气候小卫星：拓宽天基气候观测的新范畴

　　近来，我国在黄海海域将首颗依据全球卫星导航体系反射信号技能的捕风一号A/B实验卫星成功送入太空，这支国产小卫星“编队”将为飓风海洋监测预告事务供给重要数据支撑。

　　近年来，各国均在大力展开低轨细小卫星星座，小卫星技能的快速展开和运用为气候事务的天基观测拓宽了新的范畴。小卫星星座与大卫星体系结合，能够构成才能更强壮的多要素、高时空分辨率、满意多样需求的气候卫星观测体系。

　　从2017年开端，全球小卫星（一般指分量在1000 千克以下的卫星）的发射数量呈显着上升趋势。2018 年全球共发射461个航天器，其间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%。能够看出，小卫星现已成为天基地球观测体系的重要力气。

　　展开小卫星具有研制周期短、本钱低、发射方法灵敏等长处，经过多颗星组成星座阵列，能够添加时空勘探密度，进步要害信息的获取功率。

　　中国台湾和美方安排协作，于2006年4月15日在美国执行了COSMIC(气候、电离层和气候星座观测体系)方案, 共发射了6颗小卫星组成的GPS掩星勘探体系。该星座体系中每颗卫星直径为1米，重62千克，经过接纳GPS导航卫星的信息获取掩星数据，计算大气笔直温湿廓线信息。这一项目获得了成功，所获取的全球廓线材料已成为运用作用排名靠前的气候卫星材料，被运用到许多国家的数值气候预告形式及相关的科研和事务中。鉴于COSMIC项目的成功，美国又发动了COSMIC-2方案，于2019年6月25日发射COSMIC-2第一批六颗卫星，并方案在本年投入事务运用，每天能够在全球范围内供给4000个掩星廓线数据。

　　同样是使用GPS导航信息勘探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方案——CYGNSS(飓风全球导航卫星体系)。该卫星星座于2016年12月15日成功发射，2017年3月开端供给测风数据。CYGNSS小卫星星座由8颗6U立方体星组成，每颗星能够一同接纳至少4颗GPS卫星的直接信号和反射信号，以保证定位的准确性。直接信号用来确认CYGNSS卫星本身的方位，反射信号来自海洋外表，经过丈量反映风波运动的粗糙度改变，剖析确认风速风向等级。

　　因为GPS的微波信号具有穿透云雨的全天候特征，CYGNSS能够及时捕捉到在宽广的海洋上发生的气旋体系从初始生成到消亡的完好海表风场改变，对展开海洋气候气候研讨和完善相关事务极具价值，特别是关于易构成严重影响的飓风而言，无论是强度仍是途径改变，风场都是最重要的信息之一。在实践运用中，CYGNSS信息还被延伸运用到剖析洪水、土壤湿度、地表热通量等，都获得了很好的作用。

　　在现在气候卫星装载的各类勘探仪器中，微波温湿度辐射计是最成功的载荷之一。依据欧洲中期气候预告中心（ECMWF）的评价，卫星微波勘探获取的全球笔直温湿度廓线已成为削减数值预告形式差错最有价值的信息，远超过包含传统探空仪在内的其他任何勘探材料。因而，在极轨气候卫星上装置微波仪器已成为各国卫星方案的优先选择。而要补偿大卫星本钱高、数量少、时空分辨率相对较低的缺点，发射多颗微波小卫星组成星座应该是优先选择。美国NASA地球体系科学探路者（ESSP）方案资助的6U级小卫星TEMPEST-D (风暴和热带体系时刻实验演示)于2018年5月21日经过国际空间站发射，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散布改变。除TEMPEST方案外，NASA的“地球危险仪器（EVI-3）”方案还支撑了由六个3U立方体星组成的微波星座项目TROPICS。该星座原预备在2019年发射，现已延迟到2021年，能够供给简直全天候的大气三维温度、湿度以及云冰和降水结构的信息。微波勘探器在大卫星上获得的成功，使其成为展开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，比方NASA喷气推动实验室现已开端研制6U级小卫星CIRAS (立方体卫星红外大气勘探器)；雷达小卫星，比方2018年5月与TEMPEST-D一同经过国际空间站发射的6U级立方体实验小卫星RainCube（雨立方体卫星），其可对云和降水体系进行观测；激光小卫星，比方美国NASA冰冻圈科学方案支撑展开的小卫星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，可丈量海冰厚度，并研讨冰盖和冰川的质量改变等。

　　近些年来，我国也在不断加强气候小卫星的研制和运用。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，承当大气掩星勘探使命，可供给勘探材料。2019年6月5日，我国在黄海海域成功完结“一箭七星”海上发射技能实验，其间有两颗便是用于气候勘探的捕风小卫星，与美国CYGNSS星座的功用类似。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掩星勘探小卫星在太原卫星发射中心发射升空并成功入轨，这一方案的方针是构建由80颗小卫星组成的全球组网星座。

　　从近年来航天技能的展开趋势和航天器发射数量份额改变状况来看，小卫星的展开明显已占有重要方位，能够独立构成星座，完结特定使命，也能够与大卫星构成互补优势。推动小卫星的展开，需要从规范、法规、方针、机制等方面下手，让企业、校园、研讨院所等广泛参加进来，构建与政府主导的大卫星展开有所区别的形式，调集全社会的积极性加快推动小卫星的展开，满意更多不同层次的需求。

　　此外，尽管小卫星的制作和发射比大卫星简略，本钱低、周期短，但构成星座的小卫星材料处理则要杂乱得多，需要在地上材料运用环节安排更多力气，完结质量操控、作用评价、科研运用等重要环节，提高小卫星展开效益。跟着我国空间站项目的发动和第一次实验的完美收官，凭借空间站研制小卫星，提高事务才能和研讨水平，已成为重要方向，将在未来几年内构成我国科技相关职业新的优势范畴。