□ 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，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。經(jīng)過不到三年時間完成任務，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。

星體下部為梯形結構，可供安裝三根天線，其中兩根在梯形結構兩側(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)的關鍵技術，是利用GPS反射技術和星座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，這對預防颶風災害有極大幫助；所有觀測結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>