龔燃 （北京空間科技信息研究所）

2019年6月5日，我國在黃海海域利用長征11號運載火箭發(fā)射了基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)反射信號技術（GNSS－R）的捕風一號A/B試驗衛(wèi)星，實現(xiàn)了我國全天候探測海面風場零的突破，為臺風海洋監(jiān)測預報業(yè)務提供重要數(shù)據(jù)支撐。早在1993年，歐洲航天局（ESA）就提出了GNSS－R概念，2003年，英國災難監(jiān)測星座（UK－DMC）衛(wèi)星利用其搭載的GNSS－R儀器成功獲得了海面粗糙度等數(shù)據(jù)，2014年，英國發(fā)射搭載了“海狀態(tài)載荷”的技術試驗驗證衛(wèi)星－1（TDS－1），首次提供延遲多普勒映射（DDM）數(shù)據(jù)產(chǎn)品，開啟了星載反射測量的應用。2016年12月15日，美國國家航空航天局（NASA）利用飛馬座－XL（Pegasus－XL）運載火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射了采用GPS技術改進天基颶風觀測能力的“氣旋全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)”（CYGNSS）。本文擬對CYGNSS衛(wèi)星星座的技術指標及其應用情況進行介紹，供讀者進一步理解全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)與遙感技術的融合應用。

1 基本情況

CYGNSS是NASA地球科學部發(fā)展的“地球風險”（Earth Venture）系列的首個天基任務?！暗厍蝻L險”任務屬于NASA地球系統(tǒng)科學探路者（ESSP）項目的一部分，主要為一些研究周期短、低成本、科學驅動的項目，用于增強對地球及其相關動力學系統(tǒng)的理解，并持續(xù)改進對未來變化的預測能力，作為對NASA大型任務的補充。CYGNSS是由8顆微小衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，以滿足熱帶風暴觀測對于高時間和空間分辨率的要求。該星座由德克薩斯州西南研究院（SwRI）建造，薩瑞衛(wèi)星技術公司（SSTL）位于科羅拉多州的美國子公司負責提供GPS接收機。

DDMI組成結構實物圖

CYGNSS總體目標是改善極端天氣預報，重點為研究熱帶氣旋內核形成機制及過程，通過測量熱帶氣旋、臺風以及颶風眼壁和附近的海洋表面風力等信息，深入認識熱帶氣旋和颶風的形成以及強度，改善對颶風強度、軌跡和風暴潮的預報。在科學研究方面，CYGNSS衛(wèi)星星座首次從空間頻繁探測颶風內核，并利用現(xiàn)有GPS衛(wèi)星的直接信號與反射信號來計算海洋表面的風速；在氣象預報方面，CYGNSS衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)精確預測颶風軌跡、強度以及風暴潮，保護受颶風及龍卷風威脅的沿海地區(qū)民眾生命，減少財產(chǎn)損失。

2 性能指標

系統(tǒng)設計與結構

8顆CYGNSS衛(wèi)星分布在一個軌道面上，軌道高度約500km，軌道傾角約35°。每顆小衛(wèi)星質量約29kg，尺寸約為51cm×38cm×28cm，翼展為1.68m，設計壽命2年。

CYGNSS衛(wèi)星系統(tǒng)主要包含供電與電源配置系統(tǒng)（EPS）、遙控遙測分系統(tǒng)（CDS）、姿態(tài)控制分系統(tǒng)（ADCS）、延遲多普勒映射儀器（DDMI）。

星載有效載荷

每顆CYGNSS衛(wèi)星均裝有一臺DDMI。該儀器采用了薩瑞公司經(jīng)改裝的商用接收機，是2003年英國UKDMC衛(wèi)星上全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)反射測量（GNSS－R）接收機的升級版本，主要升級了兩個方面：采用了新的射頻前端，提高了噪聲性能和采樣率；提供了GNSS－R信號的實時處理能力，減小下傳的數(shù)據(jù)量。該儀器主要包括一臺延遲映射接收機（DMR）、兩個指向天底點的天線用于接收反射信號、一個指向天頂點的天線用于對衛(wèi)星進行定位測速。

CYGNSS天線安裝示意圖

DDMI采用了一種新穎的風速測量方法，直接從GPS衛(wèi)星接收信號，同時從海洋表面收集反射的GPS信號，通過風速數(shù)據(jù)反演計算海洋表面粗糙度，提供更準確的暴雨強度情況。與現(xiàn)役的氣象衛(wèi)星相比，它能夠穿透颶風眼壁的暴雨，收集風暴內核的數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測地球熱帶颶風帶緯度地區(qū)的海洋表面風信息，每顆衛(wèi)星每秒能夠進行4次風信息測量，整個星座每秒能夠進行32次測量。

DDMI以低的數(shù)據(jù)速率連續(xù)產(chǎn)生多普勒測圖信號，這樣便可以根據(jù)海洋波浪的大小來評價海洋表面風速（在風速大的時候，海洋的波浪會較大，其產(chǎn)生的反射信號就會與無風時平靜洋）面所產(chǎn)生的反射信號不同)。在特殊的情況下，比如當穿過一個活動的熱帶氣旋時，該儀器可以原始數(shù)據(jù)模式工作，從而積累60s的原始采樣數(shù)據(jù)時間。這樣，研究人員便可以對采用不同處理方案獲取的數(shù)據(jù)進行深入分析，以保證標稱的DDM操作模式不丟失重要的地理信息。

CYGNSS用于接收GNSS－R反射信號的天線是由3個陣元組成的線陣天線，在衛(wèi)星上安裝兩幅下視天線，天線在星體安裝時為了保證跟蹤GNSS衛(wèi)星的個數(shù)最多，天線與天底方向存在28°的夾角，下視天線增益為12.6dB，天線視場為140°×30°。

數(shù)據(jù)接收與處理

GNSS反射信號相對于直達信號存在時間延遲和多普勒頻移，DMR接收機可接收經(jīng)反射物表面反射后的信號,并從這些信號中提取反射面特征，通過處理GNSS反射信號生成延遲多普勒圖（DDM），由時間延遲和多普勒頻移組成其坐標軸。即利用反射信號時延多普勒二維相關功率，計算本地載波信號與散射區(qū)域內不同時間延遲和多普勒頻率的接收信號的相關功率值，獲得反射面參數(shù)。

在進行相關處理之前，需利用GPS衛(wèi)星和CYGNSS衛(wèi)星的位置計算鏡面反射點坐標對時延和頻移進行估計，在估計的時延和頻移附近進行相關處理。DDMI儀器對反射信號進行跟蹤時，多普勒頻移的相關范圍為±6.5kHz，分辨率為250Hz，對時間延遲的分辨率為61ns，接收機對GNSS-R反射信號的接收靈敏度為－174dBW。結合現(xiàn)有可用元器件性能，DMR接收機能夠同時跟蹤4個反射事件，非相干積分時間為1s。

3 應用情況

CYGNSS衛(wèi)星星座同時接收與反射GPS信號

一顆衛(wèi)星90min觀測GNSS―R事件分布

CYGNSS星座24h觀測GNSS―R事件分布

通過將GPS信號的全天候性能與CYGNSS衛(wèi)星星座的密集采樣特性相結合，可以對熱帶氣旋、臺風以及颶風整個壽命周期中的眼壁內和眼壁附近的海洋表面風進行頻繁測量，每秒可得到32個實際風速值。此外，CYGNSS可對單一樣本點進行多次觀測，時間間隔為幾分鐘至幾小時?？傮w而言，CYGNSS觀測數(shù)據(jù)幾乎不受降水影響，時間步長短，時間采樣率和空間覆蓋率得到了大幅提升，每隔幾小時就能生成一幅整個熱帶地區(qū)的風速圖像。

2017年3月6日，在CYGNSS衛(wèi)星仍處于試運行階段，就通過觀測到氣旋表面風，提前幾個小時成功預報了馬達加斯加的熱帶氣旋“愛娜沃”（Enawo）。聯(lián)合臺風警報中心監(jiān)測到當CYGNSS衛(wèi)星經(jīng)過時，“愛娜沃”的最大持續(xù)風速預計為125m/h，CYGNSS衛(wèi)星接近和經(jīng)過風暴中心時按照預期觀測到了風速的改變，在整個過程中展現(xiàn)出了較高的敏感度和可靠性。

2018年，8顆CYGNSS衛(wèi) 星 星 座主要用于改進和提高科學數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質量，同時將測量結果應用于一些科學研究。CYGNSS于2018年9月對臺風潭美（Trami）進行了測量，它能夠追蹤風暴在其整個生命周期中的演變。

在觀測海洋活動的同時，CYGNSS數(shù)據(jù)也用于研究陸地活動，如表面土壤水分和內陸水體等。美國科學家們已利用CYGNSS估算了美國大陸許多地區(qū)的土壤濕度，并證明了CYGNSS能夠監(jiān)測和繪制茂密森林冠層下洪水泛濫的程度等。2019年，隨著任務進入第三年，CYGNSS數(shù)據(jù)的未來應用范圍將更加廣泛。