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小卫星计划或代表美国气象监测的发展方向

2021-07-23 来源:瑞安市农业机械网

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美国国家航空航天局(NASA)近年来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。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。

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。

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。

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。要把卫星发射上天并维持其在太空的正常运转,需要很高的空间技术水平;对地面气象的监测,则考验一国的遥感技术水平;监测图像的处理需要由大型计算机来完成;最后,还必须处理好地空之间的通信与控制。这其中的每一项技术,都代表着现代科技发展的最前沿水平,关乎国家的经济发展甚至军事安全。目前,掌握成熟的气象卫星技术,也就是美、欧、日、中、俄等少数国家或地区。

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