氣象小衛星：拓展天基氣象觀測的新領域

■ 許小峰

推近小衛星的發展，需要從標準、法規、政策、機制等方面入手，調動企業、學校、研究院所等更為廣泛的參與，構建與政府主導的大衛星發展有所不同的模式，調動全社會的積極性加速推進小衛星的發展。

近年來，隨著小衛星技術的快速發展和應用，為氣象業務的天基觀測拓展了新的領域。通過小衛星星座的建立，與大衛星系統結合，可以構成能力更強大的多要素、高時空分辨率、滿足多樣需求的氣象衛星觀測體系。

1 小衛星的概念

關于小衛星概念，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以上的稱為大型衛星（Large Satellite）；重量在1000 kg以下的統稱為小衛星（Small Satellite）。又進一步將小衛星分為6類：重量在500～1000 kg的為小衛星（smallsat）；重量在100～500 kg的為超小衛星（minisat）；重量在10～100 kg的為微衛星（microsat）；重量在1 ～1 0 k g 的為納衛星（nanosat）；重量0.1～1 kg的為皮衛星（picosat）；重量小于0.1 kg的稱為飛衛星（femtosat）。實際上，從衛星的發展進程看，星體本身也是一個由簡單到復雜、由小到大的過程。如美國1960年4月1日發射的世界上第一顆試驗性氣象衛星“泰羅斯”1號，重約120 kg，按現在的標準，是名副其實的小衛星；中國于1970年4月24日發射的第一顆人造衛星“東方紅一號”重173 kg，也是一顆小衛星；1988年9月7日我國發射的首顆氣象衛星風云一號A，重750 kg，仍屬小衛星范疇。而風云三號和風云四號氣象衛星系列，由于增加了大量有效載荷，探測能力明顯提升，重量增加到了2000～5000 kg，屬于大衛星。

從2017年開始，全球小衛星的發射數量明顯增長。2012年以前，每年小衛星發射數量在50 顆以下；2013—2016年，每年發射數量超過100顆；2017年至今，每年發射數量超過300顆，小衛星占所有航天器的比重也從30%左右增長至70%。2018年全球共發射461個航天器，其中500 kg以下的小衛星321顆，占69.6%；2019年全球航天器發射數量為492個，500 kg以下小衛星占比80.29%，份額進一步提升，小衛星在空間飛行器體系中已占有重要位置。

為了適應小衛星技術發展和發射數量的快速增加，標準規范的確立也伴隨推進，影響最為廣泛的是建立了根據體積和重量兩項指標和相關技術要求創造性地劃分了不同類型微小衛星標準，即立方體衛星（CubeSat）。1999年，在美國加利福尼亞理工州立大學（Cal Poly）的Jordi PuigSuari教授、San Luis Obispo教授和斯坦福大學空間系統開發實驗室（SSDL）的Bob Twiggs教授共同努力下，啟動了CubeSat項目，目的是為皮衛星的設計提供一個標準，方便衛星的設計、研制、測試與發射，以減少成本和開發時間，為維持微小衛星的頻繁發射提供更為便捷有效的方式。CubeSat最終成為包括100多所大學和私人公司共同開發的國際合作項目，制定出了規范標準和功能規格要求。CubeSat以“U”為單位進行劃分，1 U即一個標準單元，體積約為10 cm3，重量約1.33 kg。對每一標準單元又將重量按一定比例劃分給載荷、電池、平臺、結構等部分（圖1）。CubeSat按照模塊化架構設計，以“U”為單位，可在一個軸或多個軸上擴展，形成2 U、3 U甚至更大的立方星，但一般不超過12 U，這種設計方式由于在技術和應用上所帶來的便利性，已成為國際微小衛星發展的實際標準，得到普遍認可，一些更大衛星的發展設計也在參照這一做法。

圖1 6個立方星和它們的配置系統

2 小衛星的優勢與發展方式

發展小衛星具有研發周期短、成本低、發射方式靈活等優點，通過多顆星組成星座陣列，可以提高時空探測密度，提高關鍵信息的獲取效率。如何發展小衛星，則有不同的方式選擇。一是對需求目標相對單一的探測，如僅對某一種要素的信息感興趣，方案就很簡單，載荷少，直接發展單一探測目標的小衛星即可；二是選擇將準備在大衛星上試驗的一些新功能移到小衛星上進行，這樣有利于縮短研發周期，加快新技術的應用；三是選擇將大衛星上已發展成熟且應用效益明顯的單個或幾個載荷重新設計，通過小衛星實現新的探測能力，技術上相對成熟，且可以發揮小衛星高時空分辨的優勢，通過多顆星構建小衛星星座，滿足業務需求，顯然是比較現實的做法；還有一種考慮是如何將現有的大衛星做小，如發展了多年的氣象衛星，綜合探測能力已比較成熟，若能通過技術改進，壓縮所有載荷、元器件的體積和重量，使其降至小衛星的陣營，這可以作為一種理想追求，但從技術上顯然需要發展過程，短期內不易實現，從成本上考慮則可能更高，包括時間和價格，這顯然與小衛星應具備的優勢相悖，不可取。從各國小衛星技術發展的實際情況看，以上提到的除最后一種選擇外，前三項都已有了成功的實踐，也說明小衛星的顯著特點之一是可以快速實現相對單一或簡單的功能。

同以往發射的衛星類似，目前發射小衛星的主要用途仍以通信、定位和遙感監測為主。隨著技術上的成熟和成本的下降，無論是國際還是國內，小衛星的發射都呈爆發式增長，這一方面反映了實際需求的牽引，也與一些國家政策支持導向有關。如美國于2010年就由NASA牽頭，啟動了立方體小衛星發射創新計劃（CSLI），通過資金贊助和發射支持等激勵政策，鼓勵大學、中小學和非盈利組織參與立方星的創新開發，從效果看，無論是對創新實踐、實際應用，還是在全社會普及空間科學知識等方面都起到了積極推進作用，并進一步促進了全社會對航天科技發展的認識和支持。

有意愿參與CSLI計劃的學校或組織可根據自身的興趣和能力設計CubeSat方案，然后提交NASA進行評估，確定是否立項。2010年以來，NASA已從來自39個州的97個獨立單位提交的項目中，選擇了176個CubeSat任務（圖2～圖3），并對其進行了優先排序。通過27次發射，已將101個CubeSat送入太空，還有39個已準備好的星也已具備發射條件，2020年的項目還將繼續支持執行這一計劃。

圖2 美國各州參與CSLI項目分布圖，包括被選中、待發射和已發射小衛星的數量（來自NASA網站）

圖3 CSLI項目第100個3 U-CubeSat-HARP，于2019年11月2日發射，旨在測量大氣氣溶膠、云水和冰粒的微物理特性（來自NASA網站）

除了組織廣泛的研發與參與外，在機制設計上通過立法導向也是調動社會力量積極投入參與的有效方式。以氣象為例，美國2017年通過了《2017年天氣研究與創新法案》，其中明確了允許政府機構向商業公司購買氣象數據，且要求NOAA避免在數據提供上出現政府部門與私人企業的不必要重復。這調動了商業機構在大氣探測業務上投入的積極性，而不僅是單純生產裝備。特別是在小衛星這一新興領域，私營企業的靈活機制更具競爭性。

3 幾類氣象小衛星的發展狀況

3.1 GNSS掩星小衛星星座

中國臺灣與美方機構合作，2006年4月15日美國執行了COSMIC

（Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate）計劃，共發射了6顆小衛星組成GPS掩星探測系統，每顆衛星直徑1 m、重62 kg，通過接受GPS導航衛星的信息獲取掩星事件，推算大氣垂直溫濕廓線。這一項目取得了成功，所獲取的全球廓線資料已成為應用效果排名靠前的氣象衛星資料，被應用到許多國家的數值天氣預報的模式及相關的科研和業務中。鑒于COSMIC項目的成功，美國又啟動了COSMIC-2計劃，已于2019年6月25日，發射了COSMIC-2第一批6個衛星，并計劃于2020年投入業務使用，每天可以在全球范圍提供4000個掩星廓線。與此同時，商業機構也看到了這一領域衛星數據挖掘的潛力，政府部門的投入遠不能滿足需求。美國SPIRE公司經過幾年來的發展，構建了3U小衛星星座的方式，迅速擴大了在GNSS無線電掩星觀測領域的占有份額。截止到2019年8月，通過20次發射，已擁有了84顆3U CubeSats在不同軌道平面上運行，且還在繼續發展，計劃達100顆以上，數量上遠超過了COSMIC計劃（圖4）。到2019年底，已在全球范圍每天提供6500個溫濕垂直廓線，且還在迅速增加，預計2020年將超過10000個/d，且這些數據已納入到NOAA商業天氣數據試點計劃中，并正在申請納入美國空軍商業天氣數據試驗計劃。SPIRE公司的小衛星掩星探測星座不但可以接收GPS星的信號，還可以同時處理歐盟的Galileo、俄羅斯的GLONASS和日本的QZSS導航星座信號，其能力更具擴展性。

圖4 SPIRE公司2019年掩星探測能力快速提升（a）和2020年將進一步拓展（b）

3.2 測風小衛星星座

同樣是利用GPS導航信息探測大氣信息的另一個小衛星星座是NASA主導的測風小衛星星座計劃CYGNSS（Cyclone Global Navigation Satellite System），于2016年12月15日發射成功，2017年3月開始提供測風數據。CYGNSS小衛星星座由8顆6U-CubeSat星組成，每顆星可以同時接收至少4顆GPS衛星的直接和反射信號，以確保定位的準確性，直接信號用來確定CYGNSS衛星自身的位置，反射信號來自海洋表面，通過測量反映風浪運動的粗糙度變化，分析確定風速風向等級（圖5）。由8顆小衛星協同觀測，可以在南北緯40°之間提供任一觀測點每3小時一次的觀測數據。由于GPS的微波信號具有穿透云雨的全天候特征，CYGNSS可以及時捕捉到在廣闊的海洋上產生的氣旋系統從初始生成到消亡的完整海表風場變化，對開展海洋天氣氣候研究和完善相關業務是非常有價值的，特別是對易造成重大影響的臺風，無論是強度還是路徑變化，風場都是最重要的信息之一（圖6）。在實際應用中，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 微波小衛星

在目前氣象衛星裝載的各類探測儀器中，微波溫濕度輻射計是最成功的載荷之一，據ECMWF的評估，衛星微波探測獲取的全球垂直溫濕度廓線已成為減少數值預報模式誤差最有價值的信息，遠超過包括傳統探空儀在內的其他任何探測資料。因此，在極軌氣象衛星上安裝了微波儀器已成為各國衛星計劃的優先選擇。而要彌補大衛星成本高、數量少、時間分辨率低的缺陷，發射多顆微波小衛星組成星座應是優先選擇。美國NASA地球系統科學探路者（ESSP）計劃贊助的6U級小衛星TEMPEST-D（Temporal Experiment for Storms and Tropical Systems Demonstration）于2018年5月21日通過國際空間站發射，7月13日成功部署到軌道上，衛星的有效載荷是一個五頻段毫米波輻射計（87～181 GHz），能夠觀測到大氣液態水和冰含量的分布變化（圖7～圖8）。通過將TEMPEST-D與現有的NOAA和歐洲 EUMETSAT氣象衛星的對應資料進行對比發現，TEMPEST-D輻射計具有很高的準確性和穩定性，與大衛星上儀器保持了一致性。按照初始計劃，試驗成功后，將部署8顆TEMPEST系列CubeSat星構成星座，形成高時間分辨率小衛星毫米波對地遙感觀測系統。

圖5 CYGNSS星座工作原理示意圖

圖6 CYGNSS小衛星星座連續監測臺風活動示意圖

圖7 2019年9月40日TEMPEST-D 對颶風多莉安（Dorian）觀測后形成的三維圖像

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

除TEMPEST計劃外，NASA的“地球風險儀器（EVI-3）”計劃還支持了由6個3U-CubeSats組成的微波星座項目TROPICS，原計劃在2019年發射，現已延遲到2021年。該計劃的技術實現以麻省理工學院（MIT）林肯實驗室（LL）開發的微型微波衛星2（MicroMAS-2）為基礎，每顆星上裝有一個高性能微波輻射計，類似于美國NOAA-20衛星上安裝的高性能微波探測器ATMS（Advanced Technology Microwave Sounder），使用91～205 GHz的12個頻段通道，重復觀測周期約半小時，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構的信息。 而NOAA也在支持發展類似的對地觀測微波小衛星星座項目（EON-MW The Earth Observing Nanosatellite-Microwave），同樣由林肯實驗室承擔研制，采用與ATMS類似的四個波段的22個微波頻道，是一組由8顆12U級CubeSat立方星構成的觀測星座，原計劃于2020年發射。正是由于微波探測器在大衛星上取得的成功，使其成為發展小衛星星座所優先選擇的載荷之一。

3.4 高光譜小衛星

在被動遙感的有效載荷中，除微波探測資料外，根據ECMWF的分析，氣象衛星中紅外高光譜信息對改進數值預報模式性能的作用位列第二，如2002年5月NASA發射的Aqua衛星安裝了先進的大氣紅外探測器AIRS，可以通過2378光譜通道提供高質量的大氣溫、濕、云、氣溶膠、臭氧等大氣廓線結構信息，在各國全球數值預報模式發展和遙感資料分析中得到廣泛應用，評價很高。而如何將這樣的高性能、高造價的設備通過改造安裝到小衛星上，通過低成本的替代方案解決時間分辨率的問題，顯然是極有價值的發展選項。NASA的JPL已經開始研制這樣的6U級小衛星CIRAS（CubeSat Infrared Atmospheric Sounder），設計指標接近于AIRS且有了初步成果。

3.5 雷達小衛星

2018年5月與TEMPEST-D一起通過國際空間站發射的還有另外一顆6U級立方體試驗小衛星RainCube，與TEMPEST-D不同的是這顆星是主動遙感小衛星，有效載荷是NASA噴氣動力實驗室（JPL）研制的Ka波段（35.75 GHz）測雨雷達。RainCube于6月正式進入軌道，7月28日，超輕、緊湊型Ka頻段天線成功展開，8月27日首次對降雨系統進行了觀測。RainCubezhu6主要試驗任務是將在大型衛星（如全球測雨衛星GPM）已實現的測雨雷達系統小型化，安裝在小衛星上運行，通過構建星座實現對降雨系統高時頻重復觀測，解決廣大洋面和其他地基雷達無法覆蓋區域的主動遙感觀測問題。同時，RainCube的試驗成功，也為在小衛星上發展更為先進的雷達載荷打下了基礎，美國NASA正在研發更為先進的用于小衛星的三頻多普勒雷達系統MASTR（Multi-Application Smallsat Tri-band Radar），同時通過Ku、Ka和W波進行探測，獲取更為豐富的云和降水信息（圖9）。

圖9 TEMPEST-D與RainCube協同觀測臺風特拉米（Trami）

圖10 太空中的ICESat-2探測示意圖

3.6 激光小衛星

另一類主動遙感小衛星的有效載荷是激光雷達，如美國NASA冰凍圈科學計劃支持發展的小衛星ICESat-2（Ice, Cloud and land Elevation Satellite）于2018年9月15日成功發射（圖10），搭載了先進地形激光測高儀系統（ATLAS），是繼2003年發射的ICESat-1后第二代激光測高小衛星，重155 kg，通過發射3組6個激光束對地表目標物掃描，設定的4個科學目標為：通過測量冰蓋融化情況并研究對海平面上升的影響；測量并研究冰蓋和冰川的質量變化；估算和研究海冰厚度；測量全世界森林和其他生態系統中的植被高度。通過這些監測和研究掌握因氣候變化對冰凍圈和生態圈造成的影響情況，同時還可以測量云和氣溶膠分布結構。2019年6月，NASA已通過網站正式發布了ICESat-2的觀測數據。從激光的應用范圍看，遠不止測高，而高度測量小衛星的成功發射和應用，顯然有助于為其他功能的實現提供示范，如NASA已將原準備配備在無人機上的一種緊湊型模塊化激光雷達系統設計為可用于小衛星平臺，該系統可以測量大氣水汽、氣溶膠、甲烷等大氣成分的垂直分布結構。

4 小結

以上介紹了部分氣象小衛星發展情況，包括已經發射成功的和正在研發的小衛星項目，主要反映的是美國的部分情況。實際上，包括中國在內的許多國家都開始在這一領域發力，參與到氣象小衛星發展進程中，已發射成功和正在研發的小衛星項目還很多。2018年12月29日，我國成功發射的云海二號衛星，是由6顆小衛星組成的星座，承擔大氣掩星探測任務，并于2019年10月部署完畢，可以提供探測資料。2019年6月5日我國在黃海海域成功完成“一箭七星”海上發射技術試驗，其中有兩顆就是用于氣象的捕風小衛星，類似于美國CYGNSS星座的功能，通過對接收到的信息進行分析處理，達到了預期指標。2020年1月15日，由天津云遙宇航科技有限公司研制的國內首個商業GNSS掩星探測小衛星在太原衛星發射中心發射升空并成功入軌，這一計劃的目標是實現由80顆小衛星構成的全球組網星座。

從國內外小衛星的發展態勢，不難分析得到以下結論。

1）根據近年來航天技術的發展趨勢和航天器發射數量比例變化情況來看，小衛星的發展顯然已占據了重要位置，可以獨立構成星座，完成特定任務，也可以與大衛星形成互補，解決大衛星難以解決的問題，要對這一變化趨勢予以足夠關注。

2）推近小衛星的發展，需要從標準、法規、政策、機制等方面入手，調動企業、學校、研究院所等更為廣泛的參與，構建與政府主導的大衛星發展有所不同的模式，調動全社會的積極性加速推進小衛星的發展，滿足更多不同層面的需求，同時也有助于航天科技的普及。

3）小衛星的制造和發射比大衛星簡單，成本低、周期快，但構成星座的小衛星資料處理則要復雜得多，需要在地面資料應用環節組織更多力量，完成質量控制、效果評估、科研應用等重要環節，提升小衛星發展效益，這些工作更應提早啟動。

4）氣象小衛星發展已有許多成功的示范案例，要加強科技引導與投入，注意跟蹤國內外在大衛星和小衛星領域的成熟技術發展，積極參與國際技術交流，吸取發達國家已發展多年的經驗教訓，縮短技術研發與轉化環節。

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