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。

八个公文包大小的卫星连续飞行可能是提高飓风风速预报的关键——检测它是1级还是5级登陆。

美国国家航空航天局(NASA)于2016年发射的全球气旋导航卫星系统(CYGNSS)舰队,旨在展示手机用于导航的GPS信号是否可以用于测量飓风或台风的深度。答案似乎是肯定的。

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。

“CYGNSS”的首席研究员、密歇根大学安娜堡分校的克里斯托弗·鲁夫解释说:“要预测强度,你必须在风暴中间测量风速。在“CYGNSS”之前,除了飞行飓风搜寻飞机之外,没有其他方法可以做到这一点。”

事实证明,新天鹅座卫星的数据与2017年玛丽亚、厄玛和何塞飓风期间同期收集的飓风猎手数据非常匹配。八颗小卫星——每颗卫星之间的间隔只有12分钟——收集到的关于每一场风暴的数据比飓风猎手飞行收集到的数据还要多。

如何看透雨和云

为了了解大气中有什么,许多地球观测卫星发出的电磁信号的波长只有不到一英寸长。对这些短波信号来说,一滴毛毛雨、一点灰尘或任何其他空气中的粒子都是不可逾越的障碍。尽管波长比这些小粒子长,但它们的大小足够近,信号会被粒子反弹,就像台球与另一个球碰撞一样。通过“阅读”这些分散的信号,研究人员可以辨别出信号遇到的云和其他障碍物的形状和位置。

换句话说,短波长可以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

自发射以来,CYGNSS的8颗小型卫星运行良好,但该任务的科学家们在将GPS信号转化为风速数据的过程中遇到了一个主要障碍。在设计这项任务时,科学家们假定GPS信号以恒定的强度广播。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一个轨道上都会发生变化,而且变化的程度也因卫星而异。这些变化使CYGNSS卫星对大风的测量数据偏离了11英里每小时(18公里每小时)。

“我们花了一年多的时间研究这个问题,最后终于弄明白了,”鲁夫说。“基本上,当空军经过坏人试图干扰信号的特定地区时,他们会加大电源。”更强的信号更难被干扰。

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惊讶的是,CYGNSS已经被证明有一个意想不到的应用。“CYGNSS”团队原本计划在卫星飞越陆地时定期关闭接收器,但他们决定简化操作,让卫星一直收集数据。美国宇航局喷气推进实验室(位于加州帕萨迪纳市)的两名博士后学生决定查看来自陆地的数据。“这真的很幸运,但事实证明,你可以利用土地数据进行各种各样的科学研究,来测量土壤湿度和洪水,”鲁夫说。

作为前学生,Clara Chew(科罗拉多博尔德大气研究大学公司)和Hugo carino - luengo(西班牙巴塞罗那),已经记录了数据的价值,NASA现在正式扩大了任务的范围,并邀请科学团队重新定义任务的目的。当八颗CYGNSS小卫星持续监视热带风暴中隐藏的风时,可能还有其他的应用有待发现。

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