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美国企业小卫星项目案例及对气象事业的推进 发布日期 :2024-04-07  
  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。