美国小卫星项目：CYGNSS项目业务化数据提供
发布日期 ：2023-05-11
作者：贾朋群
2019 年初在美国气象学会举办的第 99 届年会上， 第二届小卫星地球观测学术会议（Second Conference on Earth Observing SmallSats）如期举办。 虽然从届次上看，与成熟领域动辄数十届会议相比，这是一个年轻和全新的领域，但是会议的内容却不失前沿， 并涉及气象观测、遥感技术和数据同化等其他领域。 小卫星会还和第 15 届新一代业务环境卫星共同举办了 3 场联合会议，凸显了小卫星已经成为当前天基地球观测系统的重要力量。尤其是，这次学术会的专题中，强调了业务小卫星系统的演化和未来发展，更让业内人士对小卫星系统快速补充，甚至主导气象观测业务增加了很多期许。
除了小卫星专题学术会之外，小卫星观测已经贯穿年会多个主题会议中，包括环境与健康、综合观测、研究业务转化和中层大气等。
小卫星， 按照形态、重量和体积等，又有纳米卫星、 立方体卫星等更多和规范化的叫法，一般可借助国际空间站成批送入,择机进入轨道， 具有很好的发展势头（图1）。 其中，地球观测小卫星项目，因为应用范围广，前途被普遍看好。 本文基于 AMS 第 99 届年会上多个相关学术会议信息， 以及项目网页和文献资料， 梳理 NASA 牵头的 CYGNSS 项目取得的进展，后续文章还将介绍美国企业在利用小卫星技术开展地球观测活动的发展态势，敬请关注。
1 NASA 主导部分小卫星项目
美国作为一个创新型国家，在技术发展的敏感性方面，国家级机构，例如 NASA 几乎与企业具有同样的敏感度。 近年来 NASA 主导了多项小卫星地球观测项目，是该领域技术和实施领先的机构。
2016 年开始， NASA 研发的小卫星地球观测项目，包括了利用这一平台和探索使用最新技术对包括飓风、能量平衡、气溶胶等地球系统进行观测。 其中以下项目，是具有一定影响的例子。
·RAVAN（Radiometer Assessment using Vertically Aligned Nanotubes， 垂直排列碳纳米管辐射计）： 可以探测地球能量平衡的微小变化，对深入理解温室气体对气候变化的影响具有关键作用，该项目由约翰霍普金斯应用物理实验室牵头。
·两颗微小卫星“IceCube”和“HARP” 于 2017 年被送往国际空间站，分别对云层中的冰粒和气溶胶进行观测。
·2017 年由麻省理工学院开发的“技术加速微波辐射计”（MiRaTA） 小卫星将同美国海洋与大气管理局的联合极轨卫星共同升空，这个如鞋盒般大小的小卫星集成了大部分气象卫星的功能。
·“CYGNSS”项目由 8 颗小卫星组成，利用海面反射的 GPS 卫星信号观测海面空气变化，对飓风形成进行观测。（见本文下面的介绍）
·TROPICS 项目由 12 颗小卫星组成，利用辐射计精准地观测飓风内部的温度及湿度变化。
·“RainCube”（雨立方体卫星）项目，首次利用 6U 小卫星装载降水雷达，实现云和降水天基观测。该系统于 2018 年 7 月 13 日从国际空间站进入轨道，未来该系统计划与其他卫星组成星座，提升系统的性能。
·“CubeRRT”项目，即立方体卫星辐射计无线电频率干扰技术检验，其目标是用 6U 小卫星处理不同天基观测系统之间的信号干扰问题，使得天基辐射计更加有效地工作。 2018 年 5 月 21 日系统成功被送入国际空间站，并在 7 月 13 日进入轨道。
·“TEMPEST-D”项目，风暴和热带系统时间实验技术展示项目，是另一个采用 6U 小卫星对热带天气系统进行监测的项目，该系统 2018 年 7 月 13 日进入轨道。
这些和其他一些 NASA 主导或参与的项目（图2）， 一般由 NASA 地球科学与技术办公室管理， 主要通过地球观测探索等项目的支持，借助高校或企业的力量实施， NASA 以外参与甚至主持的机构，很多都通过资助合同方式， 委托给高校或企业，以充分发挥这些机构技术优势，并完成项目后期业务化等工作。 正是小卫星项目打破了 NASA 业务项目仅在其业务中心进行管理的格局，很多项目， 包括本文介绍的 CYGNSS，其业务化运行离开了 NASA，在项目主要开发机构实现业务化运行。微小卫星因为其成本低、开发时间短，具有很高的风险承受能力，特别适合用于新技术的开发和试验。随着技术不断成熟，经微小卫星验证的技术将被整合进更大的项目中，加速革命性的航天技术进展。
2 针对飓风预报的CYGNSS项目及其业务化
NASA在完成里程碑式的全球导航GPS项目时就已经意识到，GPS信号天基接收平台或可衍生更多应用领域观测，借助GPS技术的CYGNSS（the Cyclone Global Navigation Satellite System，气旋全球导航卫星系统，图3）应运而生。
CYGNSS项目从孕育到完成发射和业务化运行超过2年，仅用了7年时间（链接-1）。2016年12月15日，经过两次延误后，CYGNSS星座的8颗小卫星被送入轨道。这些重量仅30千克的卫星，借助GPS信号卫星开展观测，探测飓风内部风速等关键要素场。其中的最关键科学原理，是GPS信号可以穿越围绕飓风中心的厚云或强降水区域，测定海况，依据海浪的有效观测获得飓风核心区风等要素的分布。
2017年4月1日，NASA宣布CYGNSS星座进入科学业务化阶段。在随后的近2年时间里，系统运行平稳并多次扑捉到飓风系统。2019年初，NASA基于系统各部分状态良好，再次宣布延长CYGNSS星座业务系统。
2.1 CYGNSS项目瞄准的科学问题和组织架构
过去数十年间，飓风路径预报获得了极大的改进，然而飓风强度预报并没有得到同样的成绩，滞后的原因之一在于，风暴区现场数据的收集遇到了极大的困难，而已有的常规天基遥感技术，因为风暴区被厚云或强降水覆盖，无法给出准确的观测。然而，已经完成布设的全球地理信息系统（GPS）信号，却能够轻易穿透厚重的降雨区。CYGNSS项目的设计，就是利用GPS信号的穿越能力，因为风在海洋表面产生波浪，从而被GPS信号捕捉后，用于计算风的速度（图4）。这项新技术的应用，改变了气象业务针对海面风的空基和天基观测，以前仅仅依赖QuikScat或飞机探测，所获数据难以达到准确和时空全面覆盖的需求的局面。
2012年6月，NASA设立1.57亿美元的项目，由密歇根大学（University of Michigan）牵头开发小卫星飓风观测项目。项目于2012年12月启动，参与机构包括西南研究所和其他2家企业（Sierra Nevada Corporation和Surrey Satellite Technology）。2014年1月项目整体设计完成，明确了研发8颗小卫星组成的星座，一次性布设到500km的低地球轨道。项目最初计划2016年10月发射，在随后的2个飓风季开展观测。因故障延期到12月15日发射。
该项目的组织，主要通过NASA的地球探索分类卫星使命（Earth Venture class satellit emission）战略提供资金支持，是该项目支持的第一个实施项目。CYGNSS的研究由在天基观测领域优势明显的密歇根大学University of Michigan）领衔，该校气候和空间科学与工程系的ChrisRuf教授（链接-2）任项目的PI（首席科学家），组成多机构团队（图5），研究团队共有数十人，来自更广泛的机构。
在近8年的时间里，CYGNSS团队发挥各自机构优势，让该项目成为里程碑式的科学研发活动（图6），开创了较少投入，利用各部门基础条件，快速实现从科学思想碰撞到业务实现的快速转化。CYGNSS项目取得的巨大成就，也为其他小卫星项目，尤其是中小企业和高校实验室，树立了榜样。
2.2 CYGNSS瞄准的科学问题
在CYGNSS项目业务化之前，飓风季节常规获得风暴中心数据，主要依靠QuikScat或ASCAT卫星的探测。这些在地球低轨道上运行的单个极轨卫星，无法解析全球任意地点天气尺度系统，尤其是单个极轨卫星对某一个地点相邻的两次探测间隔时间一般在11-35小时之间，也难以满足监测飓风这类快速变化的天气系统的需求。在图7中给出了2007年大西洋和太平洋飓风季节对每个热带低压、风暴和气旋核心区域QuikScat或ASCAT资料覆盖的比例。覆盖性能的低下（一般在60%以下）源自单卫星扫描带之间留出的空白区域以及卫星再次飞过风暴上方时间间隔太长。而这些也是极轨卫星的特点，具有无法泥补的缺憾。
CYGNSS项目采用8颗小卫星组成的星座，低轨（LEO）和高倾角卫星轨道即保证了探测精度，也让探测围绕热带海洋展开而多颗卫星平行观测则有效提高了时间分辨率。此外，借助GPS，该项目探测的并不是风本身，而是风在海面上引发的海浪导致海面反射信号的改变。系统设计能够观测到穿透所有降水，包括TC眼区厚云，反演最大60m/s的海表面风速。
位于8颗小卫星上的8个CYGNSS传感器，每个可同时测量4个反射，每秒星座系统就能得到32个地球表面的风观测结果。小卫星星座系统巧妙地解决了海洋表面风探测的时空覆盖问题（图8），而借助GPS技术，更是能够很好地瞄准飓风核心区域，获取飓风预警和预报最关键的要素。
2.3 CYGNSS项目2年业务运行的主要成果
CYGNSS项目作为NASA地球探索使命之一，在2016年12月发射升空后，于2017年6月进入业务研究应用阶段。2019年3月，在既定的系统生命期完成后，因系统状态良好，NASA决定将该业务系统延长1.5年，使得该系统实现了首次开发、同期业务化和延长业务服务期的良好结果。到目前为止，CYGNSS项目完成了多个飓风期对飓风监测，同时针对陆地观测信号也拓展了CYGNSS数据的应用范围，取得了大量成果。
·观测精度
CYGNSS实现科学业务化后，通过组织一系列实验，检验其数据的有效性，这些时间长短不一的实验主要包括以下内容：
1）2017年8月，CYGNSS项目组织了为期1个月的全球试验，检验系统反演风速的准确性以及对预报的影响等内容。
2）2017年3季度利用数据同化系统GDAS/GFS，验证数据及预报影响
3）TC捕捉。业务检验期间，经历了9次命名飓风（Gert,Harvey,Irma,Kenneth,Lidia,Banyan,Hato,Pakhar和Sanyu)以及38个热带气旋。
图9分别给出与中国西沙岛通量塔和浮标站数据的对比。结果表明风速平均偏差为0.13m/s，平均均方根误差为2.19m/s。在风速小于10m/s时，方根误差一般在2m/s以内。
在处理CYGNSS原始数据时，因为大量数据很接近，为了避免过度使用一种类型观测，使用了“数据稀释（data thinning）”技术，即采用了100km高光点稀释（specular point thinning）。
在图10中，给出了CYGNSS项目获得的反演风与同化系统（低风速）、整个飓风季节飓风个例的比较以及在该项目在观测相关性能方面设计实现情况。
当海上风速较低时，CYGNSS反演风速与全球数据同化系统（GDAS）相比，均方差为2.31m/s，数据的不确定性为1.67m/s。
2017年飓风季，CYGNSS系统风速与飞机探测可比风速对比，覆盖了4个飓风的多次飞行数据，针对强风（最大飞机探测风速达53.6m/s）CYGNSS数据的不确定性为3.2m/s，是平均风速28.8m/s的11.3%。
梳理CYGNSS系统6类总计10个设计指标，其中除了针对大于20m/s风的不确定性（10%）没有实现（11.3%）之外，其余9个指标都得以实现。尤其是，数据给出的空间分辨率达到25.4km，较设计的50km有了较大提升，时间分辨率也从设计的超过12小时，缩短到9.1小时。
·CYGNSS数据的全球覆盖
CYGNSS项目业务期间，不仅捕捉到影响美国的多个飓风，如Florence等，其全球覆盖的数据还可用于西北太平洋台风系统（图11）。例如，2018年第24号台风“潭美”（Trami）9月21号在在西太平洋形成热带风暴，风力达到8级，9月23号往西北方向移动形成台风,9月25号形成超强台风，风力达到17级。期间，CYGNSS数据对该台风核心海区风场有很好的覆盖，并且借助该数据可以计算出各种物理通量，对监测和预报台风发展，尤其是强度变化带来关键参考。
·对飓风预报的影响
CYGNSS数据能够在TC中心区域形成海面风数据的提取，尤其是针对风暴中心附近风场的变化，具有很好的解析能力（图12）。全球实验结果表明，CYGNSS数据针对热带气旋的路径预报，提前108小时之内的预报影响很小，但针对108小时之后的路径预报改进明显，这种改进一直延续到168小时预报（图13）。同样，在风速预报方面，虽然总体改进不是很显著，但是针对48-72小时的预报出现较小幅度的改进，并在66小时预报中出现重要改进（图14，基于29次预报）。
在图15中，给出针对Harvey飓风预报改进的情景。初步试验结果表明，将CYGNSS数据利用标准的3D变分同化方案（GSI，格点统计插值）加入数据同化系统，能够改进飓风强度和路径分析。
·其他应用
虽然CYGNSS数据主要应用领域围绕热带海洋上TC中心区风场反演展开，但是因为星座的运行轨迹还覆盖热带陆地区域，其数据的科学意义也不可小觑，尤其是在沿海、陆地过程和水文等领域，也带来应用的红利。
目前，CYGNSS数据在陆地区域仅提供L1BBRCSDDM数据，因此，在陆地区域数据的应用有较高的“门槛”。这些陆地L-波段前向散射数据对土壤湿度、地表反照率和粗糙度都十分敏感，一些潜在的应用也围绕这一特征展开，或许能在土壤湿度估计、滑坡预报、洪水高度预报和监测和土地利用监测等领域得到应用。图16给出亚马孙河流域3种卫星图像的对比，其中基于CYGNSS数据的图像分辨率达到小于500m，优于SMAP主动或被动图像。
目前在陆地区域，每颗CYGNSS卫星同在海上一样，每秒钟收集4个L1(1.5GHz)1DDM数据，这些全天候数据随不同地形（沿海、农田、森林或山区）变化，尤其是可以甄别降雪情景（有雪、无冰盖或海冰）。
2.4 下一代CYGNSS数据
在CYGNSS业务化运行时，其下一代产品性能已初见端弥（图17），其中支撑其性能提升的主要技术手段，是每个小卫星接收频道从4个增加到20个。这一改变带来CYGNSS数据性能的大幅度提升，其中时空分辨率达到5km和每2小时。按照项目组的计划，到2019年末，二代CYGNSS将完成模型接收器的制造和环境测试。
3 CYGNSS项目的国家层面协调和成果快速转化意义
CYGNSS项目的核心目标是通过全天候观测海洋表面风改进飓风研究与预报，该目标与NOAA的核心能力严重重合。此外，该项目涉及的核心技术，既有国家基础设施方面的内容（如GPS），更有先进技术和理念的融合发展（小卫星技术等）；即包含了较多的跳跃式改进业务的可能，又有较多的投入风险和不确定性。而且，即使取得科学上的成功，在应用和再开发层面上，需要多部门和行业间评估、协调和承担后续巨大的工作量。
为了提前面对和很好地解决上述问题，2015年5月27-29日，CYGNSS项目立项3年后，在获得了初步研究成果和支撑的业务化新功能框架完成后，NASA及时召开了应用层面上的研讨会（图18），向多家可能应用领域涉及的机构提出邀约，通过会议进行通报和研讨，试图在促进项目快速业务化的同时，寻求应用绩效的最大化。
这次会议科学讨论的问题，虽然基于未来CYGNSS系统的能力，但却不限于此。例如，CYGNSS系统测风能力如果与NASA的核心项目之一GPM（全球降水观测）卫星得到的降水数据结合，可以预期获得湿大气热力和海洋表面反应的耦合观测，对于研究飓风内部核心结构和能力循环具有更为重要的意义。
这次会议的两个目标，除了科学研讨外就是为未来CYGNSS系统描绘出详细的应用可溯源矩阵（Applications Traceability Matrices），其详情包括需求和业务考量，这些内容都着眼于更加广泛的增值工具、应用和产品的开发。会议也成功地找寻到和评估了在模拟、预报和热带对流研究等领域广泛的潜在用户队伍。为了达到这一目的，2014年7月释放的项目技术示范卫星-1数据（单一GPS信号接收器），也计划在2015年秋季释放，让潜在用户提前感觉新数据的可用之处。
这次会议选择在项目前期参与并不多的NOAA举办，也很有意味：即将起航的CYGNSS将回到可能产生最大效益的机构，聆听项目应用瞄准的核心领域的专家和业务人员的意见，这也是NASA与NOAA在天基探测上一贯的合作机制（图19-20）使然。这次在项目进入产品成型和开始进入发射准备阶段之际召开的会议，也为研究向业务的转化铺平道路。与会的73位学者不仅来自关键的研发机构，还有来自NASA总部和4个NASA中心、5个NOAA直属机构（业务和研究）、美国海军(ONR/NRL)、NCAR/UCAR、13个高校及10个私人企业的代表。会议就美国来说，具有很广泛的覆盖面。会上NOAA的3位不同机构的代表做了主要发言，奠定了本项目在气象预警业务快速应用的前提。会议还确定了项目核心技术从基础研究向扩大应用领域的转化。
在这次会议上，时任NOAA卫星和资料局局长的StevenVolz博士首先回顾了NASA在支持NOAA天基探测业务方面做出的巨大贡献。他进一步指出，两家机构的合作还有很多上升空间和面临更多机会。就研发中的CYGNSS而言，Volz博士具体指出了NASA和NOAA如何按照以往共享原则开展合作的路线。
4 结果讨论
4.1 NASA主导的小卫星计划或许代表了美国天基观测体系的转向
NASA是美国最重要的航空管理和研发机构，在上个世纪中叶，其经费大约占据了美国联邦经费的6%。充足的经费让包括气象卫星在内的美国卫星事业，从上个世纪50年代开始得到了快速发展。然而，美国联邦卫星业的发展始终与高风险联系在一起。例如，1970年代设计的大气探测（AE）系列卫星，前4颗卫星的寿命仅仅几个月，直到第5颗卫星（AE-E）才运行数年时间。NASA早期高风险的探索能够完成，原因之一是投入与机构总经费相比比例很低，卫星项目失败的成本几乎可以忽略。
然而，这样的状况并没有持续到今天。目前，NASA的联邦预算仅占总预算的大约0.5%，随之而来的是NASA发射的卫星更小，卫星项目允许的风险也更小。此外，发射火箭荷载重量与卫星质量之间出现差异时，以往的解决办法是增加压舱物以使得卫星准确进入轨道。正是出于减少发射风险和“压舱物”被有效利用的考虑，小卫星的研发被提出来和纳入到NASA研发体系。
本文重点介绍的CYGNSS项目，仅仅是NASA主导的小卫星项目之一，而且美国和全球多家企业或高校在小卫星探测方面，更是走在了国家部门的前面。CYGNSS项目创造了两项第一：NASA地球探索系列项目的第一项、NASA在高校运行的首批地球科学业务项目。这些代表了NASA对美国高校技术力量的极大信任。未来，国家级地球探测项目通过少量启动基金支持，可以放在高校或企业运行，是具有方向意义的，而CYGNSS项目无疑是成功的尝试。
4.2 包括中国北斗卫星在内的全球卫星导航系统或许能释放更多地球观测红利
较为成熟的GPS系统信号的卫星接收器，是依附在GNSS（全球导航卫星系统，图21）系统通过接收主卫星信号，获得地表和近地层大气各种信息的渠道，这被称为GNSS无线电掩星技术，在气象领域具有特别重要的意义。其中，美国和中国台湾合作的COSMIC项目就是其中的代表。与前者反演大气层结数据不同，CYGNSS测量海洋表面被海洋粗糙度干扰的散射信号，进而获得海表风。虽然以往卫星也有通过传播和接收无线电信号，得到海洋表面风场，但这些卫星发射器巨大且需要大量能量支撑。而CYGNSS因为无需发射器，可以很小。
小卫星借助星座组成系统，可以得到同时进行的观测数据，针对同一个地点，多个卫星频繁进行观测提升了极轨卫星的时间分辨。而这些对于探测热带气旋都是十分关键的要素。
4.3 空间应用大国或许可借助GNSS技术平台大幅度提升气象数据覆盖率和改进预报能力
在2019年2月26日举行的美国众议院听证会上，NASA和NOAA在共同表达了对商业化地球观测数据的重视。NOAA执行局长NeilJacobs特别针对小卫星观测技术指出：“我相信，立方体卫星业目前只是开始起飞，其提供的数据，特别是GPS无线电掩星数据，是极具价值的。”他还就NOAA继续开展购买商业数据计划，直到未来让包括小卫星数据在内的商业地球观测数据进驻NOAA表达了积极态度。
据悉，NOAA继2016年购买了2家公司的无线电掩星数据，但评估数据质量没有达到预期之后，并没有停止购买商业卫星数据的步伐，于2018年第二轮又购买了3家公司的数据。购买方表示，这次购买的数据，与之前NOAA的COSMIC项目数据质量同样优良，因此NOAA负责人预见到了未来商业卫星数据的前景，表示了今后NOAA通过政府认购数据服务而常规化。这一事件涉及的地球观测数据，即美国和中国台湾联合COSMIC项目依据的无线电掩星技术获取大气探测层结数据，也是寄托于GPS系统，而且，几家企业正是用小卫星技术，打败了COSMIC项目二期计划制造的大卫星。这或许是支持本文讨论的CYGNSS业务化系统会走得更远的另一个例证。两个例子分别依靠能力还在提升的GNSS系统，瞄准大气层结和地面风速等关键数据，获取常规观测无法获得的反演数据，一旦这些数据，以及更多小卫星项目数据的质量，达到一定的要求并大量进入数值预报数据同化系统，预报系统能力的提升则可期待。
曾几何时，美国气象业务部门与ECMWF在预报系统性能比拼中，处于下风的一个关键指标，就是欧洲并不常见的飓风预报。2012年桑迪飓风登陆新泽西州，最先被ECMWF模式预报出来，进而引发了美国气象界乃至整个经济社会的热议和震动，进而美国天气预报创新立法被启动。
2017年飓风哈维来袭时，与5年前相比，美国气象界有了两件利器：一个是FV3作为动力核心的下一代模式（准业务版），另一个便是CYGNSS。后者尤其针对飓风强度预报这一难度更大的挑战。针对哈维的预报过程表明，一些模式无法预报出哈维飓风登陆前加强为4级，主要原因就与风数据缺乏有关。
由此我们可以设想，随着小卫星技术随着GNSS系统的升级而不断成熟，大量天基平台上全天候的气象数据，或许能为基于物理定律的动力-热力预报系统，以及更广泛的物理统计、人工智能大数据等预报平台上各种时空尺度预报系统，注入新的活力，让预报走向多维发展阶段。