NASA Smallsats可以用GPS帮助飓风预测

©NASA.

其中一个八个cygnss卫星的例证在飓风上的轨道上。

8颗公文包大小的卫星连续飞行可能是提高飓风风速预测的关键——可以检测飓风是会以1级还是5级登陆。

NASA的Cyclone全球导航卫星系统(Cygnss)舰队于2016年推出,旨在展示您的手机用于导航的相同的GPS信号,可用于测量飓风或台风内深处的风。答案似乎是一个响应的是的。

天气预报模型在预测飓风或台风的未来轨道时已经变得更好,但它们尚未改善预测其最大风速,科学家称之为强度。那是因为这些热带巨人被外部力量所引导,例如区域风,但它们的强度取决于每种风暴内的力量。虽然许多卫星可以看到外部风,但他们看不到飓风的厚厚的云和雨水。

位于安阿伯的密歇根大学的CYGNSS首席研究员克里斯托弗·鲁夫解释说:“要预测强度,你必须在风暴中心测量风速,而在CYGNSS之前,除了驾驶飓风亨特号飞机之外,没有其他方法可以做到。”

CYGNSS的新数据被证明与2017年玛丽亚、厄玛和何塞飓风期间同时收集的飓风猎人数据非常匹配。八颗小卫星——每颗卫星之间只有12分钟的轨道间隔——在每次风暴中收集的数据比“飓风猎人”(Hurricane Hunter)飞行中收集的数据还要多。

如何通过雨和云看

为了了解大气中有什么,许多地球观测卫星发送的电磁信号波长仅为一英寸的几分之一。对这些短波信号来说,一滴毛毛雨、一粒灰尘或任何其他空气中的粒子都是无法穿透的障碍。尽管它们的波长比这些微小的粒子长,但它们的大小足够接近,信号可以从粒子反射回来,就像一个台球与另一个球相撞一样。通过“阅读”这些分散的信号,研究人员可以识别云的形状和位置,以及信号遇到的其他障碍。

换句话说,短波能让研究人员看到风暴,但不能看穿它。

另一方面,Cygnss使用GPS信号。它们的波长为7.5英寸(19厘米)长,远远超过短波长的大多数卫星仪器使用或任何雨滴的雨滴。在那个波长,ruf说:“你根本没有看到雨滴。你只是通过它走吧。”这使得Cygnss能够通过飓风来看待海面上的风。

由美国空军运营的GPS卫星,比Cygnss舰队更高的轨道。由于GPS卫星在热带旋风上苍蝇,信号通过风暴畅通无阻,并从海面反弹。在其下轨道中,Cygnss的向下寻找的GPS接收器能够拦截向上返回的信号。这些反弹信号中的扭曲显示了海洋的粗糙,使研究人员能够计算导致粗糙度的风速。

将信号转换为测量

CYGNSS的八颗小卫星自发射以来工作良好,但任务中的科学家在将GPS信号转换为风速数据的过程中遇到了一个重大障碍。在设计这项任务时,科学家们假设GPS信号是以恒定的强度传播的。但当科学家们开始收集数据时,他们发现大多数GPS卫星的信号功率在每次轨道运行期间都会发生变化,而且变化的程度也因卫星而不同。这些变化与CYGNSS卫星测量的风速相差11英里每小时(18公里每小时)。

鲁夫说:“我们花了一年多的时间来解决这个问题,最终我们把它弄明白了。”“基本上,当空军飞过世界上某些地方,当坏人试图干扰信号时,他们就会打开电源。”信号越强,就越难以干扰。

一旦Cygnss团队了解这个问题,他们发现了一个解决方法。每个Cygnss卫星不仅承载主要GPS接收器,以收集从地球表面撞击的信号,而且还为位置和跟踪的次级较小接收器收集。该团队重新编程了较小的接收器来测量从开销到达的广播信号的强度,这给了他们所需的信息,以便正确处理从下面返回的信号。

通过解决这个问题,研究人员可以转向评估Cygnss数据如何影响飓风预测的任务。

通过对国家海洋和大气管理局(NOAA)用于预测的相同飓风模型的研究版,科学家们向2017年第两年的哈维和IRMA的显着风暴的重建中增加了CYGNS数据。CyGNSS数据的增加产生了更现实的预测,而不仅仅是暴风雨的强度,而且产生了轨道和结构。其他研究表明了不同风暴预测的类似改善。

一个意想不到的水利奖金

令Ruf吃惊的是,CYGNSS已经被证明有一个不可预见的应用。CYGNSS团队原本计划在卫星飞越陆地时定期关闭接收器,但他们决定通过让卫星一直收集数据来简化操作。美国宇航局喷气推进实验室(位于加州帕萨迪纳)的两名博士后学生决定研究来自陆地的数据。鲁夫说:“这是非常幸运的,但事实证明,你可以利用土地数据来测量土壤湿度和洪水。”

作为前学生,Clara Chew(大学公司在博尔德,科罗拉多州)和Hugo Carreno-Luengo(西班牙巴塞罗那),已经记录了数据的价值,NASA现在正式延长了使命的范围并邀请了科学团队重新定义任务目的。可能还有其他申请等待被发现为八个小型Cygnss卫星在热带风暴中继续观察隐藏的风。

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