美国企业小卫星项目案例及对气象事业的推进
发布日期 ：2020-05-12
贾朋群 田晓阳
本刊5期介绍了由美国政府机构NASA主导的小卫星项目及其在地球观测中的应用个例。实际上，从美国气象学会年会和文献等学术交流平台上观察，在利用小卫星技术开展地球观测领域，企业创新已经成为一道新的不可忽视的风景。不仅如此，近年来美国联邦政府面对企业技术创新，更多地采取了合作，并通过向企业购买技术产品或服务的方式，在支持企业发展的同时，降低政府核心业务的风险，从而取得政府与市场的双赢。
本文继续基于小卫星技术发展的文献资料，聚焦美国企业在这一领域发展的案例，同时讨论NOAA与企业合作提升自身能力的战略，对未来企业创新发展趋势和对国家气象发展的影响进行分析。
1.Spire公司致力于小卫星无线电掩星技术
无线电掩星（RO）技术，是嫁接在GPS等导航卫星星座系统之上，通过获取GPS信号穿越大气层产生的变化，得到大气层结信息的衍生技术。美国与中国台湾利用当时领先的GPS技术，率先利用RO技术实施了COSMIC一期计划，能够每天提供全球平均分布的大约2000条大气廓线数据。COSMIC数据的成功获取，主要因为其提供的海上大气廓线数据，立即改变了全球观测系统对数值预报技巧贡献的格局，GPSRO贡献排名位列第4位。而Spire公司（链接-1）目前利用小卫星系统开发的下一代GPSRO技术，可每天获得约2万个大气廓线数据，从而实现NWP贡献排名上的超越，将位列第一（图1）。
Spire的RO技术的发展，将不仅依赖于GPS系统，而是要“通吃”包括我国北斗导航卫星系统在内的各国卫星导航系统。同时获取RO信号的小卫星将多达近百颗，这使得每天能够获得的大气廓线数量达到12.8万（图2）。
或许是气象界及相关领域对Spire公司引领的新技术还无法适应，导致尽管该公司系统到2019年2季度提供数据量远远低于其最大获取能力（图3-4）。这或许是天基地球观测技术高速发展“倒逼”NWP用户的同化数据系统处理更多数据的一个鲜活的例证。
2.Aerospace公司的云图像和环境监测CUMULOS系统
Aerospace公司最新开发的云图像和环境监测，即CUMULOS（CUbesatMULtispectralObservingSystem，小卫星多谱观测系统）通过携带的3架小型相机进行云拍照，这些相机分别在可见（VIS）、短红外（SWIR）和长红外（LWIR）谱段，具有准全天候的优势。该系统于2017年11月12日作为负载之一，随ISARS（综合太阳和反射阵天线）升空进入国际空间站（ISS），12月6日从ISS进入轨道，并借助地面接收站（图4）开始观测和传输数据。
CUMULOS虽然开展实质性的地球观测，但其使命除了科学内容外，还包括了一些工程学意义上的目标。例如，开发针对小卫星图像的地面、空中（in-space）的校准程序，小卫星图像的自动数据收集，利用小卫星图像开发辐射数据通道等。
CUMULOS项目的成果表明，其获得的数据在很多领域具有很好的示范性：如森林火灾监测、城市热岛效应和热带气旋等观测领域。该项目利用月亮、太阳系以外行星验证小卫星校准技术，对未来小卫星技术进步具有重要启示意义。
3.NOAA通过购买服务方式与小卫星企业合作的历程
美国早在2013年因极轨卫星数据可能出现“空白期”风险（见本刊7期），在国会召开的听证会上，美国各界就呼吁NOAA等机构更加开放，向市场要数据，以降低风险。在2014年众议院通过《2014年天气预报改进法》后，NOAA当年预算中有1400万美元用于技术转让，其中硬性规定外购技术需占20%以上。NOAA与企业实质性技术合作就此开始。
3.1确定制度
针对议员和各界对气象部门关注、购买和使用美国商业航空地球观测数据的讨论，2015年5月和7月，美国众议院召开了两次“推进商业天气数据应用：合作改进预报”听证会。NOAA副局长MansonBrown在证词中提到，NOAA每年至少支出2000万美元购买商业卫星、闪电、空基和实测数据，如果通过了业务需求的评估，预计未来还会接受更多数据集。之后，国会启动了2016财年商业天气数据试点项目（CommercialWeatherDataPilot，CWDP），预算300万美元：
“NOAA应通过公开竞争程序，寻求至少签订一份试点合同，以评估商业天气数据在其天气模拟和预测中的可行性。该资金将用于购买、评估和校准可用数据，这些数据应符合NOAA商业数据政策中制定的标准和规范。”
在2016年1月，NOAA发布了《商业数据政策》。并且根据国会要求，在3月向国会提交了商业天气数据试点方案（CWDP），提出的时间线见图5。计划在2016年下半年开始第一轮采购，2016年底到2017年进行评估。
3.2第一轮采购
2016年9月15日，NOAA与两家公司，Spire（链接-1）和GeoOptics（链接-2）分别签订了价值37万和69.5万美元的卫星数据购买合同，这两家企业到2017年4月将向NOAA提供RO数据，2017年底，NOAA会提供评估报告。由NCAR/UCAR进行数据处理和初步质量评估，卫星资料同化联合中心进行数据检验和NWP模式影响评估。
GeoOptics的总裁ConradLautenbacher也是NOAA的前局长，他认为这个项目可以展现，“商业卫星数据采购能够利用私营部门无与伦比的效率，帮助NOAA完成保护和通告民众的重要使命”。
签订合同时，Spire已经发射了数个小卫星，GeoOptics的小卫星还在开发中。结果到2017年4月第一期合同终止，GeoOptics第一批小卫星还没上天，无法提供数据。
3.3第二轮采购
虽然第一批数据未能完全按期获得，却没有影响第二批采购。2017财年的预算中，CWDP被划拨了500万美元，计划1/3的经费用在采购上，2/3用于评估。2018财年请求300万，实际获得了600万美元。2018年9月，NOAA进行了第二批采购，投入840万美元，购买3家私人卫星数据商的卫星无线电掩星数据：Spire（142.5万美元）、PlanetIQ（350万美元）和GeoOptics（344万美元），这一批合同的资料传输时间截至2019年7月，NOAA将于2020年春提供评估报告。
到第二批采购时，GeoOptics已经有两个Cicero卫星在轨。而PlanetIQ（链接-3）还没有发射卫星。