美國“氣旋全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”與應(yīng)用

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(dǎo)航系統(tǒng)反射信號技術(shù)（GNSS－R）的捕風(fēng)一號A/B試驗衛(wèi)星，實現(xiàn)了我國全天候探測海面風(fēng)場零的突破，為臺風(fēng)海洋監(jiān)測預(yù)報業(yè)務(wù)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(zāi)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(shù)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(yīng)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(shù)改進天基颶風(fēng)觀測能力的“氣旋全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（CYGNSS）。本文擬對CYGNSS衛(wèi)星星座的技術(shù)指標及其應(yīng)用情況進行介紹，供讀者進一步理解全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)與遙感技術(shù)的融合應(yīng)用。

1 基本情況

CYGNSS是NASA地球科學(xué)部發(fā)展的“地球風(fēng)險”（Earth Venture）系列的首個天基任務(wù)。“地球風(fēng)險”任務(wù)屬于NASA地球系統(tǒng)科學(xué)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(xué)驅(qū)動的項目，用于增強對地球及其相關(guān)動力學(xué)系統(tǒng)的理解，并持續(xù)改進對未來變化的預(yù)測能力，作為對NASA大型任務(wù)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(fēng)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(shù)公司（SSTL）位于科羅拉多州的美國子公司負責(zé)提供GPS接收機。

DDMI組成結(jié)構(gòu)實物圖

CYGNSS總體目標是改善極端天氣預(yù)報，重點為研究熱帶氣旋內(nèi)核形成機制及過程，通過測量熱帶氣旋、臺風(fēng)以及颶風(fēng)眼壁和附近的海洋表面風(fēng)力等信息，深入認識熱帶氣旋和颶風(fēng)的形成以及強度，改善對颶風(fēng)強度、軌跡和風(fēng)暴潮的預(yù)報。在科學(xué)研究方面，CYGNSS衛(wèi)星星座首次從空間頻繁探測颶風(fēng)內(nèi)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(fēng)速；在氣象預(yù)報方面，CYGNSS衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)精確預(yù)測颶風(fēng)軌跡、強度以及風(fēng)暴潮，保護受颶風(fēng)及龍卷風(fēng)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(shè)計與結(jié)構(gòu)

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(zhì)量約29kg，尺寸約為51cm×38cm×28cm，翼展為1.68m，設(shè)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?qū)Ш叫l(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(fēng)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(fēng)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(fēng)眼壁的暴雨，收集風(fēng)暴內(nèi)核的數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測地球熱帶颶風(fēng)帶緯度地區(qū)的海洋表面風(fēng)信息，每顆衛(wèi)星每秒能夠進行4次風(fēng)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(fēng)速（在風(fēng)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(fēng)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(dāng)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(guān)功率，計算本地載波信號與散射區(qū)域內(nèi)不同時間延遲和多普勒頻率的接收信號的相關(guān)功率值，獲得反射面參數(shù)。

在進行相關(guān)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(guān)處理。DDMI儀器對反射信號進行跟蹤時，多普勒頻移的相關(guān)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(jié)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(yīng)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(jié)合，可以對熱帶氣旋、臺風(fēng)以及颶風(fēng)整個壽命周期中的眼壁內(nèi)和眼壁附近的海洋表面風(fēng)進行頻繁測量，每秒可得到32個實際風(fēng)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(fēng)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(fēng)，提前幾個小時成功預(yù)報了馬達加斯加的熱帶氣旋“愛娜沃”（Enawo）。聯(lián)合臺風(fēng)警報中心監(jiān)測到當(dāng)CYGNSS衛(wèi)星經(jīng)過時，“愛娜沃”的最大持續(xù)風(fēng)速預(yù)計為125m/h，CYGNSS衛(wèi)星接近和經(jīng)過風(fēng)暴中心時按照預(yù)期觀測到了風(fēng)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(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量，同時將測量結(jié)果應(yīng)用于一些科學(xué)研究。CYGNSS于2018年9月對臺風(fēng)潭美（Trami）進行了測量，它能夠追蹤風(fēng)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(nèi)陸水體等。美國科學(xué)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(wù)進入第三年，CYGNSS數(shù)據(jù)的未來應(yīng)用范圍將更加廣泛。