用微型衛(wèi)星星座觀測熱帶氣旋

□ 林來興

用微型衛(wèi)星星座觀測熱帶氣旋

□ 林來興

CYGNSS衛(wèi)星在軌示意圖

CYGNSS星座想象圖

熱帶氣旋發(fā)生在太平洋西部和南海海洋上稱為臺風，發(fā)生在大西洋西部海洋上稱為颶風。熱帶氣旋在歷史上造成了成千上萬人死亡和不可勝數(shù)的財產(chǎn)損失。過去與現(xiàn)在對熱帶氣旋進行了不少研究和預(yù)報，包括采用衛(wèi)星觀測，但是存在兩大缺陷：當發(fā)生熱帶氣旋時，海面上存在強烈降水帶與氣旋眼墻，從而遮蔽衛(wèi)星遙感器觀測；熱帶氣旋生命周期短，變化速度快，單顆衛(wèi)星無法觀測其快速變化的全過程。

為此美國航宇局提出一項克服上述缺陷的熱帶氣旋研究仼務(wù)，同時要求研究時間要短、經(jīng)費要少。

美國密歇根大學與合作單位以“旋風全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（CYGNSS）”為題，承擔了此項研究仼務(wù)。經(jīng)過不到三年時間完成任務(wù)，并于2016年12月15日成功發(fā)射8顆CYGNSS微型衛(wèi)星組成星座。目前星座正在軌道運行。從立項研究、方案設(shè)計，到硬件研制、發(fā)射以及未來兩年期間觀測熱帶氣旋，總耗資1.5億美元。

CYGNSS衛(wèi)星與星座

CYGNSS衛(wèi)星最頂層為可折疊固定式太陽電池翼，可發(fā)電50瓦，衛(wèi)星尺寸為50厘米×60厘米×30厘米，質(zhì)量18千克。

星體下部為梯形結(jié)構(gòu)，可供安裝三根天線，其中兩根在梯形結(jié)構(gòu)兩側(cè)方向朝下，接收由反射發(fā)來的信號；另一根在衛(wèi)星最頂層，方向朝上，接收GPS衛(wèi)星發(fā)來的信號。

衛(wèi)星姿態(tài)為三軸偏置動量穩(wěn)定，有姿態(tài)敏感器、星跟蹤器、地平敏感器、太陽敏感器、磁強計等。姿態(tài)控制精度為2度，通信為S波段。

星座由8顆CYGNSS衛(wèi)星組成，安裝在“飛馬座”XL火箭里，搭載飛避免衛(wèi)星之間發(fā)生相碰，各星之間彈出時間相距為1分鐘。

選擇35度傾角非常適合熱帶氣旋發(fā)生區(qū)域，串聯(lián)星座可以一顆接一顆連續(xù)不斷觀測所發(fā)生熱帶氣旋。這是一種全新的觀測方式。

有效載荷——延遲多普勒測繪儀

旋氣全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是利用GPS反射技術(shù)和星座8顆微型衛(wèi)星裝有延遲多普勒測繪儀（DDMI）作為反射信號接收機。GPS衛(wèi)星發(fā)射類似雙基雷達，一路傳到微型衛(wèi)星，作為確定三維軌道位置，因為可同時接收4顆GPS衛(wèi)星發(fā)來的信號；另一路從發(fā)生臺風海面反射此軌道定位精度都很高，而且反射信號很精確。

有效載荷可提供前所未有的高時間分辨率熱帶氣旋的起源、強化和衰減的風場圖像，而且可精確指示出反射點海面的地理位置，因為接收機DDMI具體位置已確定，加上反射延遲時間。

觀測結(jié)果

自從2016年12月15日8顆CYGNSS微型衛(wèi)星成功發(fā)射并組成星座后，經(jīng)過一段時間的在軌試運行，計劃在今年春季進行一切準備工作，然后在夏秋季節(jié)用于觀測颶風，希望獲得如下的觀測結(jié)果：詳細了解颶風內(nèi)核海洋機從美國佛羅達州空軍基地起飛，飛機飛到12.4千米高度時釋放火箭，然后“飛馬座”火箭點火，把衛(wèi)星送到高500千米、傾角35度的軌道，最后按順序彈出衛(wèi)星，在同一軌道平面，排為串聯(lián)式星座。

CYGNSS衛(wèi)星準備進行環(huán)境試驗

CYGNSS衛(wèi)星準備進行振動測試

飛機搭載裝有8顆CYGNSS衛(wèi)星的“飛馬座”XL火箭升空

工作人員在安裝調(diào)試CYGNSS衛(wèi)星

星座位置的保持依靠衛(wèi)星之間俯仰角的改變所引起的阻力差來維持，衛(wèi)星沒有推力設(shè)備。為了保障安全，到接收機。

反射信號可以反映發(fā)生臺風海面的狀態(tài)，包括風速、氣旋以及降雨帶等，而且反射信號可以順利通過降雨帶，因為它是微波性質(zhì)，若是光學，則將被遮當。這種工作原理不僅是GPS衛(wèi)星具有，而是全球?qū)Ш叫l(wèi)星都有，例如格羅納斯、伽利略以及我國北斗都適用，全球?qū)Ш叫l(wèi)星將近百顆，為性能，潮濕大氣熱力學、輻射與對流之間動力學耦合；在所有沉定條件下測量海洋表面風速，包括在颶風眼墻中所經(jīng)受風速，以了解颶風的起源和快速強化的原因；通過颶風動態(tài)變化，可以確定颶風登陸的強度和變化過程，這對預(yù)防颶風災(zāi)害有極大幫助；所有觀測結(jié)果對今后采取解決消除或減少熱帶氣旋的措施都有很大作用?！?/p>