美国“气旋全球导航卫星系统”与应用

龚燃 （北京空间科技信息研究所）

2019年6月5日，我国在黄海海域利用长征11号运载火箭发射了基于全球卫星导航系统反射信号技术（GNSS－R）的捕风一号A/B试验卫星，实现了我国全天候探测海面风场零的突破，为台风海洋监测预报业务提供重要数据支撑。早在1993年，欧洲航天局（ESA）就提出了GNSS－R概念，2003年，英国灾难监测星座（UK－DMC）卫星利用其搭载的GNSS－R仪器成功获得了海面粗糙度等数据，2014年，英国发射搭载了“海状态载荷”的技术试验验证卫星－1（TDS－1），首次提供延迟多普勒映射（DDM）数据产品，开启了星载反射测量的应用。2016年12月15日，美国国家航空航天局（NASA）利用飞马座－XL（Pegasus－XL）运载火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功发射了采用GPS技术改进天基飓风观测能力的“气旋全球导航卫星系统”（CYGNSS）。本文拟对CYGNSS卫星星座的技术指标及其应用情况进行介绍，供读者进一步理解全球导航卫星系统与遥感技术的融合应用。

1 基本情况

CYGNSS是NASA地球科学部发展的“地球风险”（Earth Venture）系列的首个天基任务。“地球风险”任务属于NASA地球系统科学探路者（ESSP）项目的一部分，主要为一些研究周期短、低成本、科学驱动的项目，用于增强对地球及其相关动力学系统的理解，并持续改进对未来变化的预测能力，作为对NASA大型任务的补充。CYGNSS是由8颗微小卫星组成的卫星星座，以满足热带风暴观测对于高时间和空间分辨率的要求。该星座由德克萨斯州西南研究院（SwRI）建造，萨瑞卫星技术公司（SSTL）位于科罗拉多州的美国子公司负责提供GPS接收机。

DDMI组成结构实物图

CYGNSS总体目标是改善极端天气预报，重点为研究热带气旋内核形成机制及过程，通过测量热带气旋、台风以及飓风眼壁和附近的海洋表面风力等信息，深入认识热带气旋和飓风的形成以及强度，改善对飓风强度、轨迹和风暴潮的预报。在科学研究方面，CYGNSS卫星星座首次从空间频繁探测飓风内核，并利用现有GPS卫星的直接信号与反射信号来计算海洋表面的风速；在气象预报方面，CYGNSS卫星星座数据精确预测飓风轨迹、强度以及风暴潮，保护受飓风及龙卷风威胁的沿海地区民众生命，减少财产损失。

2 性能指标

系统设计与结构

8颗CYGNSS卫星分布在一个轨道面上，轨道高度约500km，轨道倾角约35°。每颗小卫星质量约29kg，尺寸约为51cm×38cm×28cm，翼展为1.68m，设计寿命2年。

CYGNSS卫星系统主要包含供电与电源配置系统（EPS）、遥控遥测分系统（CDS）、姿态控制分系统（ADCS）、延迟多普勒映射仪器（DDMI）。

星载有效载荷

每颗CYGNSS卫星均装有一台DDMI。该仪器采用了萨瑞公司经改装的商用接收机，是2003年英国UKDMC卫星上全球导航卫星系统反射测量（GNSS－R）接收机的升级版本，主要升级了两个方面：采用了新的射频前端，提高了噪声性能和采样率；提供了GNSS－R信号的实时处理能力，减小下传的数据量。该仪器主要包括一台延迟映射接收机（DMR）、两个指向天底点的天线用于接收反射信号、一个指向天顶点的天线用于对卫星进行定位测速。

CYGNSS天线安装示意图

DDMI采用了一种新颖的风速测量方法，直接从GPS卫星接收信号，同时从海洋表面收集反射的GPS信号，通过风速数据反演计算海洋表面粗糙度，提供更准确的暴雨强度情况。与现役的气象卫星相比，它能够穿透飓风眼壁的暴雨，收集风暴内核的数据，连续监测地球热带飓风带纬度地区的海洋表面风信息，每颗卫星每秒能够进行4次风信息测量，整个星座每秒能够进行32次测量。

DDMI以低的数据速率连续产生多普勒测图信号，这样便可以根据海洋波浪的大小来评价海洋表面风速（在风速大的时候，海洋的波浪会较大，其产生的反射信号就会与无风时平静洋）面所产生的反射信号不同)。在特殊的情况下，比如当穿过一个活动的热带气旋时，该仪器可以原始数据模式工作，从而积累60s的原始采样数据时间。这样，研究人员便可以对采用不同处理方案获取的数据进行深入分析，以保证标称的DDM操作模式不丢失重要的地理信息。

CYGNSS用于接收GNSS－R反射信号的天线是由3个阵元组成的线阵天线，在卫星上安装两幅下视天线，天线在星体安装时为了保证跟踪GNSS卫星的个数最多，天线与天底方向存在28°的夹角，下视天线增益为12.6dB，天线视场为140°×30°。

数据接收与处理

GNSS反射信号相对于直达信号存在时间延迟和多普勒频移，DMR接收机可接收经反射物表面反射后的信号,并从这些信号中提取反射面特征，通过处理GNSS反射信号生成延迟多普勒图（DDM），由时间延迟和多普勒频移组成其坐标轴。即利用反射信号时延多普勒二维相关功率，计算本地载波信号与散射区域内不同时间延迟和多普勒频率的接收信号的相关功率值，获得反射面参数。

在进行相关处理之前，需利用GPS卫星和CYGNSS卫星的位置计算镜面反射点坐标对时延和频移进行估计，在估计的时延和频移附近进行相关处理。DDMI仪器对反射信号进行跟踪时，多普勒频移的相关范围为±6.5kHz，分辨率为250Hz，对时间延迟的分辨率为61ns，接收机对GNSS-R反射信号的接收灵敏度为－174dBW。结合现有可用元器件性能，DMR接收机能够同时跟踪4个反射事件，非相干积分时间为1s。

3 应用情况

CYGNSS卫星星座同时接收与反射GPS信号

一颗卫星90min观测GNSS―R事件分布

CYGNSS星座24h观测GNSS―R事件分布

通过将GPS信号的全天候性能与CYGNSS卫星星座的密集采样特性相结合，可以对热带气旋、台风以及飓风整个寿命周期中的眼壁内和眼壁附近的海洋表面风进行频繁测量，每秒可得到32个实际风速值。此外，CYGNSS可对单一样本点进行多次观测，时间间隔为几分钟至几小时。总体而言，CYGNSS观测数据几乎不受降水影响，时间步长短，时间采样率和空间覆盖率得到了大幅提升，每隔几小时就能生成一幅整个热带地区的风速图像。

2017年3月6日，在CYGNSS卫星仍处于试运行阶段，就通过观测到气旋表面风，提前几个小时成功预报了马达加斯加的热带气旋“爱娜沃”（Enawo）。联合台风警报中心监测到当CYGNSS卫星经过时，“爱娜沃”的最大持续风速预计为125m/h，CYGNSS卫星接近和经过风暴中心时按照预期观测到了风速的改变，在整个过程中展现出了较高的敏感度和可靠性。

2018年，8颗CYGNSS卫 星 星 座主要用于改进和提高科学数据产品的质量，同时将测量结果应用于一些科学研究。CYGNSS于2018年9月对台风潭美（Trami）进行了测量，它能够追踪风暴在其整个生命周期中的演变。

在观测海洋活动的同时，CYGNSS数据也用于研究陆地活动，如表面土壤水分和内陆水体等。美国科学家们已利用CYGNSS估算了美国大陆许多地区的土壤湿度，并证明了CYGNSS能够监测和绘制茂密森林冠层下洪水泛滥的程度等。2019年，随着任务进入第三年，CYGNSS数据的未来应用范围将更加广泛。