用微型衛星星座觀測熱帶氣旋

□ 林來興

用微型衛星星座觀測熱帶氣旋

□ 林來興

CYGNSS衛星在軌示意圖

CYGNSS星座想象圖

熱帶氣旋發生在太平洋西部和南海海洋上稱為臺風，發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的財產損失。過去與現在對熱帶氣旋進行了不少研究和預報，包括采用衛星觀測，但是存在兩大缺陷：當發生熱帶氣旋時，海面上存在強烈降水帶與氣旋眼墻，從而遮蔽衛星遙感器觀測；熱帶氣旋生命周期短，變化速度快，單顆衛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、經費要少。

美國密歇根大學與合作單位以“旋風全球導航衛星系統（CYGNSS）”為題，承擔了此項研究仼務。經過不到三年時間完成任務，并于2016年12月15日成功發射8顆CYGNSS微型衛星組成星座。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衛星與星座

CYGNSS衛星最頂層為可折疊固定式太陽電池翼，可發電50瓦，衛星尺寸為50厘米×60厘米×30厘米，質量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方向朝下，接收由反射發來的信號；另一根在衛星最頂層，方向朝上，接收GPS衛星發來的信號。

衛星姿態為三軸偏置動量穩定，有姿態敏感器、星跟蹤器、地平敏感器、太陽敏感器、磁強計等。姿態控制精度為2度，通信為S波段。

星座由8顆CYGNSS衛星組成，安裝在“飛馬座”XL火箭里，搭載飛避免衛星之間發生相碰，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生區域，串聯星座可以一顆接一顆連續不斷觀測所發生熱帶氣旋。這是一種全新的觀測方式。

有效載荷——延遲多普勒測繪儀

旋氣全球導航衛星系統的關鍵技術，是利用GPS反射技術和星座8顆微型衛星裝有延遲多普勒測繪儀（DDMI）作為反射信號接收機。GPS衛星發射類似雙基雷達，一路傳到微型衛星，作為確定三維軌道位置，因為可同時接收4顆GPS衛星發來的信號；另一路從發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微型衛星成功發射并組成星座后，經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，然后在夏秋季節用于觀測颶風，希望獲得如下的觀測結果：詳細了解颶風內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，把衛星送到高500千米、傾角35度的軌道，最后按順序彈出衛星，在同一軌道平面，排為串聯式星座。

CYGNSS衛星準備進行環境試驗

CYGNSS衛星準備進行振動測試

飛機搭載裝有8顆CYGNSS衛星的“飛馬座”XL火箭升空

工作人員在安裝調試CYGNSS衛星

星座位置的保持依靠衛星之間俯仰角的改變所引起的阻力差來維持，衛星沒有推力設備。為了保障安全，到接收機。

反射信號可以反映發生臺風海面的狀態，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，若是光學，則將被遮當。這種工作原理不僅是GPS衛星具有，而是全球導航衛星都有，例如格羅納斯、伽利略以及我國北斗都適用，全球導航衛星將近百顆，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。★