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小卫星计划或代表美国天基观测体系转向

来源:中国气象报   发布时间:2019年04月11日15:04
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飓风全球导航卫星系统 图片来源:NASA

贾朋群

  小卫星根据形态、重量和体积等的不同,又有纳米卫星、立方体卫星等多种叫法,一般可借助国际空间站成批发射,择机进入轨道,具有很好的发展势头。其中,地球观测小卫星项目由于应用范围广,前途被普遍看好。

  在技术发展的敏感性方面,美国国家航空航天局(NASA)等机构几乎与企业具有同样的敏感度。近年来NASA主导了多项小卫星地球观测项目,是该领域技术领先的机构。

  从2016年开始,NASA研发的小卫星地球观测项目使用最新技术对飓风、能量平衡、气溶胶等进行观测。例如,“垂直排列碳纳米管辐射计”可以探测地球能量平衡的微小变化,对深入理解温室气体对气候变化的影响具有关键作用;2017年被送往国际空间站的两颗微小卫星“IceCube”和“HARP”可分别对云层中的冰粒和气溶胶进行观测;由8颗小卫星组成的“飓风全球导航卫星系统”,利用海面反射的GPS卫星信号观测海面空气变化,对飓风进行观测;由12颗小卫星组成的TROPICS卫星群,利用辐射计精准地观测飓风内部的温度及湿度变化;“RainCube”(雨立方体卫星)首次利用6U小卫星装载降水雷达,实现云和降水天基观测。

  微小卫星因其成本低、开发时间短,具有很高的风险承受能力,特别适合用于新技术的开发和试验。随着技术不断成熟,经微小卫星验证的技术将被整合进更大的项目中,加速航天技术的革命性进展。

  在2019年2月26日举行的美国众议院听证会上,NASA和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)共同表达了对商业化地球观测数据的重视。NOAA执行局长尼尔·雅各布斯特别针对小卫星观测技术指出:“我相信,立方体卫星业目前只是开始起飞,其提供的数据,特别是GPS无线电掩星数据,是极具价值的。”他还就NOAA继续开展购买商业数据计划、直到未来让包括小卫星数据在内的商业地球观测数据进驻NOAA表达了积极态度。

  据悉,NOAA继2016年购买了两家公司的无线电掩星数据,但评估数据质量没有达到预期之后,并没有停止购买商业卫星数据的步伐,于2018年又购买了3家公司的数据。购买方表示,这次购买的数据与之前NOAA的COSMIC项目数据质量同样优良,因此NOAA负责人预见到了未来商业卫星数据的前景,表示今后NOAA通过政府认购使数据服务常规化。这一事件涉及的地球观测数据,即美国和中国台湾联合COSMIC项目依据无线电掩星技术获取的大气探测层结数据,也是依托于GPS系统,并且几家企业正是用小卫星技术打败了COSMIC项目二期计划制造的大卫星。依靠能力还在提升的全球导航卫星系统(GNSS),瞄准大气层结和地面风速等关键数据,获取常规观测无法获得的反演数据。一旦这些数据以及更多小卫星项目数据的质量达到一定要求并大量进入数值预报数据同化系统,预报系统能力的提升指日可待,空间应用大国或可借助GNSS技术平台大幅提升气象数据覆盖率,从而增强预报能力。

  曾几何时,美国气象业务部门与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)在预报系统性能比拼中,处于下风的一个关键指标就是欧洲并不常见的飓风预报。2012年飓风“桑迪”登陆新泽西州,最先被ECMWF模式预报出来,进而引发了美国气象界乃至整个经济社会的热议和震动,并推动美国天气预报创新立法启动。2017年飓风“哈维”来袭时,与5年前相比,美国气象界多了两件利器:一个是FV3作为动力核心的下一代模式(准业务版),另一个便是飓风全球导航卫星系统,后者主要是针对飓风强度预报这一难度更大的挑战。针对“哈维”的预报过程表明,一些模式无法预报出“哈维”登陆前加强为4级,主要原因就与风数据缺乏有关。

  由此我们可以设想,随着GNSS系统的升级,小卫星技术将不断成熟,大量天基平台上全天候的气象数据或许能为基于物理定律的动力-热力预报系统,以及更广泛的物理统计、人工智能大数据等预报平台上各种时空尺度预报系统注入新的活力,让预报走向多维发展阶段。

  (责任编辑:栾菲)

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