捕風(fēng)一號(hào)雙星發(fā)射，利用導(dǎo)航信號(hào)監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)

2019年6月5日，作為我國(guó)首次海上發(fā)射的主要“乘客”，捕風(fēng)一號(hào)A、B衛(wèi)星直奔天際，它們將通過(guò)一雙“慧眼”，準(zhǔn)確測(cè)量海面風(fēng)場(chǎng)信息，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)。捕風(fēng)一號(hào)A、B衛(wèi)星的成功發(fā)射，將實(shí)現(xiàn)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)探測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)零的突破，對(duì)我國(guó)臺(tái)風(fēng)預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。捕風(fēng)一號(hào)A、B衛(wèi)星由航天東方紅衛(wèi)星有限公司（以下簡(jiǎn)稱航天東方紅）抓總研制。

“捕住風(fēng)，捉住影”，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)

“風(fēng)無(wú)形無(wú)影，捕風(fēng)一號(hào)就是通過(guò)‘捉’海面上的導(dǎo)航反射信號(hào)（GNSS-R）這個(gè)‘影’來(lái)‘捕’海面風(fēng)場(chǎng)這個(gè)‘風(fēng)’，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)的目的。”捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師白照廣形象地介紹。

目前，通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)的方式主要有兩種：一是通過(guò)衛(wèi)星云圖來(lái)測(cè)海風(fēng)，但這種方式測(cè)的是云頂風(fēng)，而對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量存在一定誤差；二是通過(guò)衛(wèi)星載荷—如散射計(jì)主動(dòng)向海面發(fā)射微波信號(hào)來(lái)測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)，但這種方式下衛(wèi)星質(zhì)量較大，且只能測(cè)50m/s以內(nèi)的海風(fēng)，若應(yīng)用于準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)的星座建設(shè)，代價(jià)很大。

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展成熟，利用導(dǎo)航反射信號(hào)對(duì)反射面的物理特性和參數(shù)進(jìn)行反演已經(jīng)成為各國(guó)新的研究熱點(diǎn)。英國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都曾發(fā)射相關(guān)衛(wèi)星，利用導(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)海面高度、海浪、海風(fēng)、海冰、移動(dòng)目標(biāo)等的探測(cè)。

“導(dǎo)航信號(hào)傳遞到海面后，會(huì)發(fā)生鏡面反射。沒(méi)有風(fēng)時(shí)，反射信號(hào)較均勻；有風(fēng)時(shí)，反射信號(hào)會(huì)隨著海浪出現(xiàn)一段一段的變化，風(fēng)越大，信號(hào)變化越劇烈，進(jìn)而導(dǎo)致了GNSS-R時(shí)延多普勒功率圖像（DDM）的劇烈變化。通過(guò)DDM第一等延遲環(huán)內(nèi)平均功率大小與海面風(fēng)速大體上的反比關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)對(duì)海面風(fēng)速的反演?！卑渍諒V介紹說(shuō)，導(dǎo)航衛(wèi)星L波段具有良好的大氣穿透性，能夠全天時(shí)“捕住風(fēng)，捉住影”，實(shí)現(xiàn)對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)的信息探測(cè)，并可通過(guò)多星組網(wǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)極端臺(tái)風(fēng)天氣的“精準(zhǔn)”預(yù)報(bào)。

由于導(dǎo)航衛(wèi)星的特性，捕風(fēng)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的風(fēng)場(chǎng)點(diǎn)是離散的，因此其優(yōu)勢(shì)更主要體現(xiàn)在多星星座運(yùn)行時(shí)同步獲取風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的能力，而采用被動(dòng)監(jiān)測(cè)工作模式的捕風(fēng)衛(wèi)星具有低成本特性，更適合構(gòu)建多星星座。

航天東方紅積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

“雖然是首次開展利用導(dǎo)航反射信號(hào)進(jìn)行海風(fēng)探測(cè)的研究，我們還是有基礎(chǔ)的，不只是開展了原理可行性研究，還開展了試驗(yàn)驗(yàn)證。”據(jù)白照廣介紹，幾年前，中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院的專家們就著手開始GNSS-R相關(guān)載荷技術(shù)研發(fā)準(zhǔn)備工作，并已經(jīng)通過(guò)飛機(jī)校飛成功在海面上驗(yàn)證了載荷功能的有效性。

為了讓捕風(fēng)“慧眼”更快實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，捕風(fēng)一號(hào)選擇了海上發(fā)射。海上發(fā)射因其特殊性，使得衛(wèi)星面臨著許多新環(huán)境、新流程、新要求，需要設(shè)計(jì)針對(duì)性的新狀態(tài)，安排新的測(cè)試與檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，對(duì)捕風(fēng)一號(hào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試、加注、運(yùn)輸及環(huán)境保障等提出了新挑戰(zhàn)。此次，捕風(fēng)經(jīng)歷了特殊的“旅程”，在與火箭對(duì)接之后用“躺倒”的方式進(jìn)行運(yùn)輸，從北京一路“坐火車”抵達(dá)發(fā)射場(chǎng)，而衛(wèi)星上船前的測(cè)試工作也進(jìn)行了優(yōu)化精減。

在捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星上，航天東方紅首創(chuàng)“交鑰匙”模式，就是不僅研制發(fā)射衛(wèi)星，還聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位開展數(shù)據(jù)處理與標(biāo)校工作。航天東方紅聯(lián)合西安分院建立了數(shù)控中心及測(cè)控與數(shù)據(jù)接收站，與用戶運(yùn)管、數(shù)據(jù)接收站及商業(yè)測(cè)控站協(xié)同完成測(cè)控、運(yùn)管、數(shù)據(jù)接收等工作，從而為用戶提供“打包式”服務(wù)。

白照廣形象地比喻說(shuō)，就好像是建房子，過(guò)去研制方只是建好毛坯房就交給用戶，我們現(xiàn)在要把房子精裝好以后，再交付給用戶?！皩?lái)直接把數(shù)據(jù)初級(jí)產(chǎn)品傳輸?shù)接脩舻南到y(tǒng)里，用戶就可以很方便‘看’海風(fēng)了，簡(jiǎn)化了客戶反演的工作量。”

“我們將逐步構(gòu)建捕風(fēng)衛(wèi)星星座，多顆衛(wèi)星協(xié)同觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)更大范圍、更高精度，甚至準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全球范圍內(nèi)的海面風(fēng)場(chǎng)，更加精準(zhǔn)地預(yù)警臺(tái)風(fēng)，從而可以最大限度地避免臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失?！卑渍諒V介紹。

后續(xù)，通過(guò)開展導(dǎo)航信號(hào)微波遙感技術(shù)的其他應(yīng)用拓展，中國(guó)空間技術(shù)研究院將逐步建設(shè)捕風(fēng)衛(wèi)星星座，進(jìn)一步提高海面風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)時(shí)性，為我國(guó)氣象領(lǐng)域、海洋和陸地遙感、大氣探測(cè)和電離層監(jiān)測(cè)作出貢獻(xiàn)，并服務(wù)于“一帶一路”沿線國(guó)家的氣象保障和防災(zāi)減災(zāi)。