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氣象小衛星:拓展天基氣象觀測的新領域

氣象科普|時間:2020年08月04日 信息來源:中國氣象網 責任編輯:魏明 點擊量:

  近日,我國在黃海海域將首顆基于全球衛星導航系統反射信號技術的捕風一號A/B試驗衛星成功送入太空,這支國產小衛星“編隊”將為臺風海洋監測預報業務提供重要數據支撐。

  近年來,各國均在大力發展低軌微小衛星星座,小衛星技術的快速發展和應用為氣象業務的天基觀測拓展了新的領域。小衛星星座與大衛星系統結合,可以構成能力更強大的多要素、高時空分辨率、滿足多樣需求的氣象衛星觀測體系。

  從2017年開始,全球小衛星(一般指重量在1000千克以下的衛星)的發射數量呈明顯上升趨勢。2018年全球共發射461個航天器,其中500千克以下的小衛星為321顆,占69.6%;2019年全球航天器發射數量為492個,500千克以下的小衛星占80.29%。可以看出,小衛星已經成為天基地球觀測系統的重要力量。

  發展小衛星具有研發周期短、成本低、發射方式靈活等優點,通過多顆星組成星座陣列,可以增加時空探測密度,提高關鍵信息的獲取效率。

  氣象小衛星發展狀況

  中國臺灣和美方機構合作,于2006年4月15日在美國執行了COSMIC(氣象、電離層和氣候星座觀測系統)計劃,共發射了6顆小衛星組成的GPS掩星探測系統。該星座系統中每顆衛星直徑為1米,重62千克,通過接收GPS導航衛星的信息獲取掩星數據,推算大氣垂直溫濕廓線信息。這一項目取得了成功,所獲取的全球廓線資料已成為應用效果排名靠前的氣象衛星資料,被應用到許多國家的數值天氣預報模式及相關的科研和業務中。鑒于COSMIC項目的成功,美國又啟動了COSMIC-2計劃,于2019年6月25日發射COSMIC-2第一批六顆衛星,并計劃在今年投入業務使用,每天可以在全球范圍內提供4000個掩星廓線數據。

  同樣是利用GPS導航信息探測大氣信息的另一個小衛星星座是美國國家航空航天局(NASA)主導的測風小衛星星座計劃——CYGNSS(颶風全球導航衛星系統)。該衛星星座于2016年12月15日成功發射,2017年3月開始提供測風數據。CYGNSS小衛星星座由8顆6U立方體星組成,每顆星可以同時接收至少4顆GPS衛星的直接信號和反射信號,以確保定位的準確性。直接信號用來確定CYGNSS衛星自身的位置,反射信號來自海洋表面,通過測量反映風浪運動的粗糙度變化,分析確定風速風向等級。

  由于GPS的微波信號具有穿透云雨的全天候特征,CYGNSS可以及時捕捉到在廣闊的海洋上產生的氣旋系統從初始生成到消亡的完整海表風場變化,對開展海洋天氣氣候研究和完善相關業務極具價值,特別是對于易造成重大影響的臺風而言,無論是強度還是路徑變化,風場都是最重要的信息之一。在實際應用中,CYGNSS信息還被延伸應用到分析洪水、土壤濕度、地表熱通量等,都取得了很好的效果。

  在目前氣象衛星裝載的各類探測儀器中,微波溫濕度輻射計是最成功的載荷之一。根據歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)的評估,衛星微波探測獲取的全球垂直溫濕度廓線已成為減少數值預報模式誤差最有價值的信息,遠超過包括傳統探空儀在內的其他任何探測資料。因此,在極軌氣象衛星上安裝微波儀器已成為各國衛星計劃的優先選擇。而要彌補大衛星成本高、數量少、時空分辨率相對較低的缺陷,發射多顆微波小衛星組成星座應該是優先選擇。美國NASA地球系統科學探路者(ESSP)計劃贊助的6U級小衛星TEMPEST-D(風暴和熱帶系統時間試驗演示)于2018年5月21日通過國際空間站發射,衛星的有效載荷是一個五頻段毫米波輻射計,能夠觀測到大氣液態水和冰含量的分布變化。除TEMPEST計劃外,NASA的“地球風險儀器(EVI-3)”計劃還支持了由六個3U立方體星組成的微波星座項目TROPICS。該星座原準備在2019年發射,現已延遲到2021年,可以提供幾乎全天候的大氣三維溫度、濕度以及云冰和降水結構的信息。微波探測器在大衛星上取得的成功,使其成為發展小衛星星座所優先選擇的載荷之一。

  除了GNSS掩星小衛星、測風小衛星星座和微波小衛星外,其他還有高光譜小衛星,比如NASA噴氣推進實驗室已經開始研制6U級小衛星CIRAS(立方體衛星紅外大氣探測器);雷達小衛星,比如2018年5月與TEMPEST-D一起通過國際空間站發射的6U級立方體試驗小衛星RainCube(雨立方體衛星),其可對云和降水系統進行觀測;激光小衛星,比如美國NASA冰凍圈科學計劃支持發展的小衛星ICESat-2(冰、云和陸地高程2號衛星),該衛星于2018年9月15日成功發射,可測量海冰厚度,并研究冰蓋和冰川的質量變化等。

  氣象小衛星發展前景可期

  近些年來,我國也在不斷加強氣象小衛星的研發和應用。2018年12月29日,我國成功發射云海二號衛星。該衛星是由6顆小衛星組成的星座,承擔大氣掩星探測任務,可提供探測資料。2019年6月5日,我國在黃海海域成功完成“一箭七星”海上發射技術試驗,其中有兩顆就是用于氣象探測的捕風小衛星,與美國CYGNSS星座的功能相似。2020年1月15日,由天津云遙宇航科技有限公司研制的國內首個商業GNSS掩星探測小衛星在太原衛星發射中心發射升空并成功入軌,這一計劃的目標是構建由80顆小衛星組成的全球組網星座。

  從近年來航天技術的發展趨勢和航天器發射數量比例變化情況來看,小衛星的發展顯然已占據重要位置,可以獨立構成星座,完成特定任務,也可以與大衛星形成互補優勢。推動小衛星的發展,需要從標準、法規、政策、機制等方面入手,讓企業、學校、研究院所等廣泛參與進來,構建與政府主導的大衛星發展有所區別的模式,調動全社會的積極性加速推進小衛星的發展,滿足更多不同層次的需求。

  此外,雖然小衛星的制造和發射比大衛星簡單,成本低、周期短,但構成星座的小衛星資料處理則要復雜得多,需要在地面資料應用環節組織更多力量,完成質量控制、效果評估、科研應用等重要環節,提升小衛星發展效益。隨著我國空間站項目的啟動和第一次試驗的完美收官,借助空間站研發小衛星,提升業務能力和研究水平,已成為重要方向,將在未來幾年內形成我國科技相關行業新的優勢領域。

  

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