Cyklónový globální navigační satelitní systém - Cyclone Global Navigation Satellite System

Cyklónový globální navigační satelitní systém
CYGNSS spacecraft model.png
JménaCYGNSS
Typ miseVýzkum počasí
OperátorNASA
ID COSPARU2016-078A, 2016-078B, 2016-078C, 2016-078D, 2016-078E, 2016-078F, 2016-078G, 2016-078H
SATCAT Ne.41884, 41885, 41886, 41887, 41888, 41889, 41890, 41891
webová stránkacygnss-michigan.org
Doba trvání misePlánováno: 2 roky
Uplynulý: 3 roky, 11 měsíců, 19 dní
Vlastnosti kosmické lodi
Výrobce
Odpalovací mše28,9 kg (64 lb) každý[1][2]
Rozměry163,5 × 52,1 × 22,9 cm (64,4 × 20,5 × 9,0 palce)[1]
(D x Š x H)
Napájení34,7 wattů
Začátek mise
Datum spuštění15. prosince 2016, 13:37:21 (2016-12-15UTC13: 37: 21) UTC[4]
RaketaPegasus XL F43[2]
Spusťte webMys Canaveral (Hvězdář )
DodavatelOrbitální ATK
Vstoupil do služby23. března 2017[3]
Orbitální parametry
Referenční systémGeocentrický
RežimNízká Země
Poloviční hlavní osa6 903 km (4289 mil)
Excentricita0.00162
Perigeová nadmořská výška514 km (319 mi)
Apogee nadmořská výška536 km (333 mi)
Sklon35 stupňů
Doba95,1 minut
Epocha15. dubna 2017, 22:21:25 UTC[5]
Nástroje
Přístroj pro zpoždění dopplerovského mapování
 

The Cyklónový globální navigační satelitní systém (CYGNSS) je vesmírný systém vyvinutý společností Michiganská univerzita a Jihozápadní výzkumný ústav s cílem zlepšení předpovídání hurikánů lepším pochopením interakcí mezi mořem a vzduchem poblíž jádra bouře.

V červnu 2012 NASA sponzoroval projekt za 152 milionů $ s Michiganská univerzita vede jeho vývoj.[6][7] Mezi další účastníky rozvoje CYGNSS patří Jihozápadní výzkumný ústav, Sierra Nevada Corporation, a Satelitní technologie Surrey.[8]

V plánu bylo vybudovat souhvězdí osmi mikro-satelity být vypuštěn současně v jedné nosné raketě[9] do nízká oběžná dráha Země,[7][10] ve výšce 500 km.[11] Zahájení programu bylo naplánováno na 12. prosince 2016 a poté bylo pozorováno dvě období hurikánů.[12][13] Prvnímu startu zabránily problémy s pumpou na odpalovacím letadle, ale druhý pokus o start proběhl úspěšně 15. prosince 2016.[14]

Přehled

Předpovídá stopy tropické cyklóny od roku 1990 se zlepšila přibližně o 50%; ve stejném časovém období však nedošlo k odpovídajícímu zlepšení prognózování intenzita těchto bouří. Lepší pochopení vnitřního jádra tropických bouří by mohlo vést k lepším předpovědím; proudové senzory však nejsou schopny shromáždit dostatečnou kvalitu dat na vnitřním jádru kvůli zakrytí dešťových pásem, které jej obklopují, a kvůli občasnému odběru vzorků. Za účelem vylepšení modelů používaných v předpovědích intenzity jsou zapotřebí lepší data.[15][16]

CYGNSS bude měřit oceánské povrchové větrné pole pomocí bistatické scatterometry technika založená na GPS signály.[15][16] Každý satelit přijímá přímé signály GPS i signály odražené od zemského povrchu; přímé signály určují polohu mikrosatelitu a poskytují referenční časování, zatímco odražené nebo „rozptýlené“ signály poskytují informace o stavu mořského povrchu. Drsnost povrchu moře odpovídá rychlosti větru.[11] Používání sítě osmi malých satelitů umožňuje časté pozorování: předpokládá se, že průměrná doba návštěvy bude 7 hodin.[15][16] Osm mikrosatelitů obíhá pod úhlem 35 ° a každý je schopen měřit 4 simultánní odrazy, což má za následek 32 měření větru za sekundu po celé planetě.[11]

CYGNSS je první z vesmírných misí třídy NASA Earth Venture, která je součástí programu NASA Pathfinder;[8] předchozí výběr EV byl rozdělen mezi pět vzdušných misí dálkového průzkumu Země. Dvouletá mise zahájená 15. prosince 2016, po odložení z listopadu 2016,[17] a 12. prosince 2016.[12][18]

Vědecký cíl

Vědeckým cílem CYGNSS je porozumět vazbě mezi vlastnostmi oceánských povrchů, vlhkou atmosférickou termodynamikou, zářením a konvekční dynamikou ve vnitřním jádru tropického cyklónu.[11] K dosažení tohoto cíle bude systém měřit rychlost povrchového větru oceánu za všech srážkových podmínek, včetně těch, které se vyskytly v USA eyewall. Mise bude také měřit rychlost povrchového větru oceánu ve vnitřním jádru bouře s dostatečnou frekvencí, aby vyřešila vznik a rychlou intenzifikaci. Jako sekundární cíl bude projekt podporovat komunitu předpovědi provozních hurikánů produkcí a poskytováním datových produktů rychlosti větru na povrchu oceánu.[11]

Nástroje

Každý satelit CYGNSS nese Delay Doppler Mapping Instrument (DDMI), který se skládá z:

  • přijímač mapování zpoždění (DMR)
  • dvě antény směřující nadir
  • jedna zenitová anténa

Přístroj přijímá GPS signály rozptýlené povrchem oceánu pro účely bistatické scatterometry.[11]

Zahájení a předčasné operace na oběžné dráze

Spuštění CYGNSS na a Pegasus-XL

Mise CYGNSS byla zahájena 15. prosince 2016 v 13:37:21 UTC z jediné Pegasus XL vzduchem vypuštěná raketa. Raketa byla nasazena z přizpůsobeného Lockheed L-1011 letadlo, Orbitální ATKje Hvězdář, z polohy 201 kilometrů od pobřeží Cape Canaveral, Florida.[4][19] Pokus o spuštění 12. prosince byl přerušen kvůli problémům s hydraulickým systémem, který odděluje raketu Pegasus od nosného letadla.[20] Po startu bylo osm mikrosat vypuštěno na oběžnou dráhu počínaje v 13:50 UTC a končící v 13:52 UTC modulem nasazení připojeným ke třetí fázi Pegasus. Úspěšný rádiový kontakt s prvním mikrosatem byl navázán v 16:42 UTC.[21] Osmý mikrosat byl úspěšně kontaktován ve 20:30 UTC.[22] Na konci dne 15. prosince bylo všech osm mikrosat rozmístěno do svých solárních polí a byly zaměřeny na slunce s nabíjením baterií v bezpečném stavu, připraveny zahájit technické uvedení do provozu.[23]

Použití rozdílového tažení k úpravě mezer mezi satelity

Měření CYGNSS hurikánu Jose dne 17. září 2017. Klidné oko je viditelné uvnitř prstence silného větru v oční stěně.

Počáteční operace mise byly zaměřeny na technické zprovoznění satelitů[24] a úpravy mezer mezi nimi. Jejich relativní rozestup je důležitý pro dosažení požadovaného prostorového a časového vzorkování.[25] Mezisatelitní rozestup je řízen nastavením orientace kosmické lodi a výsledkem je rozdíl v atmosférickém odporu mezi satelity. Tato technika se označuje jako diferenciální odpor. Zvýšení odporu snižuje výšku satelitu a zvyšuje jeho oběžnou rychlost.[26] Vzdálenost mezi kosmickými loděmi se mění v důsledku jejich relativních rychlostí. Toto je alternativní způsob řízení rozestupu mezi konstelací satelitů, na rozdíl od použití tradičního aktivního pohonu, a je výrazně nižší cena. Umožňuje stavět více satelitů za stejné čisté náklady, což má za následek častější vzorkování krátkodobých extrémních povětrnostních jevů, jako jsou tropické cyklóny.[16] Manévry diferenciálního odporu byly prováděny během prvního roku a půl operací na oběžné dráze a vedly k dobře rozptýlené konstelaci, která je schopná provádět měření s požadovanými vlastnostmi vzorkování.[27][28]

Pozorování větru nad oceánem

Měření rychlosti větru provádí CYGNSS analogickým způsobem jako u předchozích vesmírných radarů snímajících vítr z oceánu detekcí změn drsnosti povrchu způsobených stresem blízkým povrchovému větru.[29][30] Kvalita měření je určena porovnáním s téměř shodnými pozorováními jiných senzorů větru. Srovnávají se při nízké až střední rychlosti větru (pod 20 m / s, 45 mph, 72 km / h) numerický produkt větrného produktu NOAA Global Data Assimilation System a ukazují nejistotu ve větru CYGNSS 1,4 m / s (3 mph ; 5 km / h), s vyšší nejistotou při vysokých rychlostech větru.[31] Nad 45 mil za hodinu, a zejména u měření prováděných v tropických cyklónech, se provádí srovnání s téměř shodnými pozorováními pomocí přístrojů pro snímání větru na letadlech lovců hurikánů NOAA P-3, které byly v koordinaci se satelitními nadjezdy CYGNSS přelétnuty do hurikánů.[32] Porovnání naznačují nejistotu ve větru CYGNSS 11%.[33] Stejně jako v případě nižších rychlostí větru se nejistota zvyšuje s rychlostí větru. Měření rychlosti větru oceánu CYGNSS jsou v současné době začleněna do modelů numerické předpovědi hurikánu[34][35][36][37] a modely nárůstu bouře[38] posoudit zlepšení jejich výkonnosti. Snímky nedávných a archivních měření oceánského větru, globálně i se zaměřením na jednotlivé bouře, jsou k dispozici na [1]. Numerické datové soubory měření rychlosti oceánského větru jsou k dispozici na [2].

Pozorování Země

Měření rozptylu povrchu země CYGNSS za měsíc prosinec 2017. Změny ovlivňují vlhkost půdy a rozsah vnitrozemských vodních cest.

CYGNSS pracuje nepřetržitě nad oceánem i pevninou a měření na pevnině obsahují také užitečné informace. Měření jsou citlivá na povrchovou vlhkost půdy a na přítomnost a rozsah útvarů vnitrozemské vody.[27] Vlhkost půdy byla odhadnuta pomocí údajů CYGNSS na mnoha místech v kontinentálních USA a bylo zjištěno, že je v těsné shodě s nezávislými měřeními prováděnými pozemními senzory a jiným satelitem.[39][40] Numerické datové soubory měření půdní vlhkosti jsou k dispozici na [3]. Byla také prokázána schopnost pozemních dat CYGNSS detekovat a mapovat rozsah povodňové záplavy pod hustými lesními korunami[41] a tato schopnost byla použita k vytvoření časosběrných obrazů povodní v Houstonu a jeho okolí po přistání hurikánů Maria a Irmy.[42]

Viz také

Reference

  1. ^ A b "CYGNSS Press Kit" (PDF). NASA. 16. prosince 2016. Archivovány od originál (PDF) 8. května 2018. Citováno 17. dubna 2017.
  2. ^ A b Graham, William (15. prosince 2016). „Pegasus spouští konstelaci CYGNSS po vydání Stargazeru“. NASA Spaceflight. Citováno 17. dubna 2017.
  3. ^ „Satelitní konstelace CYGNSS NASA vstupuje do fáze vědeckých operací“. NASA. 31. března 2017. Citováno 16. dubna 2017.
  4. ^ A b Clark, Stephen (15. prosince 2016). "Hejno" mikroskopů "vypuštěno k měření větru uvnitř hurikánů". Vesmírný let teď. Citováno 16. dubna 2017.
  5. ^ „CYGNSS - Orbit“. Nebesa nad. 15. dubna 2017.
  6. ^ „UM povede satelitní projekt NASA za 152 mil. USD“. Associated Press. 19. června 2012. Citováno 22. června 2012.
  7. ^ A b Clark, Stephen (21. června 2012). „NASA financuje satelitní misi na měření hurikánových větrů“. SpaceflightNow. Citováno 22. června 2012.
  8. ^ A b „NASA vybírá nízkonákladový, vysoce vědecký systém rizikového vesmíru Země“. NASA. 18. června 2012. Citováno 24. června 2012.
  9. ^ „UM povede projekt predikce hurikánů NASA v hodnotě 150 mil. USD“. Michiganská univerzita. 19. června 2012. Citováno 14. listopadu 2016.
  10. ^ Aldridge, James (21. června 2012). „NASA využívá SWRI na výzkumné úsilí při mapování hurikánů“. San Antonio Business Journal. Citováno 22. června 2012.
  11. ^ A b C d E F „Informační přehled CYGNSS, říjen 2014“. Archivováno 4. srpna 2016 na adrese Wayback Machine Michiganská univerzita. Citováno: 27. září 2015.
  12. ^ A b „Mise CYGNSS“. Michiganská univerzita. Citováno 11. února 2016.
  13. ^ Kozlowski, Kim (22. června 2012). „University of Michigan, NASA team up for hurricane satellite project“. The Detroit News. Citováno 22. června 2012.[trvalý mrtvý odkaz ]
  14. ^ "'Týmy povzbuzují nasazení observatoří CYGNSS B a D '| CYGNSS Hurricane Mission “. blogs.nasa.gov. Citováno 15. prosince 2016.
  15. ^ A b C „CYGNSS.“ Archivováno 15. března 2013, v Wayback Machine Michiganská univerzita. Citováno: 15. srpna 2015
  16. ^ A b C d Ruf, Christopher S .; Atlas, Robert; Chang, Paul S .; Clarizia, Maria Paola; Garrison, James L .; Gleason, Scott; Katzberg, Stephen J .; Jelenak, Zorana; Johnson, Joel T. (26. června 2015). „Satelitní mise New Ocean Winds na zkoumání hurikánů a tropické proudění“. Bulletin of the American Meteorological Society. 97 (3): 385–395. Bibcode:2016 BAMS ... 97..385R. doi:10.1175 / BAMS-D-14-00218.1. ISSN  0003-0007. S2CID  10991111.
  17. ^ „Mise - CYGNSS“. NASA. 30. dubna 2013. Archivovány od originál 7. dubna 2014. Citováno 8. září 2013.
  18. ^ Leone, Dan (19. června 2012). „NASA bude financovat sledování větru Smallsat Constellation“. Vesmírné novinky. Citováno 22. června 2012.
  19. ^ "NASA Hurricane Science Satellites vyslané na oběžnou dráhu leteckou raketou Pegasus". Vesmírný let 101. 15. prosince 2016. Citováno 16. dubna 2017.
  20. ^ "'Valiant Troubleshoot in the Air '- CYGNSS Hurricane Mission ". blogs.nasa.gov. Citováno 12. prosince 2016.
  21. ^ Allen, Bob (15. prosince 2016). „První mikro-satelit CYGNSS je zdravý!“. NASA. Citováno 16. dubna 2017.
  22. ^ Atkinson, Joseph (15. prosince 2016). „Osm na osm! Všechny satelity kontaktovány!“. NASA. Citováno 16. dubna 2017.
  23. ^ Ruf, Chris (15. prosince 2016). „Zpráva od hlavního vyšetřovatele CYGNSS Chrisa Rufa“. NASA. Citováno 16. dubna 2017.
  24. ^ Killough, Ronnie; Scherrer, John; Rose, Randall; Brody, Antonina; Redfern, Jillian; Smith, Keith; Ruf, Christopher; Yee, Terrance (9. srpna 2017). „CYGNSS Launch and Early Ops: Parenting Octuplets“. Konference AIAA / USU o malých satelitech.
  25. ^ Bussy-Virat, C. D .; Ruf, C. S .; Ridley, A. J. (2018). „Vztah mezi dočasným a prostorovým řešením pro konstelaci satelitů GNSS-R“. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 12: 16–25. doi:10.1109 / JSTARS.2018.2833426. ISSN  1939-1404.
  26. ^ Finley, T .; Rose, D. (2014). Astrodynamika 2013: Sborník konference AAS / AIAA Astrodynamika specialistů, která se konala 11. – 15. Srpna 2013, Hilton Head, Jižní Karolína, USA. 150. Americký institut pro letectví a astronautiku. str. 1397–1411. ISBN  978-087703605-0.
  27. ^ A b Ruf, Christopher; Ridley, Aaron; Nave, Kyle; Morris, Mary G .; Lang, Timothy; Chew, Clara; Balasubramaniam, Rajeswari (8. června 2018). „Nové paradigma v monitorování životního prostředí na Zemi s malou družicovou konstelací CYGNSS“. Vědecké zprávy. 8 (1): 8782. Bibcode:2018NatSR ... 8.8782R. doi:10.1038 / s41598-018-27127-4. ISSN  2045-2322. PMC  5993737. PMID  29884899.
  28. ^ Bussy-Virat, C. D .; Ridley, A. J .; Masher, A .; Nave, K .; Intelisano, M. (2018). "Posouzení operací manévru diferenciálního odporu v souhvězdí CYGNSS". IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 12: 7–15. doi:10.1109 / JSTARS.2018.2878158. ISSN  1939-1404.
  29. ^ Jones, W. Linwood; Schroeder, Lyle C .; Boggs, Dale H .; Bracalente, Emedio M .; Brown, Robert A .; Dome, George J .; Pierson, Willard J .; Wentz, Frank J. (1982). „Satelitní rozptyl SEASAT-A: Geofyzikální vyhodnocení dálkově snímaných vektorů větru nad oceánem“. Journal of Geophysical Research: Oceans. 87 (C5): 3297–3317. Bibcode:1982JGR .... 87,3297J. doi:10.1029 / JC087iC05p03297. ISSN  2156-2202.
  30. ^ Zavorotny, V.U .; Voronovich, A.G. (2000). „Rozptyl signálů GPS z oceánu pomocí aplikace pro dálkový průzkum větru“ (PDF). Transakce IEEE v oblasti geověd a dálkového průzkumu Země. 38 (2): 951–964. Bibcode:2000 ITGRS..38..951Z. doi:10.1109/36.841977. ISSN  0196-2892.
  31. ^ Ruf, C. S .; Gleason, S .; McKague, D. S. (2018). „Posouzení nejistoty získání rychlosti větru CYGNSS“ (PDF). IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 12: 87–97. doi:10.1109 / JSTARS.2018.2825948. ISSN  1939-1404.
  32. ^ „Notes from the Field - Flying into Hurricane Harvey“. earthobservatory.nasa.gov. 20. ledna 2019. Citováno 20. ledna 2019.
  33. ^ „Zápisky z pole - dvouleté výročí CYGNSS na oběžné dráze“. earthobservatory.nasa.gov. 20. ledna 2019. Citováno 20. ledna 2019.
  34. ^ Zhang, S .; Pu, Z. (2017). „Dopad povrchových rychlostí větru oceánu CYGNSS na numerické simulace hurikánu při pozorování simulačních experimentů systému“. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 34 (2): 375–383. Bibcode:2017JAtOT..34..375Z. doi:10.1175 / jtech-d-16-0144.1.
  35. ^ Annane, Bachir (2018). „Studie analýzy HWRF a dopadu předpovědi realisticky simulovaných pozorování CYGNSS asimilovaných jako skalární rychlosti větru a jako vektory větru VAM“. Měsíční přehled počasí. 146 (7): 2221–2236. Bibcode:2018MWRv..146.2221A. doi:10.1175 / mwr-d-17-0240.1.
  36. ^ Leidner, S. (2018). „Variační analýza simulovaných oceánských povrchových větrů z cyklonového globálního navigačního satelitního systému (CYGNSS) a vyhodnocení pomocí regionálního OSSE“. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 35 (8): 1571–1584. Bibcode:2018JAtOT..35.1571L. doi:10.1175 / jtech-d-17-0136.1.
  37. ^ Cui, Z., Z. Pu, C. Ruf, V. Tallapragada, 2019a: Impact of CYGNSS Data on Tropical Cyclone Analysis and Forecasts using the operating HWRF. 23. konference IOAS-ALOS, AMS Annual Mtg, 6. – 10. Ledna 2019, Phoenix, AZ.
  38. ^ Warnock, duben; Ruf, Chris; Morris, Mary (2017). Predikce bouřkových vln s cygnssovými větry. 2017 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). 2975–2978. doi:10.1109 / IGARSS.2017.8127624. ISBN  978-1-5090-4951-6.
  39. ^ Kim, Hyunglok; Lakshmi, Venkat (2018). „Využití pozorování Cyclone Global Navigation Satellite System (CyGNSS) for Estimation of Soil Moisture“. Dopisy o geofyzikálním výzkumu. 45 (16): 8272–8282. Bibcode:2018GeoRL..45,8272 tis. doi:10.1029 / 2018GL078923. ISSN  1944-8007. S2CID  53379291.
  40. ^ Chew, C. C .; Malý, E. E. (5. května 2018). "Snímání půdní vlhkosti pomocí kosmických odrazů GNSS: Porovnání odrazivosti CYGNSS s půdní vlhkostí SMAP". Dopisy o geofyzikálním výzkumu. 45 (9): 4049–4057. Bibcode:2018GeoRL..45.4049C. doi:10.1029 / 2018gl077905. ISSN  0094-8276. S2CID  134962064.
  41. ^ Jensen, Katherine; McDonald, Kyle; Podest, Erika; Rodriguez-Alvarez, Nereida; Horna, Viviana; Steiner, Nicholas (7. září 2018). „Posouzení L-pásma GNSS-reflektometrie a zobrazovacího radaru pro detekci dynamiky zaplavení subkanály v komplexu tropických mokřadů“. Dálkový průzkum Země. 10 (9): 1431. Bibcode:REMS 2018 ... 10.1431J. doi:10,3390 / rs10091431. ISSN  2072-4292.
  42. ^ Chew, Clara; Reager, John T .; Malá, Erica (19. června 2018). „Záplava datové mapy CYGNSS během sezóny Atlantického hurikánu 2017“. Vědecké zprávy. 8 (1): 9336. Bibcode:2018NatSR ... 8.9336C. doi:10.1038 / s41598-018-27673-x. ISSN  2045-2322. PMC  6008409. PMID  29921941.