Глобальная навигационная спутниковая система Cyclone - Cyclone Global Navigation Satellite System

Глобальная навигационная спутниковая система Cyclone
Модель космического корабля CYGNSS.png
ИменаCYGNSS
Тип миссииПогодные исследования
ОператорНАСА
COSPAR ID2016-078A, 2016-078B, 2016-078C, 2016-078D, 2016-078E, 2016-078F, 2016-078G, 2016-078H
SATCAT нет.41884, 41885, 41886, 41887, 41888, 41889, 41890, 41891
Интернет сайтCygnss-Michigan.org
Продолжительность миссииПланируется: 2 года
Прошло: 3 года, 11 месяцев, 19 дней
Свойства космического корабля
Производитель
Стартовая масса28,9 кг (64 фунта) каждый[1][2]
Габаритные размеры163,5 × 52,1 × 22,9 см (64,4 × 20,5 × 9,0 дюйма)[1]
(Д x Ш x Г)
Мощность34,7 Вт
Начало миссии
Дата запуска15 декабря, 2016, 13:37:21 (2016-12-15UTC13: 37: 21) универсальное глобальное время[4]
РакетаПегас XL F43[2]
Запустить сайтмыс Канаверал (Звездочет )
ПодрядчикОрбитальный АТК
Поступил в сервис23 марта 2017 г.[3]
Параметры орбиты
Справочная системаГеоцентрический
РежимНизкая Земля
Большая полуось6,903 км (4,289 миль)
Эксцентриситет0.00162
Высота перигея514 км (319 миль)
Высота апогея536 км (333 миль)
Наклон35 градусов
Период95,1 мин.
Эпоха15 апреля 2017 г., 22:21:25 UTC[5]
Инструменты
Прибор для картирования допплеровской задержки
 

В Глобальная навигационная спутниковая система Cyclone (CYGNSS) - космическая система, разработанная университет Мичигана и Юго-Западный научно-исследовательский институт с целью улучшения прогнозирование ураганов за счет лучшего понимания взаимодействия между морем и воздухом вблизи центра шторма.

В июне 2012 г. НАСА спонсировал проект на сумму 152 миллиона долларов с университет Мичигана ведущая его разработка.[6][7] Среди других участников разработки CYGNSS - Юго-Западный научно-исследовательский институт, Sierra Nevada Corporation, и Surrey Satellite Technology.[8]

План состоял в том, чтобы построить созвездие из восьми человек. микроспутники запускаться одновременно на одной ракете-носителе[9] в низкая околоземная орбита,[7][10] на высоте 500 км.[11] Программу планировалось запустить 12 декабря 2016 года, а затем наблюдать два сезона ураганов.[12][13] Проблемы с насосом на стартовом самолете помешали этому первому запуску, но вторая попытка запуска была успешно проведена 15 декабря 2016 года.[14]

Обзор

Прогнозирование следов тропические циклоны с 1990 г. улучшился примерно на 50%; однако за тот же период не произошло соответствующего улучшения в прогнозировании интенсивность этих штормов. Лучшее понимание внутреннего ядра тропических штормов может привести к более точным прогнозам; однако датчики тока не могут собирать данные достаточного качества о внутреннем ядре из-за затемнения из-за полос дождя, окружающих его, и нечастого отбора проб. Для улучшения моделей, используемых в прогнозах интенсивности, требуются более точные данные.[15][16]

CYGNSS будет измерять поле ветра у поверхности океана с помощью бистатического рефлектометрия техника, основанная на GPS сигналы.[15][16] Каждый спутник принимает как прямые сигналы GPS, так и сигналы, отраженные от поверхности Земли; прямые сигналы определяют положение микроспутника и обеспечивают временную привязку, в то время как отраженные или "рассеянные" сигналы предоставляют информацию о состоянии морской поверхности. Шероховатость морской поверхности соответствует скорости ветра.[11] Использование сети из восьми небольших спутников позволяет проводить частые наблюдения: прогнозируется среднее время повторного визита в 7 часов.[15][16] Восемь микроспутников движутся по орбите под углом 35 °, и каждый из них способен измерять 4 одновременных отражения, что дает 32 измерения ветра в секунду по всему земному шару.[11]

CYGNSS - первая из космических миссий НАСА класса Earth Venture, часть программы NASA Earth Science System Pathfinder;[8] предыдущие выборы электромобилей были разделены между пятью полетами по дистанционному зондированию. Двухлетняя миссия стартовала 15 декабря 2016 г., после перенесения сроков с ноября 2016 г.[17] и 12 декабря 2016 г.[12][18]

Научная цель

Научная цель CYGNSS - понять взаимосвязь между свойствами поверхности океана, термодинамикой влажной атмосферы, радиацией и конвективной динамикой во внутреннем ядре тропического циклона.[11] Для достижения этой цели система будет измерять скорость ветра у поверхности океана при всех условиях осадков, в том числе при атмосферных. глаза. Миссия также будет измерять скорость ветра у поверхности океана во внутреннем ядре шторма с достаточной частотой, чтобы определить генезис и быстрое усиление. В качестве второстепенной цели проект будет поддерживать сообщество специалистов по оперативным прогнозам ураганов путем производства и предоставления продуктов данных о скорости ветра у поверхности океана.[11]

Инструменты

На каждом спутнике CYGNSS есть прибор для построения карт с задержкой Доплера (DDMI), состоящий из:

  • приемник отображения задержки (DMR)
  • две надира антенны
  • одна зенитная антенна

Инструмент получает GPS сигналы, рассеянные поверхностью океана для целей бистатического рефлектометрия.[11]

Запуск и ранние операции на орбите

Запуск CYGNSS на Пегас-XL

Миссия CYGNSS была запущена 15 декабря 2016 г. в 13:37:21 UTC с единого Пегас XL ракета воздушного базирования. Ракета была развернута с индивидуального Локхид L-1011 самолет, Орбитальный АТКс Звездочет, с позиции в 201 километре (125 миль) от побережья Мыс Канаверал, Флорида.[4][19] Попытка пуска 12 декабря была сорвана из-за проблем с гидравлической системой, отделяющей ракету Pegasus от самолета-носителя.[20] После запуска восемь микроспутников были выведены на орбиту, начиная с 13:50 UTC и заканчивая 13:52 UTC модулем развертывания, прикрепленным к третьей ступени Pegasus. Успешный радиоконтакт с первым микроспутником был установлен в 16:42 UTC.[21] С восьмым микроспутником удалось установить связь в 20:30 UTC.[22] К концу дня 15 декабря у всех восьми микроспутников были развернуты солнечные батареи, они были направлены на солнце, а аккумуляторы заряжались в безопасном состоянии, и были готовы начать инженерный ввод в эксплуатацию.[23]

Использование дифференциального перетаскивания для регулировки расстояния между спутниками

Измерения CYGNSS урагана Хосе 17 сентября 2017 года. Спокойный глаз виден внутри кольца сильных ветров в стене глаз.

Первые операции миссии были сосредоточены на инженерном вводе спутников в эксплуатацию.[24] и корректировки расстояния между ними. Их относительный интервал важен для достижения желаемой пространственной и временной выборки.[25] Расстояние между спутниками регулируется путем регулировки ориентации космического аппарата и, как следствие, разницы в сопротивлении атмосферы между спутниками. Этот метод называется дифференциальным сопротивлением. Увеличение лобового сопротивления снижает высоту спутника и увеличивает его орбитальную скорость.[26] Расстояние между космическими аппаратами изменяется в зависимости от их относительных скоростей. Это альтернативный способ управления расстоянием между группировкой спутников, в отличие от использования традиционных активных двигателей, и значительно более дешевый. Это позволяет строить больше спутников при тех же чистых затратах, что приводит к более частому отбору образцов краткосрочных экстремальных погодных явлений, таких как тропические циклоны.[16] Маневры с дифференциальным сопротивлением проводились в течение первых полутора лет полетов на орбите и привели к созданию хорошо рассредоточенной группировки, которая может проводить измерения с желаемыми характеристиками выборки.[27][28]

Наблюдения за ветром над океаном

Измерения скорости ветра выполняются CYGNSS аналогично тому, как это делалось в предыдущих космических радарах для определения ветра в океане, путем обнаружения изменений шероховатости поверхности, вызванных напряжением ветра у поверхности.[29][30] Качество измерений определяется сравнением с почти совпадающими наблюдениями других датчиков ветра. Сравнения при скорости ветра от низкой до умеренной (ниже 20 м / с, 45 миль в час, 72 км / ч) делаются с продуктом численного реанализа Глобальной системы ассимиляции данных NOAA и указывают на погрешность ветра CYGNSS, равную 1,4 м / с ; 5 км / ч), с большей неопределенностью при высоких скоростях ветра.[31] На скорости выше 45 миль в час и, в частности, для измерений, проводимых в тропических циклонах, сравнения делаются с почти совпадающими наблюдениями с помощью приборов для измерения ветра на самолетах-охотниках за ураганами NOAA P-3, которые летели в ураганы в координации со спутниками CYGNSS.[32] Сравнения указывают на неопределенность ветров CYGNSS 11%.[33] Как и при более низких скоростях ветра, неопределенность увеличивается с увеличением скорости ветра. Измерения скорости ветра в океане CYGNSS в настоящее время включаются в модели численного прогноза ураганов.[34][35][36][37] и модели штормовых нагонов[38] оценить улучшение их работы. Изображения недавних и архивных измерений ветра в океане, как глобальных, так и сосредоточенных на отдельных штормах, доступны по адресу [1]. Файлы с числовыми данными измерений скорости ветра в океане доступны по адресу [2].

Наблюдения над сушей

Измерения CYGNSS рассеяния на поверхности земли за декабрь 2017 года. Изменения влажности почвы и протяженности внутренних водных путей влияют на измерения.

CYGNSS работает непрерывно как над океаном, так и над сушей, и измерения на суше также содержат полезную информацию. Измерения чувствительны к поверхностной влажности почвы, а также к наличию и протяженности внутренних водоемов.[27] Влажность почвы была оценена с использованием данных CYGNSS на многих участках континентальной части США и, как выяснилось, находится в хорошем соответствии с независимыми измерениями, выполненными наземными датчиками и другим спутником.[39][40] Файлы с числовыми данными измерений влажности почвы доступны по адресу [3]. Также была продемонстрирована способность наземных данных CYGNSS обнаруживать и отображать масштабы наводнения под пологом густых лесов.[41] и эта возможность была использована для создания покадровых изображений наводнения в Хьюстоне и Гаване и вокруг них после обрушений ураганов «Мария» и «Ирма» соответственно.[42]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б "Пресс-кит ЦИГНСС" (PDF). НАСА. 16 декабря, 2016. Архивировано с оригинал (PDF) 8 мая 2018 г.. Получено 17 апреля, 2017.
  2. ^ а б Грэм, Уильям (15 декабря 2016 г.). «Pegasus запускает созвездие CYGNSS после релиза Stargazer». НАСА космический полет. Получено 17 апреля, 2017.
  3. ^ «Спутниковая группировка НАСА CYGNSS вступает в фазу научных операций». НАСА. 31 марта 2017 г.. Получено 16 апреля, 2017.
  4. ^ а б Кларк, Стивен (15 декабря 2016 г.). "Стая" микроспутников "запущена для измерения ветра внутри ураганов". Космический полет сейчас. Получено 16 апреля, 2017.
  5. ^ «ЦИГНСС - Орбита». Небеса-выше. 15 апреля 2017 г.
  6. ^ "U-M возглавит спутниковый проект НАСА стоимостью 152 млн долларов". Ассошиэйтед Пресс. 19 июня 2012 г.. Получено 22 июня, 2012.
  7. ^ а б Кларк, Стивен (21 июня 2012 г.). «НАСА финансирует спутниковую миссию для измерения ураганных ветров». Космический полет. Получено 22 июня, 2012.
  8. ^ а б «НАСА выбирает недорогую, высокотехнологичную космическую систему для исследования Земли». НАСА. 18 июня 2012 г.. Получено 24 июня, 2012.
  9. ^ "U-M возглавит проект НАСА по прогнозированию ураганов на 150 миллионов долларов". университет Мичигана. 19 июня 2012 г.. Получено 14 ноября, 2016.
  10. ^ Олдридж, Джеймс (21 июня 2012 г.). «НАСА использует SwRI для исследований по нанесению на карту ураганов». Бизнес-журнал Сан-Антонио. Получено 22 июня, 2012.
  11. ^ а б c d е ж «Информационный бюллетень CYGNSS, октябрь 2014 г.». В архиве 4 августа 2016 г. Wayback Machine Университет Мичигана. Дата обращения: 27 сентября 2015.
  12. ^ а б "Миссия CYGNSS". университет Мичигана. Получено 11 февраля, 2016.
  13. ^ Козловский, Ким (22 июня 2012 г.). «Университет Мичигана и НАСА объединяются для проекта спутника урагана». Новости Детройта. Получено 22 июня, 2012.[постоянная мертвая ссылка ]
  14. ^ "'Команды приветствуют развертывание обсерваторий CYGNSS B и D '| Миссия CYGNSS Hurricane ". blogs.nasa.gov. Получено 15 декабря, 2016.
  15. ^ а б c "CYGNSS." В архиве 15 марта 2013 г. Wayback Machine Университет Мичигана. Дата обращения: 15 августа 2015 г.
  16. ^ а б c d Руф, Кристофер С .; Атлас, Роберт; Chang, Paul S .; Клариция, Мария Паола; Гаррисон, Джеймс Л .; Глисон, Скотт; Кацберг, Стивен Дж .; Еленак, Зорана; Джонсон, Джоэл Т. (26 июня 2015 г.). «Новая спутниковая миссия Ocean Winds для исследования ураганов и тропической конвекции». Бюллетень Американского метеорологического общества. 97 (3): 385–395. Bibcode:2016БАМС ... 97..385р. Дои:10.1175 / БАМС-Д-14-00218.1. ISSN  0003-0007. S2CID  10991111.
  17. ^ «Миссии - CYGNSS». НАСА. 30 апреля 2013 г. Архивировано с оригинал 7 апреля 2014 г.. Получено 8 сентября, 2013.
  18. ^ Леоне, Дэн (19 июня 2012 г.). «НАСА выделит средства для созвездия Smallsat для наблюдения за ветром». Космические новости. Получено 22 июня, 2012.
  19. ^ «Научные спутники НАСА, отправленные на орбиту с помощью запускаемой с воздуха ракеты« Пегас »». Космический полет 101. 15 декабря 2016 г.. Получено 16 апреля, 2017.
  20. ^ "'Доблестное устранение неисправностей в воздухе »- Ураганная миссия CYGNSS». blogs.nasa.gov. Получено 12 декабря, 2016.
  21. ^ Аллен, Боб (15 декабря 2016 г.). "Первый микроспутник CYGNSS здоров!". НАСА. Получено 16 апреля, 2017.
  22. ^ Аткинсон, Джозеф (15 декабря 2016 г.). «Восемь из восьми! Все спутники подключены!». НАСА. Получено 16 апреля, 2017.
  23. ^ Руф, Крис (15 декабря 2016 г.). "Сообщение от главного исследователя CYGNSS Криса Руфа". НАСА. Получено 16 апреля, 2017.
  24. ^ Киллоу, Ронни; Шеррер, Джон; Роуз, Рэндалл; Броды, Антонина; Редферн, Джиллиан; Смит, Кейт; Руф, Кристофер; Йи, Терренс (9 августа 2017 г.). "Запуск и начало работы CYGNSS: воспитание восьмерок". Конференция AIAA / USU по малым спутникам.
  25. ^ Бюсси-Вират, C.D .; Ruf, C. S .; Ридли, А. Дж. (2018). «Взаимосвязь между временным и пространственным разрешением для группировки спутников GNSS-R». Журнал IEEE по избранным темам прикладных наблюдений Земли и дистанционного зондирования. 12: 16–25. Дои:10.1109 / JSTARS.2018.2833426. ISSN  1939-1404.
  26. ^ Finley, T .; Роуз, Д. (2014). Астродинамика 2013: Материалы конференции специалистов по астродинамике AAS / AIAA, проходившей 11-15 августа 2013 года, Хилтон-Хед, Южная Каролина, США.. 150. Американский институт аэронавтики и астронавтики. С. 1397–1411. ISBN  978-087703605-0.
  27. ^ а б Руф, Кристофер; Ридли, Аарон; Нэйв, Кайл; Моррис, Мэри Дж .; Ланг, Тимоти; Жуй, Клара; Баласубраманиам, Раджешвари (8 июня 2018 г.). «Новая парадигма в мониторинге окружающей среды Земли с группировкой малых спутников CYGNSS». Научные отчеты. 8 (1): 8782. Bibcode:2018НатСР ... 8.8782R. Дои:10.1038 / s41598-018-27127-4. ISSN  2045-2322. ЧВК  5993737. PMID  29884899.
  28. ^ Бюсси-Вират, C.D .; Ридли, А. Дж .; Машер, А .; Неф, К .; Интелизано, М. (2018). «Оценка операций маневра дифференциального сопротивления на группировке CYGNSS». Журнал IEEE по избранным темам прикладных наблюдений Земли и дистанционного зондирования. 12: 7–15. Дои:10.1109 / JSTARS.2018.2878158. ISSN  1939-1404.
  29. ^ Джонс, В. Линвуд; Schroeder, Lyle C .; Boggs, Dale H .; Bracalente, Emedio M .; Браун, Роберт А .; Доум, Джордж Дж .; Пирсон, Уиллард Дж .; Венц, Фрэнк Дж. (1982). «Спутниковый рефлектометр SEASAT-A: геофизическая оценка дистанционно измеренных векторов ветра над океаном». Журнал геофизических исследований: океаны. 87 (C5): 3297–3317. Bibcode:1982JGR .... 87.3297J. Дои:10.1029 / JC087iC05p03297. ISSN  2156-2202.
  30. ^ Заворотный, В.У .; Воронович, А.Г. (2000). «Рассеяние сигналов GPS от океана с помощью приложения дистанционного зондирования ветра» (PDF). IEEE Transactions по наукам о Земле и дистанционному зондированию. 38 (2): 951–964. Bibcode:2000ITGRS..38..951Z. Дои:10.1109/36.841977. ISSN  0196-2892.
  31. ^ Ruf, C. S .; Gleason, S .; МакКаг, Д. С. (2018). "Оценка неопределенности определения скорости ветра CYGNSS" (PDF). Журнал IEEE по избранным темам прикладных наблюдений Земли и дистанционного зондирования. 12: 87–97. Дои:10.1109 / JSTARS.2018.2825948. ISSN  1939-1404.
  32. ^ "Записки с поля - полет в ураган Харви". earthobservatory.nasa.gov. 20 января 2019 г.,. Получено 20 января, 2019.
  33. ^ «Заметки с мест - двухлетие ДИГНСС на орбите». earthobservatory.nasa.gov. 20 января 2019 г.,. Получено 20 января, 2019.
  34. ^ Zhang, S .; Пу, З. (2017). «Влияние скорости ветра у поверхности океана CYGNSS на численное моделирование урагана в экспериментах по моделированию системы наблюдений». Журнал атмосферных и океанических технологий. 34 (2): 375–383. Bibcode:2017JAtOT..34..375Z. Дои:10.1175 / jtech-d-16-0144.1.
  35. ^ Аннан, Башир (2018). «Исследование HWRF-анализа и прогнозирования воздействия реалистично смоделированных наблюдений CYGNSS, ассимилированных как скалярные скорости ветра и как векторы ветра VAM». Ежемесячный обзор погоды. 146 (7): 2221–2236. Bibcode:2018MWRv..146.2221A. Дои:10.1175 / mwr-d-17-0240.1.
  36. ^ Лейднер, С. (2018). «Вариационный анализ смоделированных ветров над поверхностью океана с помощью циклонной глобальной навигационной спутниковой системы (CYGNSS) и оценка с использованием регионального OSSE». Журнал атмосферных и океанических технологий. 35 (8): 1571–1584. Bibcode:2018JAtOT..35.1571L. Дои:10.1175 / jtech-d-17-0136.1.
  37. ^ Цуй, З., З. Пу, К. Руф, В. Таллапрагада, 2019a: Влияние данных CYGNSS на анализ и прогнозы тропических циклонов с использованием оперативной HWRF. 23-я конференция IOAS-ALOS, AMS Annual Mtg, 6-10 января 2019 г., Феникс, Аризона.
  38. ^ Варнок, апрель; Руф, Крис; Моррис, Мэри (2017). Прогнозирование штормовых нагонов с лебяжьими ветрами. 2017 Международный симпозиум IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию (IGARSS). С. 2975–2978. Дои:10.1109 / IGARSS.2017.8127624. ISBN  978-1-5090-4951-6.
  39. ^ Ким, Хёнлок; Лакшми, Венкат (2018). «Использование циклонных наблюдений глобальной навигационной спутниковой системы (CyGNSS) для оценки влажности почвы». Письма о геофизических исследованиях. 45 (16): 8272–8282. Bibcode:2018GeoRL..45,8272K. Дои:10.1029 / 2018GL078923. ISSN  1944-8007. S2CID  53379291.
  40. ^ Chew, C.C .; Смолл, Э. Э. (5 мая 2018 г.). «Зондирование влажности почвы с использованием отражений спутниковой GNSS: сравнение отражательной способности CYGNSS с влажностью почвы SMAP». Письма о геофизических исследованиях. 45 (9): 4049–4057. Bibcode:2018GeoRL..45.4049C. Дои:10.1029 / 2018gl077905. ISSN  0094-8276. S2CID  134962064.
  41. ^ Дженсен, Кэтрин; Макдональд, Кайл; Подест, Эрика; Родригес-Альварес, Нерейда; Хорна, Вивиана; Штайнер, Николай (7 сентября 2018 г.). «Оценка GNSS-рефлектометрии в диапазоне L и получения изображений радара для обнаружения динамики затопления под пологом в комплексе тропических водно-болотных угодий». Дистанционное зондирование. 10 (9): 1431. Bibcode:2018RemS ... 10.1431J. Дои:10.3390 / RS10091431. ISSN  2072-4292.
  42. ^ Жуй, Клара; Риджер, Джон Т .; Маленький, Эрика (19 июня 2018 г.). «Данные CYGNSS отображают наводнения во время сезона ураганов в Атлантике в 2017 г.». Научные отчеты. 8 (1): 9336. Bibcode:2018НатСР ... 8.9336C. Дои:10.1038 / с41598-018-27673-х. ISSN  2045-2322. ЧВК  6008409. PMID  29921941.