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海上升“捕风”“捉影”探台风——我国实现卫星导航信号探测海面风场零的突破

文章来源:中国航天报 发布时间:2019-06-13

6月5日,作为我国首次海上发射的主要“乘客”,捕风一号A、B卫星从我国黄海海域直奔天际。

在500余公里的高空,它们将通过一双“慧眼”准确测量海面风场信息,从而实现预报台风的目的。捕风一号A、B卫星的成功发射,将实现我国卫星导航信号探测海面风场零的突破,对我国台风预警、防灾减灾具有重要意义。

捕风一号A、B卫星由51棋牌游戏中心五院所属航天东方红卫星有限公司抓总研制。

“捕风捉影”看海风

“风无形无影,捕风一号就是通过‘捉’海面上的导航反射信号(GNSS-R)这个‘影’来‘捕’海面风场这个‘风’,实现监测海面风场的目的。”捕风一号卫星总设计师白照广形象地介绍道。

目前,通过卫星观测海面风场的方式主要有两种,一是通过卫星云图来测海风,但这种方式测的是云顶风,与海面风场的测量存在一定误差;二是通过卫星载荷如散射计,主动向海面发射微波信号来测海风,但这种方式下卫星重量较大,且只能测50米/秒以内的海风,若应用于准实时监测海面风场的星座建设,代价很大。

随着全球卫星导航系统的发展成熟,利用导航反射信号对反射面的物理特性和参数进行反演已经成为各国新的研究热点。英国、美国等发达国家都曾发射相关卫星,利用导航信号实现对海面高度、海浪、海风、海冰、移动目标等的探测。

导航信号传递到海面后,会发生镜面反射。没有风时,反射信号较均匀;有风时,反射信号会随着海浪出现一段一段的变化,风越大,信号变化越剧烈,进而导致了GNSS-R时延多普勒功率图像(DDM)的剧烈变化。

“通过DDM第一等延迟环内平均功率大小与海面风速大体上的反比关系即可实现对海面风速的反演。”白照广介绍说,导航卫星L波段具有良好的大气穿透性,能够全天时“捕住风、捉住影”,实现对海面风场的探测,并可通过多星组网监测,实现对极端台风天气的“精准”预报。

由于导航卫星的特性,捕风卫星监测到的风场点是离散的。因此,其优势主要体现在多星星座运行时同步获取风场数据的能力。由于采用的是被动监测工作模式,捕风卫星具有低成本特性,更适合构建多星星座。“逐步构建卫星星座也是我们努力的方向。”白照广说。

全“新”全意织慧眼

“虽然是首次开展利用导航反射信号探测海风的研究,我们还是有基础的,不只是开展了原理可行性研究,还开展了试验验证。”据白照广介绍,几年前,五院西安分院的专家们就着手GNSS-R相关载荷技术研发准备工作,并通过飞机校飞成功在海面上验证了载荷功能的有效性。

为了让捕风“慧眼”尽快“看”海风,捕风一号卫星选择了海上发射。海上发射具有特殊性,卫星面临着新环境、新流程、新要求,需要设计针对性的新状态,安排新的测试与检验环节。

此次捕风一号卫星经历了特殊的“旅程”,在与火箭对接之后用“躺倒”的方式进行运输,从北京一路“坐火车”抵达发射场。研制人员还对卫星上船前的测试工作进行了优化精减。

在捕风一号卫星上,航天东方红公司首创“交钥匙”模式,即不仅研制发射卫星,还联合国内优势单位开展数据处理与标校工作。例如,航天东方红公司联合西安分院建立了数控中心及测控与数据接收站,与用户运管、数据接收站及商业测控站协同完成测控、运管、数据接收等工作,从而为用户提供“打包式”服务。

白照广形象地比喻说,就好像是建房子,过去研制方只是建好毛坯房就交给用户,现在要把房子精装好以后,再交付给用户。“将来直接把数据初级产品传输到用户的系统里,用户就可以很方便‘看’海风了,简化了客户反演的工作量。”白照广说。

“我们将逐步构建捕风卫星星座,多颗卫星协同观测,实现更大范围、更高精度甚至准实时监测全球范围内的海面风场,更加精准地预警台风,从而最大限度地避免台风带来的人员伤亡和财产损失。”白照广介绍。

后续,通过开展导航信号微波遥感技术的其他应用拓展,五院将逐步建设捕风卫星星座,进一步提高海面风场测量的实时性,为我国气象领域海洋/陆地遥感、大气探测和电离层监测作出贡献,并服务于“一带一路”沿线国家的气象保障和防灾减灾。(贺喜梅 张晓帆)

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