用微型卫星星座观测热带气旋

□ 林来兴

用微型卫星星座观测热带气旋

□ 林来兴

CYGNSS卫星在轨示意图

CYGNSS星座想象图

热带气旋发生在太平洋西部和南海海洋上称为台风，发生在大西洋西部海洋上称为飓风。热带气旋在历史上造成了成千上万人死亡和不可胜数的财产损失。过去与现在对热带气旋进行了不少研究和预报，包括采用卫星观测，但是存在两大缺陷：当发生热带气旋时，海面上存在强烈降水带与气旋眼墙，从而遮蔽卫星遥感器观测；热带气旋生命周期短，变化速度快，单颗卫星无法观测其快速变化的全过程。

为此美国航宇局提出一项克服上述缺陷的热带气旋研究仼务，同时要求研究时间要短、经费要少。

美国密歇根大学与合作单位以“旋风全球导航卫星系统（CYGNSS）”为题，承担了此项研究仼务。经过不到三年时间完成任务，并于2016年12月15日成功发射8颗CYGNSS微型卫星组成星座。目前星座正在轨道运行。从立项研究、方案设计，到硬件研制、发射以及未来两年期间观测热带气旋，总耗资1.5亿美元。

CYGNSS卫星与星座

CYGNSS卫星最顶层为可折叠固定式太阳电池翼，可发电50瓦，卫星尺寸为50厘米×60厘米×30厘米，质量18千克。

星体下部为梯形结构，可供安装三根天线，其中两根在梯形结构两侧方向朝下，接收由反射发来的信号；另一根在卫星最顶层，方向朝上，接收GPS卫星发来的信号。

卫星姿态为三轴偏置动量稳定，有姿态敏感器、星跟踪器、地平敏感器、太阳敏感器、磁强计等。姿态控制精度为2度，通信为S波段。

星座由8颗CYGNSS卫星组成，安装在“飞马座”XL火箭里，搭载飞避免卫星之间发生相碰，各星之间弹出时间相距为1分钟。

选择35度倾角非常适合热带气旋发生区域，串联星座可以一颗接一颗连续不断观测所发生热带气旋。这是一种全新的观测方式。

有效载荷——延迟多普勒测绘仪

旋气全球导航卫星系统的关键技术，是利用GPS反射技术和星座8颗微型卫星装有延迟多普勒测绘仪（DDMI）作为反射信号接收机。GPS卫星发射类似双基雷达，一路传到微型卫星，作为确定三维轨道位置，因为可同时接收4颗GPS卫星发来的信号；另一路从发生台风海面反射此轨道定位精度都很高，而且反射信号很精确。

有效载荷可提供前所未有的高时间分辨率热带气旋的起源、强化和衰减的风场图像，而且可精确指示出反射点海面的地理位置，因为接收机DDMI具体位置已确定，加上反射延迟时间。

观测结果

自从2016年12月15日8颗CYGNSS微型卫星成功发射并组成星座后，经过一段时间的在轨试运行，计划在今年春季进行一切准备工作，然后在夏秋季节用于观测飓风，希望获得如下的观测结果：详细了解飓风内核海洋机从美国佛罗达州空军基地起飞，飞机飞到12.4千米高度时释放火箭，然后“飞马座”火箭点火，把卫星送到高500千米、倾角35度的轨道，最后按顺序弹出卫星，在同一轨道平面，排为串联式星座。

CYGNSS卫星准备进行环境试验

CYGNSS卫星准备进行振动测试

飞机搭载装有8颗CYGNSS卫星的“飞马座”XL火箭升空

工作人员在安装调试CYGNSS卫星

星座位置的保持依靠卫星之间俯仰角的改变所引起的阻力差来维持，卫星没有推力设备。为了保障安全，到接收机。

反射信号可以反映发生台风海面的状态，包括风速、气旋以及降雨带等，而且反射信号可以顺利通过降雨带，因为它是微波性质，若是光学，则将被遮当。这种工作原理不仅是GPS卫星具有，而是全球导航卫星都有，例如格罗纳斯、伽利略以及我国北斗都适用，全球导航卫星将近百颗，为性能，潮湿大气热力学、辐射与对流之间动力学耦合；在所有沉定条件下测量海洋表面风速，包括在飓风眼墙中所经受风速，以了解飓风的起源和快速强化的原因；通过飓风动态变化，可以确定飓风登陆的强度和变化过程，这对预防飓风灾害有极大帮助；所有观测结果对今后采取解决消除或减少热带气旋的措施都有很大作用。★