在我們學(xué)校的新地空樓頂，有一面白色的拋物面天線靜靜地對著天空。路過地空樓的人們只能看到一個龐大的白色球體，卻不知道它每天都與800公里外的風(fēng)云三號極軌氣象衛(wèi)星進行高速通信，接收來自太空的大氣輻射信息。這面天線是整個衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的核心，它所捕獲的數(shù)據(jù)，正是理解地球系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要“原材料”。

新地空樓頂?shù)男l(wèi)星數(shù)據(jù)接收天線（保護罩）

保護罩里的天線實體

PART.01

衛(wèi)星究竟在觀測什么？

要理解地面接收站的意義，必須先理解衛(wèi)星遙感的物理本質(zhì)。以風(fēng)云三號系列為代表的極軌氣象衛(wèi)星，搭載著微波輻射計、可見光紅外成像儀、降水雷達(dá)等多種儀器，它們觀測到的不是“圖像”本身，而是地球-大氣系統(tǒng)的輻射場。

以風(fēng)云三號搭載的微波輻射計為例，它測量的是“微波亮溫”——簡單說，就是把探測到的輻射強度換算成一個等效的溫度值。這個亮溫里包含了大氣吸收、散射、發(fā)射的全部信息，是一種“混合信號”。要從亮溫反推出大氣溫濕度廓線、云水含量甚至降水強度，就需要求解復(fù)雜的大氣輻射傳輸方程。

這個方程描述的是輻射在大氣中傳播時，如何被吸收、被發(fā)射、被散射。當(dāng)涉及降水時，云滴、雨滴和冰晶的散射會讓情況變得更加復(fù)雜——不同方向的輻射會相互耦合，這就是為什么降水區(qū)域的亮溫會顯著下降。風(fēng)云三號的微波探測器之所以能對降水敏感，正是因為降水粒子對微波輻射具有強散射性。

大氣散射模擬示意圖

大氣的溫度、濕度、云滴大小分布、降水粒子特征、海面風(fēng)速等，都會通過輻射傳輸過程影響衛(wèi)星接收到的信號。衛(wèi)星在約830公里的軌道上每十幾個小時完成一個循環(huán)，過境中科大接收站的時間只有約十分鐘。衛(wèi)星接收到的“輻射信號”，是大氣中所有散射、吸收、發(fā)射過程累加之后的結(jié)果，像一個被壓縮了無數(shù)次的zip文件。要從這些“輻射信號”反演出我們熟悉的降水、云頂高度、水汽含量等物理量，需要嚴(yán)密的大氣輻射傳輸模型和成熟的反演算法解開這個“壓縮包”。而這些算法能否成立，很大程度上取決于對原始衛(wèi)星數(shù)據(jù)的精確獲取和處理。

風(fēng)云-3B觀測亮溫示意圖

PART.02

天線如何“捕捉”衛(wèi)星？

正因如此，樓頂那臺天線不僅僅負(fù)責(zé)“接收”，它的首要任務(wù)是對高速飛越頭頂?shù)男l(wèi)星進行精準(zhǔn)跟蹤。低軌衛(wèi)星在視場內(nèi)的相對角速度可達(dá)每秒幾度，地面站必須依靠軌道參數(shù)、實時濾波和控制算法，連續(xù)調(diào)整方位角與仰角，使拋物面天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星的下行波束。

衛(wèi)星通常使用X波段高速下行通道（約8-12 GHz頻率），信號抵達(dá)地面時已經(jīng)弱到接近噪聲底。接收鏈路中的低噪聲放大器、下變頻器、濾波器等每個環(huán)節(jié)，都會影響最終數(shù)據(jù)的質(zhì)量。整個過程就像在嘈雜的體育場中，從幾百米外捕捉某個人輕聲說出的數(shù)字，稍有偏差便會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可恢復(fù)。這也是為什么樓頂天線必須具備高增益和極低噪聲的接收鏈路。

接收系統(tǒng)通過低噪聲放大、下變頻、濾波、解調(diào)、糾錯等步驟，將這些微弱的電磁波還原成衛(wèi)星原始的L0數(shù)據(jù)幀。L0數(shù)據(jù)并不能直接用于科研，它只是儀器的數(shù)字計數(shù)值。風(fēng)云衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過定標(biāo)方程將計數(shù)轉(zhuǎn)換為物理亮度——通常是一個簡單的線性關(guān)系，或者更復(fù)雜的非線性定標(biāo)。

幾何定位則根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)、軌道參數(shù)和掃描角度，確定每個觀測像元對應(yīng)地球表面的哪個點，由此形成我們常用的L1數(shù)據(jù)集。再通過大氣輻射傳輸模型（如RTTOV、CRTM）計算亮溫模擬，以支持云和降水反演、水汽廓線推導(dǎo)、地表參數(shù)檢索等L2產(chǎn)品生成。

PART.03

從亮溫到降水：反演的藝術(shù)

當(dāng)涉及降水反演時，衛(wèi)星需要把微波亮溫轉(zhuǎn)換為實際的降水率。最常見的被動微波反演降水方法基于貝葉斯框架：首先構(gòu)建一個包含大量云-降水剖面的數(shù)據(jù)庫，每個剖面通過輻射傳輸模型模擬出相應(yīng)的亮溫。反演過程就是從數(shù)據(jù)庫中找出與觀測亮溫最匹配的降水剖面，再按概率加權(quán)，最終得到降水率估計。這也是為什么微波反演能提供云雨結(jié)構(gòu)的三維信息，而其余波段的單通道則無法做到。

著名降水星GPM上搭載的微波輻射計掃描示意圖

現(xiàn)代衛(wèi)星數(shù)據(jù)的產(chǎn)量非常驚人——例如新一代靜止衛(wèi)星的全色全盤掃描每10分鐘即可達(dá)到數(shù)百MB，日累積可達(dá)TB級。為了實時處理這些數(shù)據(jù),地面站往往集成GPU加速的輻射傳輸計算、分布式文件系統(tǒng)、高速緩存和AI輔助的反演算法。近年來，機器學(xué)習(xí)已經(jīng)在衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中扮演越來越重要的角色，例如用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代部分輻射傳輸模型、將紅外與微波融合提高分辨率，或用于快速識別對流云、臺風(fēng)眼墻、暴雨核心。

風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)官網(wǎng)上展示的數(shù)據(jù)大小

而從科研角度來看，這種“直接在校園樓頂接收衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)”的模式價值巨大。與只使用業(yè)務(wù)化產(chǎn)品不同，這種模式讓我們能夠從最底層的計數(shù)值、原始亮度、掃描幾何開始構(gòu)建自己的處理鏈路，驗證反演算法、分析儀器特性或改進散射模型。尤其是先進的微波儀器（如MWRI、MWTS、MWHS），它們對云和降水的敏感性強，對研究對流發(fā)展機制、降水譜形、冰相過程都具有不可替代的作用。

當(dāng)你某天走在校園里，看到樓頂那面白色天線緩緩轉(zhuǎn)動時，它可能正在捕捉風(fēng)云衛(wèi)星穿越區(qū)域上空的水汽廓線、深對流云塔的散射信號，或是來自高寒地區(qū)的冰云亮溫異常。每一串從太空落下的微弱電磁波，都會經(jīng)過這面天線、經(jīng)過一系列物理與數(shù)學(xué)的解譯，最終變成我們理解天氣系統(tǒng)的重要線索。

參考資料

風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)：

https://satellite.nsmc.org.cn/DataPortal/cn/home/index.html

國家衛(wèi)星氣象中心官網(wǎng)：

http://nsmc.org.cn/nsmc/cn/satellite/FY3.html

GPM全球降水測量任務(wù)官網(wǎng)：

https://gpm.nasa.gov/

NASA官方網(wǎng)站--地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)介紹

https://www.nasa.gov/smallsat-institute/sst-soa/ground-data-systems-and-mission-operations/?utm_source=chatgpt.com#11.1

文章轉(zhuǎn)載自“石頭科普工作室”微信公眾號