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  • 80双“千里眼”太空监测地球气象

    作者|胡春艳
    • 故事人物
      • 李峰辉
    • 故事地点
      • 中国
    • 故事年代
      • 现代
    • 故事来源
      • 中国青年报
    • 发表时间
      • 2021-01-12

    对李峰辉和他的团队而言,这个把满天星斗揽入怀中的征途,也让这群年轻人找到了自己人生的“北斗”。

    80双“千里眼”太空监测地球气象。李峰辉博士创业团队供图

    2020年12月22日,我国新一代运载火箭长征八号“一箭五星”首飞成功,这枚新型火箭上搭载了一个“天大的梦想”——天津大学李峰辉博士创业团队自主研制的“云遥GNSS(GNSS是全球导航卫星系统的简称——编辑注)掩星探测载荷”搭载此次发射的 “元光号”卫星顺利入轨,这标志着一个由80颗在轨卫星全球组网的“云遥星座计划”进入了加速布局期。

    建成后的“云遥星座”将成为全球领先的商业气象星座,生产出中国人自己的气象数据,开启全球精准气象的新时代。

    打造气象界的“北斗系统”

    “云遥星座计划”的研究者将在未来3年中,把一种可收集海量地球信息的神秘盒子分别放置在80颗人造地球卫星上,随着大大小小的卫星进入太空,组成一个人类自己创造出的星座——云遥星座。

    届时,仿佛80双“千里眼”从太空望向地球,云遥星座将形成一个覆盖全球各个角落的气象探测网,这意味着,人们将比现在更加清楚地了解地球每时每刻的“身体状况”以及“心情变化”,比如天气预报将因此精确到20分钟级,地震预警可提前至小时级。

    更好地摸清每个人赖以生存的地球的脾气秉性,有着极其重要的现实意义。我国幅员辽阔,也是世界上自然灾害最为严重的国家之一,干旱、洪涝、台风、高温、冷害、地震等多种自然灾害频繁发生,常常给社会经济带来严重损失。一直以来,对大气和海洋的综合快速探测,都是我国防灾减灾工作极为关注的方向。

    而近年来,随着我国综合实力的快速提高,卫星导航定位系统、气象海洋监测服务系统、林业渔业生产制造系统以及武器装备运用保障系统的使用及效能发挥,更加离不开对地球大气、电离层,以及海洋环境信息的有效了解和利用。

    “我们希望通过全球组网,填补我国深空探测的空白。”李峰辉领衔的天津云遥宇航科技有限公司拥有一支年轻的科研团队,核心成员由原航天科技集团资深设计师、气象行业专家组成,他们希望能采用小投入、大效益的方式,建立一个集全球空间气象数据生产及空间气象数据应用推广于一体的综合服务平台,在这个被国外技术垄断的行业里撕开一条口子。

    李峰辉举例说,因为没有自主研发的全球远洋气象导航系统,中国远洋船舶都不得不使用国外公司的气象导航服务。不仅每年要支付几十亿元的服务费,还不得不将船舶技术资料、船舶动态及载货信息随时报告给对方,这不只是商业机密的暴露,也对国家安全构成潜在威胁。“云遥星座计划”就是要打破这种被“卡脖子”的局面,“生产中国人自己的气象数据,就好比是气象界的北斗系统。”李峰辉作了一个形象的比喻。

    掩星载荷 “小身材”有大能量

    那些搭载在卫星上绕着地球转的“神秘盒子”,就是李峰辉团队历时数年研制的云遥GNSS掩星探测载荷。这种新型星载遥感综合探测设备,它可以连续探测到0~60km大气层大气的折射率、温湿压以及100~800km电离层的电子含量和电子密度,能为地球表面大气层及电离层研究提供重要数据,对于天气预报、全球气候变化、地震预报等具有重要价值。

    “掩星”这个概念来源于天文学,指的是一个天体被另一个天体遮掩的天文现象。聪明的科学家发现,如果利用自然界的光学掩星事件,可以探测到远方星体的大气结构。这样的探测方式同样适用于地球,人们利用人造地球卫星的无线电掩星事件,可以对地球的电离层和中性大气进行测量。

    GNSS掩星大气探测是利用地球轨道上“GNSS导航星座—地球—低轨LEO卫星星座”之间的掩星事件进行地球大气测量的气象遥感技术。

    当运行中的低轨卫星逐渐远离或接近一颗导航卫星时,后者发出的导航信号,恰好穿过大气层且被前者的掩星天线接收,就发生了一次GNSS掩星事件。

    在一次GNSS掩星事件过程中,GNSS导航信号仿佛一道无形的尺子,切割出地球的电离层与中性大气层剖面,穿过该剖面的GNSS导航信号由于受到电离层电子密度、大气层水汽密度等影响会发生传播特性的变化,因而通过处理GNSS掩星观测数据进行处理,可以反演得到0-60km高度的中性大气温湿压廓线,以及100-800km高度的电离层电子密度廓线。

    掩星星座同时接收来自北斗、GPS、 GLONASS等导航星座的掩星信号,每天可观测到约7000次掩星事件。通过掩星测量可以实现24个小时全球范围内大气弯曲角、折射率、密度、温度、湿度、压力,以及电离层电子密度测量。可实现数据每10-20分钟更新一次。而目前我国7颗在轨的风云气象卫星,一般每4-5小时更新一次数据。

    被云遥团队装进GNSS探测载荷中的,还有全球导航卫星系统反射卫星遥感技术(简称GNSS-R),这是一种全新概念的遥感技术,它不需要单独的信号源发射机,而是利用反射的导航卫星伪随机测距码信号或者载波信号,通过测量反射信号的时间延迟、相关功率波形等信息,进行海面高度、海面风场或土壤湿度、植被覆盖以及海冰探测,干雪厚度等反演。

    目前,这个只有两公斤重的载荷里已经汇聚了近百项专利。而它本身不仅体积小、重量轻、而且成本低、功耗低,便于在各类人造卫星中找到自己的“小仓位”,更重要的是,其具有高时空分辨率,可以同时探测全球多个区域的掩星数据,能实现从大气层到电离层的连续探测。

    小成本3年内实现全球组网

    2020年1月15日,完成国内首次商业GNSS掩星探测载荷发射工作后,云遥团队成为国内首家商业GNSS探测载荷研制单位。搭载长征八号火箭的这次发射已经是他们团队送上太空今年的第三个掩星载荷,随着中国向航天强国迈进的步伐,2021年“云遥星座计划”将进入布网快车道,计划2023年全球组网初步完成。

    目前该团队已经形成了从“载荷设备研制→卫星搭载→数据反演处理→数据销售”完整的产业体系,已与科工集团二院、科工集团四院、科技集团八院、长光卫星等卫星研制单位开展合作。李峰辉期待着,通过云遥牵手上下游产业共同发展,形成的实时全球电离层大气层探测系统服务于全球的地震短临预报及气象预报。

    李峰辉表示,随着整个国家航天事业的发展以及商业航天市场的拓展,这些采集来的数据也有越来越广阔的应用场景,“比如未来要实现真正的无人驾驶,就需要更精密的参数作为指引。”李峰辉表示,目前正在建设数据服务平台,面向行业用户提供精准服务。

    对李峰辉和他的团队而言,这个把满天星斗揽入怀中的征途,也让这群年轻人找到了自己人生的“北斗”。眼下,他们正在布局更多的探测载荷,并不断对海量数据进行深度挖掘,致力于为“一带一路”国家提供实时性优于20min的地震短临预报信息及气象预报信息,让航天技术成为中国走向世界的新名片。

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