80雙“千里眼”太空監測地球氣象
2021年01月12日05:41

原標題:80雙“千里眼”太空監測地球氣象

80雙“千里眼”太空監測地球氣象。李峰輝博士創業團隊供圖

2020年12月22日,我國新一代運載火箭長征八號“一箭五星”首飛成功,這枚新型火箭上搭載了一個“天大的夢想”——天津大學李峰輝博士創業團隊自主研製的“雲遙GNSS(GNSS是全球導航衛星系統的簡稱——編輯注)掩星探測載荷”搭載此次發射的 “元光號”衛星順利入軌,這標誌著一個由80顆在軌衛星全球組網的“雲遙星座計劃”進入了加速佈局期。

建成後的“雲遙星座”將成為全球領先的商業氣象星座,生產出中國人自己的氣象數據,開啟全球精準氣象的新時代。

打造氣象界的“北鬥系統”

“雲遙星座計劃”的研究者將在未來3年中,把一種可收集海量地球信息的神秘盒子分別放置在80顆人造地球衛星上,隨著大大小小的衛星進入太空,組成一個人類自己創造出的星座——雲遙星座。

屆時,彷彿80雙“千里眼”從太空望向地球,雲遙星座將形成一個覆蓋全球各個角落的氣象探測網,這意味著,人們將比現在更加清楚地瞭解地球每時每刻的“身體狀況”以及“心情變化”,比如天氣預報將因此精確到20分鐘級,地震預警可提前至小時級。

更好地摸清每個人賴以生存的地球的脾氣秉性,有著極其重要的現實意義。我國幅員遼闊,也是世界上自然災害最為嚴重的國家之一,乾旱、洪澇、颱風、高溫、冷害、地震等多種自然災害頻繁發生,常常給社會經濟帶來嚴重損失。一直以來,對大氣和海洋的綜合快速探測,都是我國防災減災工作極為關注的方向。

而近年來,隨著我國綜合實力的快速提高,衛星導航定位系統、氣象海洋監測服務系統、林業漁業生產製造系統以及武器裝備運用保障系統的使用及效能發揮,更加離不開對地球大氣、電離層,以及海洋環境信息的有效瞭解和利用。

“我們希望通過全球組網,填補我國深空探測的空白。”李峰輝領銜的天津雲遙宇航科技有限公司擁有一支年輕的科研團隊,核心成員由原航天科技集團資深設計師、氣象行業專家組成,他們希望能採用小投入、大效益的方式,建立一個集全球空間氣象數據生產及空間氣象數據應用推廣於一體的綜合服務平台,在這個被國外技術壟斷的行業里撕開一條口子。

李峰輝舉例說,因為沒有自主研發的全球遠洋氣象導航系統,中國遠洋船舶都不得不使用國外公司的氣象導航服務。不僅每年要支付幾十億元的服務費,還不得不將船舶技術資料、船舶動態及載貨信息隨時報告給對方,這不只是商業機密的暴露,也對國家安全構成潛在威脅。“雲遙星座計劃”就是要打破這種被“卡脖子”的局面,“生產中國人自己的氣象數據,就好比是氣象界的北鬥系統。”李峰輝作了一個形象的比喻。

掩星載荷 “小身材”有大能量

那些搭載在衛星上繞著地球轉的“神秘盒子”,就是李峰輝團隊曆時數年研製的雲遙GNSS掩星探測載荷。這種新型星載遙感綜合探測設備,它可以連續探測到0~60km大氣層大氣的折射率、溫濕壓以及100~800km電離層的電子含量和電子密度,能為地球表面大氣層及電離層研究提供重要數據,對於天氣預報、全球氣候變化、地震預報等具有重要價值。

“掩星”這個概念來源於天文學,指的是一個天體被另一個天體遮掩的天文現象。聰明的科學家發現,如果利用自然界的光學掩星事件,可以探測到遠方星體的大氣結構。這樣的探測方式同樣適用於地球,人們利用人造地球衛星的無線電掩星事件,可以對地球的電離層和中性大氣進行測量。

GNSS掩星大氣探測是利用地球軌道上“GNSS導航星座—地球—低軌LEO衛星星座”之間的掩星事件進行地球大氣測量的氣象遙感技術。

當運行中的低軌衛星逐漸遠離或接近一顆導航衛星時,後者發出的導航信號,恰好穿過大氣層且被前者的掩星天線接收,就發生了一次GNSS掩星事件。

在一次GNSS掩星事件過程中,GNSS導航信號彷彿一道無形的尺子,切割出地球的電離層與中性大氣層剖面,穿過該剖面的GNSS導航信號由於受到電離層電子密度、大氣層水汽密度等影響會發生傳播特性的變化,因而通過處理GNSS掩星觀測數據進行處理,可以反演得到0-60km高度的中性大氣溫濕壓廓線,以及100-800km高度的電離層電子密度廓線。

掩星星座同時接收來自北鬥、GPS、 GLONASS等導航星座的掩星信號,每天可觀測到約7000次掩星事件。通過掩星測量可以實現24個小時全球範圍內大氣彎曲角、折射率、密度、溫度、濕度、壓力,以及電離層電子密度測量。可實現數據每10-20分鐘更新一次。而目前我國7顆在軌的風雲氣象衛星,一般每4-5小時更新一次數據。

被雲遙團隊裝進GNSS探測載荷中的,還有全球導航衛星系統反射衛星遙感技術(簡稱GNSS-R),這是一種全新概念的遙感技術,它不需要單獨的信號源發射機,而是利用反射的導航衛星偽隨機測距碼信號或者載波信號,通過測量反射信號的時間延遲、相關功率波形等信息,進行海面高度、海面風場或土壤濕度、植被覆蓋以及海冰探測,干雪厚度等反演。

目前,這個只有兩公斤重的載荷里已經彙聚了近百項專利。而它本身不僅體積小、重量輕、而且成本低、功耗低,便於在各類人造衛星中找到自己的“小倉位”,更重要的是,其具有高時空解像度,可以同時探測全球多個區域的掩星數據,能實現從大氣層到電離層的連續探測。

小成本3年內實現全球組網

2020年1月15日,完成國內首次商業GNSS掩星探測載荷發射工作後,雲遙團隊成為國內首家商業GNSS探測載荷研製單位。搭載長征八號火箭的這次發射已經是他們團隊送上太空今年的第三個掩星載荷,隨著中國向航天強國邁進的步伐,2021年“雲遙星座計劃”將進入布網快車道,計劃2023年全球組網初步完成。

目前該團隊已經形成了從“載荷設備研製→衛星搭載→數據反演處理→數據銷售”完整的產業體系,已與科工集團二院、科工集團四院、科技集團八院、長光衛星等衛星研製單位開展合作。李峰輝期待著,通過雲遙牽手上下遊產業共同發展,形成的實時全球電離層大氣層探測系統服務於全球的地震短臨預報及氣象預報。

李峰輝表示,隨著整個國家航天事業的發展以及商業航天市場的拓展,這些採集來的數據也有越來越廣闊的應用場景,“比如未來要實現真正的無人駕駛,就需要更精密的參數作為指引。”李峰輝表示,目前正在建設數據服務平台,面向行業用戶提供精準服務。

對李峰輝和他的團隊而言,這個把滿天星鬥攬入懷中的征途,也讓這群年輕人找到了自己人生的“北鬥”。眼下,他們正在佈局更多的探測載荷,並不斷對海量數據進行深度挖掘,致力於為“一帶一路”國家提供實時性優於20min的地震短臨預報信息及氣象預報信息,讓航天技術成為中國走向世界的新名片。

中青報·中青網記者 胡春豔 通訊員 趙暉 來源:中國青年報

2021年01月12日 12 版

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽