氣象小衛(wèi)星：拓展天基氣象觀測(cè)的新領(lǐng)域

■ 許小峰

推近小衛(wèi)星的發(fā)展，需要從標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)、政策、機(jī)制等方面入手，調(diào)動(dòng)企業(yè)、學(xué)校、研究院所等更為廣泛的參與，構(gòu)建與政府主導(dǎo)的大衛(wèi)星發(fā)展有所不同的模式，調(diào)動(dòng)全社會(huì)的積極性加速推進(jìn)小衛(wèi)星的發(fā)展。

近年來(lái)，隨著小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，為氣象業(yè)務(wù)的天基觀測(cè)拓展了新的領(lǐng)域。通過(guò)小衛(wèi)星星座的建立，與大衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)合，可以構(gòu)成能力更強(qiáng)大的多要素、高時(shí)空分辨率、滿足多樣需求的氣象衛(wèi)星觀測(cè)體系。

1 小衛(wèi)星的概念

關(guān)于小衛(wèi)星概念，最初是從重量角度定義的，具體分法雖有差異，但大同小異。較流行的一種分類是將重量在1000 kg以上的稱為大型衛(wèi)星（Large Satellite）；重量在1000 kg以下的統(tǒng)稱為小衛(wèi)星（Small Satellite）。又進(jìn)一步將小衛(wèi)星分為6類：重量在500～1000 kg的為小衛(wèi)星（smallsat）；重量在100～500 kg的為超小衛(wèi)星（minisat）；重量在10～100 kg的為微衛(wèi)星（microsat）；重量在1 ～1 0 k g 的為納衛(wèi)星（nanosat）；重量0.1～1 kg的為皮衛(wèi)星（picosat）；重量小于0.1 kg的稱為飛衛(wèi)星（femtosat）。實(shí)際上，從衛(wèi)星的發(fā)展進(jìn)程看，星體本身也是一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由小到大的過(guò)程。如美國(guó)1960年4月1日發(fā)射的世界上第一顆試驗(yàn)性氣象衛(wèi)星“泰羅斯”1號(hào)，重約120 kg，按現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)，是名副其實(shí)的小衛(wèi)星；中國(guó)于1970年4月24日發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”重173 kg，也是一顆小衛(wèi)星；1988年9月7日我國(guó)發(fā)射的首顆氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號(hào)A，重750 kg，仍屬小衛(wèi)星范疇。而風(fēng)云三號(hào)和風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星系列，由于增加了大量有效載荷，探測(cè)能力明顯提升，重量增加到了2000～5000 kg，屬于大衛(wèi)星。

從2017年開始，全球小衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量明顯增長(zhǎng)。2012年以前，每年小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量在50 顆以下；2013—2016年，每年發(fā)射數(shù)量超過(guò)100顆；2017年至今，每年發(fā)射數(shù)量超過(guò)300顆，小衛(wèi)星占所有航天器的比重也從30%左右增長(zhǎng)至70%。2018年全球共發(fā)射461個(gè)航天器，其中500 kg以下的小衛(wèi)星321顆，占69.6%；2019年全球航天器發(fā)射數(shù)量為492個(gè)，500 kg以下小衛(wèi)星占比80.29%，份額進(jìn)一步提升，小衛(wèi)星在空間飛行器體系中已占有重要位置。

為了適應(yīng)小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展和發(fā)射數(shù)量的快速增加，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的確立也伴隨推進(jìn)，影響最為廣泛的是建立了根據(jù)體積和重量?jī)身?xiàng)指標(biāo)和相關(guān)技術(shù)要求創(chuàng)造性地劃分了不同類型微小衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)，即立方體衛(wèi)星（CubeSat）。1999年，在美國(guó)加利福尼亞理工州立大學(xué)（Cal Poly）的Jordi PuigSuari教授、San Luis Obispo教授和斯坦福大學(xué)空間系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室（SSDL）的Bob Twiggs教授共同努力下，啟動(dòng)了CubeSat項(xiàng)目，目的是為皮衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，方便衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試與發(fā)射，以減少成本和開發(fā)時(shí)間，為維持微小衛(wèi)星的頻繁發(fā)射提供更為便捷有效的方式。CubeSat最終成為包括100多所大學(xué)和私人公司共同開發(fā)的國(guó)際合作項(xiàng)目，制定出了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和功能規(guī)格要求。CubeSat以“U”為單位進(jìn)行劃分，1 U即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，體積約為10 cm3，重量約1.33 kg。對(duì)每一標(biāo)準(zhǔn)單元又將重量按一定比例劃分給載荷、電池、平臺(tái)、結(jié)構(gòu)等部分（圖1）。CubeSat按照模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)，以“U”為單位，可在一個(gè)軸或多個(gè)軸上擴(kuò)展，形成2 U、3 U甚至更大的立方星，但一般不超過(guò)12 U，這種設(shè)計(jì)方式由于在技術(shù)和應(yīng)用上所帶來(lái)的便利性，已成為國(guó)際微小衛(wèi)星發(fā)展的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，得到普遍認(rèn)可，一些更大衛(wèi)星的發(fā)展設(shè)計(jì)也在參照這一做法。

圖1 6個(gè)立方星和它們的配置系統(tǒng)

2 小衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展方式

發(fā)展小衛(wèi)星具有研發(fā)周期短、成本低、發(fā)射方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)多顆星組成星座陣列，可以提高時(shí)空探測(cè)密度，提高關(guān)鍵信息的獲取效率。如何發(fā)展小衛(wèi)星，則有不同的方式選擇。一是對(duì)需求目標(biāo)相對(duì)單一的探測(cè)，如僅對(duì)某一種要素的信息感興趣，方案就很簡(jiǎn)單，載荷少，直接發(fā)展單一探測(cè)目標(biāo)的小衛(wèi)星即可；二是選擇將準(zhǔn)備在大衛(wèi)星上試驗(yàn)的一些新功能移到小衛(wèi)星上進(jìn)行，這樣有利于縮短研發(fā)周期，加快新技術(shù)的應(yīng)用；三是選擇將大衛(wèi)星上已發(fā)展成熟且應(yīng)用效益明顯的單個(gè)或幾個(gè)載荷重新設(shè)計(jì)，通過(guò)小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)新的探測(cè)能力，技術(shù)上相對(duì)成熟，且可以發(fā)揮小衛(wèi)星高時(shí)空分辨的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)多顆星構(gòu)建小衛(wèi)星星座，滿足業(yè)務(wù)需求，顯然是比較現(xiàn)實(shí)的做法；還有一種考慮是如何將現(xiàn)有的大衛(wèi)星做小，如發(fā)展了多年的氣象衛(wèi)星，綜合探測(cè)能力已比較成熟，若能通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，壓縮所有載荷、元器件的體積和重量，使其降至小衛(wèi)星的陣營(yíng)，這可以作為一種理想追求，但從技術(shù)上顯然需要發(fā)展過(guò)程，短期內(nèi)不易實(shí)現(xiàn)，從成本上考慮則可能更高，包括時(shí)間和價(jià)格，這顯然與小衛(wèi)星應(yīng)具備的優(yōu)勢(shì)相悖，不可取。從各國(guó)小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的實(shí)際情況看，以上提到的除最后一種選擇外，前三項(xiàng)都已有了成功的實(shí)踐，也說(shuō)明小衛(wèi)星的顯著特點(diǎn)之一是可以快速實(shí)現(xiàn)相對(duì)單一或簡(jiǎn)單的功能。

同以往發(fā)射的衛(wèi)星類似，目前發(fā)射小衛(wèi)星的主要用途仍以通信、定位和遙感監(jiān)測(cè)為主。隨著技術(shù)上的成熟和成本的下降，無(wú)論是國(guó)際還是國(guó)內(nèi)，小衛(wèi)星的發(fā)射都呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，這一方面反映了實(shí)際需求的牽引，也與一些國(guó)家政策支持導(dǎo)向有關(guān)。如美國(guó)于2010年就由NASA牽頭，啟動(dòng)了立方體小衛(wèi)星發(fā)射創(chuàng)新計(jì)劃（CSLI），通過(guò)資金贊助和發(fā)射支持等激勵(lì)政策，鼓勵(lì)大學(xué)、中小學(xué)和非盈利組織參與立方星的創(chuàng)新開發(fā)，從效果看，無(wú)論是對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐、實(shí)際應(yīng)用，還是在全社會(huì)普及空間科學(xué)知識(shí)等方面都起到了積極推進(jìn)作用，并進(jìn)一步促進(jìn)了全社會(huì)對(duì)航天科技發(fā)展的認(rèn)識(shí)和支持。

有意愿參與CSLI計(jì)劃的學(xué)校或組織可根據(jù)自身的興趣和能力設(shè)計(jì)CubeSat方案，然后提交NASA進(jìn)行評(píng)估，確定是否立項(xiàng)。2010年以來(lái)，NASA已從來(lái)自39個(gè)州的97個(gè)獨(dú)立單位提交的項(xiàng)目中，選擇了176個(gè)CubeSat任務(wù)（圖2～圖3），并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)先排序。通過(guò)27次發(fā)射，已將101個(gè)CubeSat送入太空，還有39個(gè)已準(zhǔn)備好的星也已具備發(fā)射條件，2020年的項(xiàng)目還將繼續(xù)支持執(zhí)行這一計(jì)劃。

圖2 美國(guó)各州參與CSLI項(xiàng)目分布圖，包括被選中、待發(fā)射和已發(fā)射小衛(wèi)星的數(shù)量（來(lái)自NASA網(wǎng)站）

圖3 CSLI項(xiàng)目第100個(gè)3 U-CubeSat-HARP，于2019年11月2日發(fā)射，旨在測(cè)量大氣氣溶膠、云水和冰粒的微物理特性（來(lái)自NASA網(wǎng)站）

除了組織廣泛的研發(fā)與參與外，在機(jī)制設(shè)計(jì)上通過(guò)立法導(dǎo)向也是調(diào)動(dòng)社會(huì)力量積極投入?yún)⑴c的有效方式。以氣象為例，美國(guó)2017年通過(guò)了《2017年天氣研究與創(chuàng)新法案》，其中明確了允許政府機(jī)構(gòu)向商業(yè)公司購(gòu)買氣象數(shù)據(jù)，且要求NOAA避免在數(shù)據(jù)提供上出現(xiàn)政府部門與私人企業(yè)的不必要重復(fù)。這調(diào)動(dòng)了商業(yè)機(jī)構(gòu)在大氣探測(cè)業(yè)務(wù)上投入的積極性，而不僅是單純生產(chǎn)裝備。特別是在小衛(wèi)星這一新興領(lǐng)域，私營(yíng)企業(yè)的靈活機(jī)制更具競(jìng)爭(zhēng)性。

3 幾類氣象小衛(wèi)星的發(fā)展?fàn)顩r

3.1 GNSS掩星小衛(wèi)星星座

中國(guó)臺(tái)灣與美方機(jī)構(gòu)合作，2006年4月15日美國(guó)執(zhí)行了COSMIC

（Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate）計(jì)劃，共發(fā)射了6顆小衛(wèi)星組成GPS掩星探測(cè)系統(tǒng)，每顆衛(wèi)星直徑1 m、重62 kg，通過(guò)接受GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的信息獲取掩星事件，推算大氣垂直溫濕廓線。這一項(xiàng)目取得了成功，所獲取的全球廓線資料已成為應(yīng)用效果排名靠前的氣象衛(wèi)星資料，被應(yīng)用到許多國(guó)家的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的模式及相關(guān)的科研和業(yè)務(wù)中。鑒于COSMIC項(xiàng)目的成功，美國(guó)又啟動(dòng)了COSMIC-2計(jì)劃，已于2019年6月25日，發(fā)射了COSMIC-2第一批6個(gè)衛(wèi)星，并計(jì)劃于2020年投入業(yè)務(wù)使用，每天可以在全球范圍提供4000個(gè)掩星廓線。與此同時(shí)，商業(yè)機(jī)構(gòu)也看到了這一領(lǐng)域衛(wèi)星數(shù)據(jù)挖掘的潛力，政府部門的投入遠(yuǎn)不能滿足需求。美國(guó)SPIRE公司經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的發(fā)展，構(gòu)建了3U小衛(wèi)星星座的方式，迅速擴(kuò)大了在GNSS無(wú)線電掩星觀測(cè)領(lǐng)域的占有份額。截止到2019年8月，通過(guò)20次發(fā)射，已擁有了84顆3U CubeSats在不同軌道平面上運(yùn)行，且還在繼續(xù)發(fā)展，計(jì)劃達(dá)100顆以上，數(shù)量上遠(yuǎn)超過(guò)了COSMIC計(jì)劃（圖4）。到2019年底，已在全球范圍每天提供6500個(gè)溫濕垂直廓線，且還在迅速增加，預(yù)計(jì)2020年將超過(guò)10000個(gè)/d，且這些數(shù)據(jù)已納入到NOAA商業(yè)天氣數(shù)據(jù)試點(diǎn)計(jì)劃中，并正在申請(qǐng)納入美國(guó)空軍商業(yè)天氣數(shù)據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃。SPIRE公司的小衛(wèi)星掩星探測(cè)星座不但可以接收GPS星的信號(hào)，還可以同時(shí)處理歐盟的Galileo、俄羅斯的GLONASS和日本的QZSS導(dǎo)航星座信號(hào)，其能力更具擴(kuò)展性。

圖4 SPIRE公司2019年掩星探測(cè)能力快速提升（a）和2020年將進(jìn)一步拓展（b）

3.2 測(cè)風(fēng)小衛(wèi)星星座

同樣是利用GPS導(dǎo)航信息探測(cè)大氣信息的另一個(gè)小衛(wèi)星星座是NASA主導(dǎo)的測(cè)風(fēng)小衛(wèi)星星座計(jì)劃CYGNSS（Cyclone Global Navigation Satellite System），于2016年12月15日發(fā)射成功，2017年3月開始提供測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。CYGNSS小衛(wèi)星星座由8顆6U-CubeSat星組成，每顆星可以同時(shí)接收至少4顆GPS衛(wèi)星的直接和反射信號(hào)，以確保定位的準(zhǔn)確性，直接信號(hào)用來(lái)確定CYGNSS衛(wèi)星自身的位置，反射信號(hào)來(lái)自海洋表面，通過(guò)測(cè)量反映風(fēng)浪運(yùn)動(dòng)的粗糙度變化，分析確定風(fēng)速風(fēng)向等級(jí)（圖5）。由8顆小衛(wèi)星協(xié)同觀測(cè)，可以在南北緯40°之間提供任一觀測(cè)點(diǎn)每3小時(shí)一次的觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于GPS的微波信號(hào)具有穿透云雨的全天候特征，CYGNSS可以及時(shí)捕捉到在廣闊的海洋上產(chǎn)生的氣旋系統(tǒng)從初始生成到消亡的完整海表風(fēng)場(chǎng)變化，對(duì)開展海洋天氣氣候研究和完善相關(guān)業(yè)務(wù)是非常有價(jià)值的，特別是對(duì)易造成重大影響的臺(tái)風(fēng)，無(wú)論是強(qiáng)度還是路徑變化，風(fēng)場(chǎng)都是最重要的信息之一（圖6）。在實(shí)際應(yīng)用中，CYGNSS信息還被延伸至分析洪水、土壤濕度、地表熱通量等信息，都取得了很好的效果。

3.3 微波小衛(wèi)星

在目前氣象衛(wèi)星裝載的各類探測(cè)儀器中，微波溫濕度輻射計(jì)是最成功的載荷之一，據(jù)ECMWF的評(píng)估，衛(wèi)星微波探測(cè)獲取的全球垂直溫濕度廓線已成為減少數(shù)值預(yù)報(bào)模式誤差最有價(jià)值的信息，遠(yuǎn)超過(guò)包括傳統(tǒng)探空儀在內(nèi)的其他任何探測(cè)資料。因此，在極軌氣象衛(wèi)星上安裝了微波儀器已成為各國(guó)衛(wèi)星計(jì)劃的優(yōu)先選擇。而要彌補(bǔ)大衛(wèi)星成本高、數(shù)量少、時(shí)間分辨率低的缺陷，發(fā)射多顆微波小衛(wèi)星組成星座應(yīng)是優(yōu)先選擇。美國(guó)NASA地球系統(tǒng)科學(xué)探路者（ESSP）計(jì)劃贊助的6U級(jí)小衛(wèi)星TEMPEST-D（Temporal Experiment for Storms and Tropical Systems Demonstration）于2018年5月21日通過(guò)國(guó)際空間站發(fā)射，7月13日成功部署到軌道上，衛(wèi)星的有效載荷是一個(gè)五頻段毫米波輻射計(jì)（87～181 GHz），能夠觀測(cè)到大氣液態(tài)水和冰含量的分布變化（圖7～圖8）。通過(guò)將TEMPEST-D與現(xiàn)有的NOAA和歐洲 EUMETSAT氣象衛(wèi)星的對(duì)應(yīng)資料進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，TEMPEST-D輻射計(jì)具有很高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，與大衛(wèi)星上儀器保持了一致性。按照初始計(jì)劃，試驗(yàn)成功后，將部署8顆TEMPEST系列CubeSat星構(gòu)成星座，形成高時(shí)間分辨率小衛(wèi)星毫米波對(duì)地遙感觀測(cè)系統(tǒng)。

圖5 CYGNSS星座工作原理示意圖

圖6 CYGNSS小衛(wèi)星星座連續(xù)監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)示意圖

圖7 2019年9月40日TEMPEST-D 對(duì)颶風(fēng)多莉安（Dorian）觀測(cè)后形成的三維圖像

圖8 TEMPEST-D兩個(gè)不同頻段獲取的2018年月8—12日全球亮溫分布

除TEMPEST計(jì)劃外，NASA的“地球風(fēng)險(xiǎn)儀器（EVI-3）”計(jì)劃還支持了由6個(gè)3U-CubeSats組成的微波星座項(xiàng)目TROPICS，原計(jì)劃在2019年發(fā)射，現(xiàn)已延遲到2021年。該計(jì)劃的技術(shù)實(shí)現(xiàn)以麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實(shí)驗(yàn)室（LL）開發(fā)的微型微波衛(wèi)星2（MicroMAS-2）為基礎(chǔ)，每顆星上裝有一個(gè)高性能微波輻射計(jì)，類似于美國(guó)NOAA-20衛(wèi)星上安裝的高性能微波探測(cè)器ATMS（Advanced Technology Microwave Sounder），使用91～205 GHz的12個(gè)頻段通道，重復(fù)觀測(cè)周期約半小時(shí)，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(jié)構(gòu)的信息。 而NOAA也在支持發(fā)展類似的對(duì)地觀測(cè)微波小衛(wèi)星星座項(xiàng)目（EON-MW The Earth Observing Nanosatellite-Microwave），同樣由林肯實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)研制，采用與ATMS類似的四個(gè)波段的22個(gè)微波頻道，是一組由8顆12U級(jí)CubeSat立方星構(gòu)成的觀測(cè)星座，原計(jì)劃于2020年發(fā)射。正是由于微波探測(cè)器在大衛(wèi)星上取得的成功，使其成為發(fā)展小衛(wèi)星星座所優(yōu)先選擇的載荷之一。

3.4 高光譜小衛(wèi)星

在被動(dòng)遙感的有效載荷中，除微波探測(cè)資料外，根據(jù)ECMWF的分析，氣象衛(wèi)星中紅外高光譜信息對(duì)改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式性能的作用位列第二，如2002年5月NASA發(fā)射的Aqua衛(wèi)星安裝了先進(jìn)的大氣紅外探測(cè)器AIRS，可以通過(guò)2378光譜通道提供高質(zhì)量的大氣溫、濕、云、氣溶膠、臭氧等大氣廓線結(jié)構(gòu)信息，在各國(guó)全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式發(fā)展和遙感資料分析中得到廣泛應(yīng)用，評(píng)價(jià)很高。而如何將這樣的高性能、高造價(jià)的設(shè)備通過(guò)改造安裝到小衛(wèi)星上，通過(guò)低成本的替代方案解決時(shí)間分辨率的問(wèn)題，顯然是極有價(jià)值的發(fā)展選項(xiàng)。NASA的JPL已經(jīng)開始研制這樣的6U級(jí)小衛(wèi)星CIRAS（CubeSat Infrared Atmospheric Sounder），設(shè)計(jì)指標(biāo)接近于AIRS且有了初步成果。

3.5 雷達(dá)小衛(wèi)星

2018年5月與TEMPEST-D一起通過(guò)國(guó)際空間站發(fā)射的還有另外一顆6U級(jí)立方體試驗(yàn)小衛(wèi)星RainCube，與TEMPEST-D不同的是這顆星是主動(dòng)遙感小衛(wèi)星，有效載荷是NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的Ka波段（35.75 GHz）測(cè)雨雷達(dá)。RainCube于6月正式進(jìn)入軌道，7月28日，超輕、緊湊型Ka頻段天線成功展開，8月27日首次對(duì)降雨系統(tǒng)進(jìn)行了觀測(cè)。RainCubezhu6主要試驗(yàn)任務(wù)是將在大型衛(wèi)星（如全球測(cè)雨衛(wèi)星GPM）已實(shí)現(xiàn)的測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)小型化，安裝在小衛(wèi)星上運(yùn)行，通過(guò)構(gòu)建星座實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨系統(tǒng)高時(shí)頻重復(fù)觀測(cè)，解決廣大洋面和其他地基雷達(dá)無(wú)法覆蓋區(qū)域的主動(dòng)遙感觀測(cè)問(wèn)題。同時(shí)，RainCube的試驗(yàn)成功，也為在小衛(wèi)星上發(fā)展更為先進(jìn)的雷達(dá)載荷打下了基礎(chǔ)，美國(guó)NASA正在研發(fā)更為先進(jìn)的用于小衛(wèi)星的三頻多普勒雷達(dá)系統(tǒng)MASTR（Multi-Application Smallsat Tri-band Radar），同時(shí)通過(guò)Ku、Ka和W波進(jìn)行探測(cè)，獲取更為豐富的云和降水信息（圖9）。

圖9 TEMPEST-D與RainCube協(xié)同觀測(cè)臺(tái)風(fēng)特拉米（Trami）

圖10 太空中的ICESat-2探測(cè)示意圖

3.6 激光小衛(wèi)星

另一類主動(dòng)遙感小衛(wèi)星的有效載荷是激光雷達(dá)，如美國(guó)NASA冰凍圈科學(xué)計(jì)劃支持發(fā)展的小衛(wèi)星ICESat-2（Ice, Cloud and land Elevation Satellite）于2018年9月15日成功發(fā)射（圖10），搭載了先進(jìn)地形激光測(cè)高儀系統(tǒng)（ATLAS），是繼2003年發(fā)射的ICESat-1后第二代激光測(cè)高小衛(wèi)星，重155 kg，通過(guò)發(fā)射3組6個(gè)激光束對(duì)地表目標(biāo)物掃描，設(shè)定的4個(gè)科學(xué)目標(biāo)為：通過(guò)測(cè)量冰蓋融化情況并研究對(duì)海平面上升的影響；測(cè)量并研究冰蓋和冰川的質(zhì)量變化；估算和研究海冰厚度；測(cè)量全世界森林和其他生態(tài)系統(tǒng)中的植被高度。通過(guò)這些監(jiān)測(cè)和研究掌握因氣候變化對(duì)冰凍圈和生態(tài)圈造成的影響情況，同時(shí)還可以測(cè)量云和氣溶膠分布結(jié)構(gòu)。2019年6月，NASA已通過(guò)網(wǎng)站正式發(fā)布了ICESat-2的觀測(cè)數(shù)據(jù)。從激光的應(yīng)用范圍看，遠(yuǎn)不止測(cè)高，而高度測(cè)量小衛(wèi)星的成功發(fā)射和應(yīng)用，顯然有助于為其他功能的實(shí)現(xiàn)提供示范，如NASA已將原準(zhǔn)備配備在無(wú)人機(jī)上的一種緊湊型模塊化激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可用于小衛(wèi)星平臺(tái)，該系統(tǒng)可以測(cè)量大氣水汽、氣溶膠、甲烷等大氣成分的垂直分布結(jié)構(gòu)。

4 小結(jié)

以上介紹了部分氣象小衛(wèi)星發(fā)展情況，包括已經(jīng)發(fā)射成功的和正在研發(fā)的小衛(wèi)星項(xiàng)目，主要反映的是美國(guó)的部分情況。實(shí)際上，包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都開始在這一領(lǐng)域發(fā)力，參與到氣象小衛(wèi)星發(fā)展進(jìn)程中，已發(fā)射成功和正在研發(fā)的小衛(wèi)星項(xiàng)目還很多。2018年12月29日，我國(guó)成功發(fā)射的云海二號(hào)衛(wèi)星，是由6顆小衛(wèi)星組成的星座，承擔(dān)大氣掩星探測(cè)任務(wù)，并于2019年10月部署完畢，可以提供探測(cè)資料。2019年6月5日我國(guó)在黃海海域成功完成“一箭七星”海上發(fā)射技術(shù)試驗(yàn)，其中有兩顆就是用于氣象的捕風(fēng)小衛(wèi)星，類似于美國(guó)CYGNSS星座的功能，通過(guò)對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析處理，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。2020年1月15日，由天津云遙宇航科技有限公司研制的國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)GNSS掩星探測(cè)小衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空并成功入軌，這一計(jì)劃的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)由80顆小衛(wèi)星構(gòu)成的全球組網(wǎng)星座。

從國(guó)內(nèi)外小衛(wèi)星的發(fā)展態(tài)勢(shì)，不難分析得到以下結(jié)論。

1）根據(jù)近年來(lái)航天技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和航天器發(fā)射數(shù)量比例變化情況來(lái)看，小衛(wèi)星的發(fā)展顯然已占據(jù)了重要位置，可以獨(dú)立構(gòu)成星座，完成特定任務(wù)，也可以與大衛(wèi)星形成互補(bǔ)，解決大衛(wèi)星難以解決的問(wèn)題，要對(duì)這一變化趨勢(shì)予以足夠關(guān)注。

2）推近小衛(wèi)星的發(fā)展，需要從標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)、政策、機(jī)制等方面入手，調(diào)動(dòng)企業(yè)、學(xué)校、研究院所等更為廣泛的參與，構(gòu)建與政府主導(dǎo)的大衛(wèi)星發(fā)展有所不同的模式，調(diào)動(dòng)全社會(huì)的積極性加速推進(jìn)小衛(wèi)星的發(fā)展，滿足更多不同層面的需求，同時(shí)也有助于航天科技的普及。

3）小衛(wèi)星的制造和發(fā)射比大衛(wèi)星簡(jiǎn)單，成本低、周期快，但構(gòu)成星座的小衛(wèi)星資料處理則要復(fù)雜得多，需要在地面資料應(yīng)用環(huán)節(jié)組織更多力量，完成質(zhì)量控制、效果評(píng)估、科研應(yīng)用等重要環(huán)節(jié)，提升小衛(wèi)星發(fā)展效益，這些工作更應(yīng)提早啟動(dòng)。

4）氣象小衛(wèi)星發(fā)展已有許多成功的示范案例，要加強(qiáng)科技引導(dǎo)與投入，注意跟蹤國(guó)內(nèi)外在大衛(wèi)星和小衛(wèi)星領(lǐng)域的成熟技術(shù)發(fā)展，積極參與國(guó)際技術(shù)交流，吸取發(fā)達(dá)國(guó)家已發(fā)展多年的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，縮短技術(shù)研發(fā)與轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。

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