于人类，同时想方设法减少乃至杜绝“珍贵的水”（也包括海水）给人们带来的灾难。这是研制、发射并利用“全球降雨观测”卫星的真实目的。

地球表面水的面积和淡水与人们生活用水分布比例图

（2）有效地开展降水方面的科学研究，为保护环境做贡献

日美希望通过执行“全球降雨观测”计划，有效地利用参加“全球降雨观测”计划的多颗卫星获取大量、全面的数据，实现对全球的大气、海洋和陆地出现的降雨和地表热辐射等现象进行持续观测和研究，搞清在全球范围所出现的各种异常现象，如太平洋东部和南美海面海水持续高温，连续出现的强降雨、降雪、干旱和频发的洪水等严重威胁人类生命安全的恶劣自然现象的原因；寻觅减少出现上述现象的良策，使航天对保护人类赖以生存的地球环境发挥其应有的作用。

（3）加强水资源管理，防止水资源减少

执行“全球降雨观测”计划就是要有效地利用该计划中由主卫星和副卫星所构成的观测网络，实现实时观测，充分地发挥其对全球降雨进行全面、实时观测的功能。具体包括：①进一步掌握与人们休戚相关的水—生活用水、工农业用水、发电用水的水源分布情况；②对照已掌握的原始水源分布信息，实时了解地球水源（也包括海水）的变化情况，通过比对其增减状况，特别是主要江河湖海以及各个蓄水区域的蓄水量增减，以及饮用水区段的水质污染情况，分析其原因、发展趋势和可能酿成的后果，并将其通报给相关国家和地区性组织机构，乃至相关国际组织机构，以引起人们的足够重视，并及时采取有效对策，以制定可有效地保护和控制人们赖以生存的水资源（生活用水、工农业用水、发电用水）手段，防止水资源急剧减少，以及减少乃至彻底杜绝其对人们生命财产造成的威胁。

（4）提高天气预报精度，及时播报异常天气、洪水灾害等信息

民众都希望实时收听准确的天气预报，以便及时应对天气变化，及时采取行之有效的对策，将损失降至最低。然而，由于设计能力、技术水平、分析能力等原因，致使迟报、漏报、错报现象屡见不鲜。利用“全球降雨观测”计划的主卫星和9颗副卫星上搭载的遥感器，通过组网运行和有效管理，可望实现全天候观测，获取全球不同地区、不同季节、不同时段与生成暴风雨、暴风雪等异常气候现象有关的数据，并向“全球降雨观测”计划参加国或机构提供异常气象预测、分析信息，有望提高天气预报精度，实现更及时播报，为人们更快地制定有效的应对措施，减少因降雨、降雪和异常天气等所致的洪涝灾害，为人们生命财产损失做贡献。

正常情况（左图）与受厄尔尼诺现象影响（右图）的大气状况比较

计划特点

“全球降雨观测”计划的主要特点是：①不仅能够观测到暴雨、大暴雨、大暴雪，还可观测到“热带降雨观测”卫星所观测不到的小雨，乃至雨云中的雨珠、雪花和微小的冰粒等，大幅度地提高观测精度；②全面扩大观测范围，由原来只能够对热带和亚热带地区的降雨进行观测扩展到可对全球的降雨、降雪等进行观测；③实现高频度观测，即每3h就可获取1次地球大气中的降水走势信息，因此，无论是对保护水资源，确保观测信息的有效利用，还是对洪涝等自然灾害尽快采取有效措施均能够发挥重要作用。

测试中的“全球降雨观测”卫星

“全球降雨观测”卫星的主要性能参数

2 主卫星—“全球降雨观测”卫星

卫星概况

“全球降雨观测”卫星采用零动量三轴姿态控制，质量为3500kg，卫星运行在轨道高度为407km、轨道倾角为65°的非太阳同步轨道上。美国航空航天局负责卫星公用平台的研制，有效载荷部分包括雨云扫描雷达（DPR，又称双频段降雨雷达）和微波辐射计（GM I）。前者由日本宇宙航空研究开发机构、情报通信研究机构（NICT）和日本电气公司（NEC）研制；后者由美国航空航天局研制。美国航空航天局负责卫星的跟踪与应用；日美共同负责数据系统的开发与应用。

主要有效载荷

（1）双频段降雨雷达

双频段降雨雷达采用箱型结构，由Ku频段雷达和Ka频段雷达组成。在其结构体中分别配备了发射和接收系统（TRS）、频率变换和中频部分（FCRF）、系统控制和数据处理部分（SCDP）。结构体中指向地球一侧的面上安装了天线系统（ANT）；为了散热，在结构体的侧面贴有太阳反射镜（OSR），而除太阳反射镜和天线之外，所有结构体表面均覆有以锗为主的热控蒸着镀膜。

双频段降雨雷达是在1997年发射的“热带降雨观测”卫星上降雨雷达（PR，仅Ku频段的雷达）的基础上增加了实时电波的功能，伴随卫星在轨运行高度变化，其脉冲重复频率（PRF）也随之变化，用来测量雨滴的信号散射强度。双频段降雨雷达能够将雨滴所致的散射信号变换成中频信号，然后进行对数检波；接着，还要进行模数变换、积分处理等数字信号处理，再通过卫星本体的数据传输系统把获取的观测数据发送到地球站。

Ku频段和Ka频段雷达的主要性能：

·可观测降雨强度，分别约为0.5mm/h（Ku频段雷达）和0.2mm/h（Ka频段雷达）；

·观测高度范围，地表以上19km；

·观测扫描宽度，分别为245km（Ku频段雷达）和125km（Ka频段雷达）。

Ku频段和Ka频段雷达的主要功能：

·脉冲重复频率随卫星运行高度信息变化而随之变化的功能；

·所搭载的仪器具备内部和外部校正功能；

·卫星具备独立的热控功能。

此外，Ku频段雷达和Ka频段雷达各有侧重，在同时进行观测时可起到互补作用，可对从热带强降雨、降雪到高纬度的弱降雨、降雪都进行高精度观测。

双频段降雨雷达通常不受降雨衰减量大小的影响，同时观测同一场所降雨（雪）的雨滴（雪花）的大小，可获得降水量之差，再根据降水量之差就可估算出雨（雪）雨滴（雪花）的大小，以及雨滴粒径或雪花粒径的分布情况。由于其可获得单一频段雷达所无法获得的大量信息，能大幅度地提高对降雨量的观测精度，并且可跟踪到雨云信息，所以人们也将其称为“雨云跟踪雷达”。

Ku频段雷达的外观图

Ka频段雷达的外观图

图中白色部分为天线，侧面为用于保护太阳反射镜的保护罩

Ku频段发射/接收单元

Ka频段发射/接收单元

双频段降雨雷达的设计者要求两个频段雷达不仅要具备根据其从发送电波到接收到雨滴回声所需的时间计算出降水量的高度分布，还要求其所配备的天线波束要具备既能够扫描到卫星的前进方向，又能够扫描到垂直方向的功能，从而测量出降水的三维分布。为满足这一要求，设计者决定在这两个频段雷达上均配备相控阵天线，而且全都采用由128个天线元件组成的全电子扫描式天线系统。为实现全电子扫描，还采用将128个天线元件全都连接到了发射/接收（T/R）机模块上：发射/接收机模块内配备有相移器，执行放大发射和接收电波用的固体电子放大器（SSPA）和低噪声放大器（LNA）都安装到相移器内。另外，把128个天线元件都集成到8个发射/接收单元内，达到了有效压缩了搭载空间的目的。

此外，为确保发射/接收机单元内的固体电子放大器和低噪声放大器能够经受住卫星在轨运行阶段苛刻的温度环境考验，使增益不发生变化，在设计阶段就采取了高缜密度的温度补偿措施，从而达到高可靠性运行，且能获得稳定的数据。

（2）微波辐射计

微波辐射计是在“热带降雨观测”卫星所携带的微波观测装置（TM I）的基础上研制的多频段、多偏波圆锥扫描式微波辐射计。

与微波观测装置相比，“全球降雨观测”卫星搭载的微波辐射计有两大特点：①微波观测装置只有9个频段（10.65～89GH z），而微波辐射计在其基础上增加了4个高频频段，如166GH z（“窗口”频段）和183.31GH z（吸收水蒸气频段）。正是由于追加了这4个高频频段，且多用于高纬度的海域和陆域观测，大幅度地提高了对于小雨雪的估算精度。②与微波观测装置相比，“全球降雨观测”卫星所用天线的孔径较“热带降雨观测”卫星加大了1倍，由0.6m变为1.2m，大幅度地提高了空间分辨率。

采用这种模式的微波辐射计与双频降雨雷达同时进行观测，不仅可大幅度提高对降雨和降雪的估算精度，同时还可通过利用主卫星的微波遥感器进行高精度观测，为在副卫星上搭载的各种不同规格的微波辐射计之间搭建起进行高频率观测的桥梁；还可通过对副卫星上搭载的微波辐射计的辉度和温度进行校正，使各遥感器间保持在一种平衡状态，从而达到降低降雨强度估算误差的目的。

如果双频段降雨雷达和微波辐射计同时持续观测，还可建立且起到全天候观测用数据校正器的作用，能够起到提高微波辐射计（包括副卫星上所搭载的微波辐射计在内）对降水观测精度的作用。

利用“全球降雨观测”卫星进行降雨观测原理图

另外，在“热带降雨观测”卫星仍继续执行飞行任务情况下，将与新发射的“全球降雨观测”卫星一起执行飞行任务，对确保观测稳定性、增加获取信息量等有重要价值。

3 “全球降雨观测”计划的9颗副卫星

据日本宇宙航空研究开发机构报道，到2013年1月底，决定参加“全球降雨观测”计划的还有9颗副卫星。

·法国国家空间研究中心（CNES）和印度空间研究组织(ISRO)共同研制和发射的“热带云”（M egha-Tropiques）卫星；

·美国国防部（DOD）研制的“国防气象卫星计划”（DMSP）中的两颗卫星（DMSP-F19和F20）；

·日本宇宙航空研究开发机构研制和发射的全球变化观测任务-水1（GCOM-W 1）；

·欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）研制的气象业务-B、C（MetOp-B、C）卫星；

·美国国家海洋和大气局（NOA A）研制的诺阿-19（NOAA-19）；

·美国航空航天局和“国家极轨环境业务卫星系统预报项目”综合办公室（IPO）研制的“国家极轨环境业务卫星系统预备项目”（NPP）卫星；

·美国航空航天局与美国国家海洋和大气局研制的联合极轨卫星系统-1（JPSS-1）卫星。

这9颗卫星中，除了少部分是运行在低轨道倾角（20°～40°）的太阳同步轨道运行外，大多都在600～800km高的太阳同步极轨道上运行，其有效载荷搭载的也多是微波辐射计和微波遥感器。

戈达德航天飞行中心负责对“全球降雨观测”卫星和在轨运行的9颗副卫星进行有效地综合管理，实现联合观测，呈在轨组网运行状态，其主要优势在于：①可有效地扩大观测范围；②可加大观测频率，不仅可彻底实现全球观测，还可持续更新全球降水走势图；③大幅度提高观测精度，利用双频段降水雷达不仅可对暴风雨、暴风雪，还对微量降雨、降雪等进行实时观测，估算出降雨和降雪的强度等。

美国航空航天局和日本宇宙航空研究开发机构决定：凡参加“全球降雨观测”计划的国家和机构，只要持特许证明就可利用其各自国家或区域性航天组织的地面接收站接收已纳入戈达德航天飞行中心负责管理的“全球降雨观测”卫星的各种观测数据。这些国家和组织机构在接收到各种观测数据后，还要通过数据传输系统将接收的这些数据再传送给“全球降雨观测”计划配置的数据处理系统，由其进行综合处理；然后，戈达德航天飞行中心就会通过互联网等向各持有特许的机构或研究人员发送新生成的全球降水走势图，这些最新全球降水信息会对天气预报、洪水等自然灾害预测、预报、国土管理，以及农业、林业、渔业等实用领域发挥重要作用。

利用“全球降雨观测”计划主、副卫星进行降雨观测的示意图

5 搭载发射的微小和纳卫星

与“全球降雨观测”卫星同时发射的还有7颗微小卫星，分别是“可见光实验通信卫星”（Sh in d a iSa t）、太空绳系自主机器人卫星-2（STARS-2）、“微生物观测卫星”[M OS，又名帝国大学卫星-3（Teik y o Sa t-3）]、憧憬未来-1（IT F-1）卫星、“大阪府立大学卫星”（OPUSA T）、“艺术和设计实验研究交互卫星”（INVADER）、鹿儿岛大学卫星-2（KSAT-2）。

与“全球降雨观测”卫星同时发射的7颗微小卫星