许小峰

　　近日，我国在黄海海域将首颗基于全球卫星导航系统反射信号技术的捕风一号A/B试验卫星成功送入太空，这支国产小卫星“编队”将为台风海洋监测预报业务提供重要数据支撑。
　　近年来，各国均在大力发展低轨微小卫星星座，小卫星技术的快速发展和应用为气象业务的天基观测拓展了新的领域。小卫星星座与大卫星系统结合，可以构成能力更强大的多要素、高时空分辨率、满足多样需求的气象卫星观测体系。
　　从2017年开始，全球小卫星（一般指重量在1000 千克以下的卫星）的发射数量呈明显上升趋势。2018 年全球共发射461个航天器，其中500千克以下的小卫星为321 颗，占69.6%；2019年全球航天器发射数量为492个，500千克以下的小卫星占80.29%。可以看出，小卫星已经成为天基地球观测系统的重要力量。
　　发展小卫星具有研发周期短、成本低、发射方式灵活等优点，通过多颗星组成星座阵列，可以增加时空探测密度，提高关键信息的获取效率。
　　气象小卫星发展状况
　　中国台湾和美方机构合作，于2006年4月15日在美国执行了COSMIC(气象、电离层和气候星座观测系统)计划, 共发射了6颗小卫星组成的GPS掩星探测系统。该星座系统中每颗卫星直径为1米，重62千克，通过接收GPS导航卫星的信息获取掩星数据，推算大气垂直温湿廓线信息。这一项目取得了成功，所获取的全球廓线资料已成为应用效果排名靠前的气象卫星资料，被应用到许多国家的数值天气预报模式及相关的科研和业务中。鉴于COSMIC项目的成功，美国又启动了COSMIC-2计划，于2019年6月25日发射COSMIC-2第一批六颗卫星，并计划在今年投入业务使用，每天可以在全球范围内提供4000个掩星廓线数据。
　　同样是利用GPS导航信息探测大气信息的另一个小卫星星座是美国国家航空航天局（NASA）主导的测风小卫星星座计划——CYGNSS(飓风全球导航卫星系统)。该卫星星座于2016年12月15日成功发射，2017年3月开始提供测风数据。CYGNSS小卫星星座由8颗6U立方体星组成，每颗星可以同时接收至少4颗GPS卫星的直接信号和反射信号，以确保定位的准确性。直接信号用来确定CYGNSS卫星自身的位置，反射信号来自海洋表面，通过测量反映风浪运动的粗糙度变化，分析确定风速风向等级。
　　由于GPS的微波信号具有穿透云雨的全天候特征，CYGNSS可以及时捕捉到在广阔的海洋上产生的气旋系统从初始生成到消亡的完整海表风场变化，对开展海洋天气气候研究和完善相关业务极具价值，特别是对于易造成重大影响的台风而言，无论是强度还是路径变化，风场都是最重要的信息之一。在实际应用中，CYGNSS信息还被延伸应用到分析洪水、土壤湿度、地表热通量等，都取得了很好的效果。
　　在目前气象卫星装载的各类探测仪器中，微波温湿度辐射计是最成功的载荷之一。根据欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的评估，卫星微波探测获取的全球垂直温湿度廓线已成为减少数值预报模式误差最有价值的信息，远超过包括传统探空仪在内的其他任何探测资料。因此，在极轨气象卫星上安装微波仪器已成为各国卫星计划的优先选择。而要弥补大卫星成本高、数量少、时空分辨率相对较低的缺陷，发射多颗微波小卫星组成星座应该是优先选择。美国NASA地球系统科学探路者（ESSP）计划赞助的6U级小卫星TEMPEST-D (风暴和热带系统时间试验演示)于2018年5月21日通过国际空间站发射，卫星的有效载荷是一个五频段毫米波辐射计，能够观测到大气液态水和冰含量的分布变化。除TEMPEST计划外，NASA的“地球风险仪器（EVI-3）”计划还支持了由六个3U立方体星组成的微波星座项目TROPICS。该星座原准备在2019年发射，现已延迟到2021年，可以提供几乎全天候的大气三维温度、湿度以及云冰和降水结构的信息。微波探测器在大卫星上取得的成功，使其成为发展小卫星星座所优先选择的载荷之一。
　　除了GNSS掩星小卫星、测风小卫星星座和微波小卫星外，其他还有高光谱小卫星，比如NASA喷气推进实验室已经开始研制6U级小卫星CIRAS (立方体卫星红外大气探测器)；雷达小卫星，比如2018年5月与TEMPEST-D一起通过国际空间站发射的6U级立方体试验小卫星RainCube（雨立方体卫星），其可对云和降水系统进行观测；激光小卫星，比如美国NASA冰冻圈科学计划支持发展的小卫星ICESat-2（冰、云和陆地高程2号卫星），该卫星于2018年9月15日成功发射，可测量海冰厚度，并研究冰盖和冰川的质量变化等。
　　气象小卫星发展前景可期
　　近些年来，我国也在不断加强气象小卫星的研发和应用。2018年12月29日，我国成功发射云海二号卫星。该卫星是由6颗小卫星组成的星座，承担大气掩星探测任务，可提供探测资料。2019年6月5日，我国在黄海海域成功完成“一箭七星”海上发射技术试验，其中有两颗就是用于气象探测的捕风小卫星，与美国CYGNSS星座的功能相似。2020年1月15日，由天津云遥宇航科技有限公司研制的国内首个商业GNSS掩星探测小卫星在太原卫星发射中心发射升空并成功入轨，这一计划的目标是构建由80颗小卫星组成的全球组网星座。
　　从近年来航天技术的发展趋势和航天器发射数量比例变化情况来看，小卫星的发展显然已占据重要位置，可以独立构成星座，完成特定任务，也可以与大卫星形成互补优势。推动小卫星的发展，需要从标准、法规、政策、机制等方面入手，让企业、学校、研究院所等广泛参与进来，构建与政府主导的大卫星发展有所区别的模式，调动全社会的积极性加速推进小卫星的发展，满足更多不同层次的需求。
　　此外，虽然小卫星的制造和发射比大卫星简单，成本低、周期短，但构成星座的小卫星资料处理则要复杂得多，需要在地面资料应用环节组织更多力量，完成质量控制、效果评估、科研应用等重要环节，提升小卫星发展效益。随着我国空间站项目的启动和第一次试验的完美收官，借助空间站研发小卫星，提升业务能力和研究水平，已成为重要方向，将在未来几年内形成我国科技相关行业新的优势领域。

（来源：《中国气象报》2020年7月9日三版 责任编辑：王美丽）