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GNSS深化应用实例:海平面测量,还有…

添加时间:2020-09-30 来源:斗室智库 作者:曹冲
  为了获得对地球大气的最佳测量,有时必须离开地球。今年11月,“前哨-6号”迈克尔·弗赖里奇(Sentinel-6 Michael Freilich)太空船将做到这一点。前哨-6不仅仅用于海平面高精度测量,还将GNSS-RO(无线电掩星技术)用于天气和气候监测。
  喷气推进实验室的消息。当名为“前哨-6号”迈克尔·弗赖里奇的卫星于今年11月发射时,其主要重点将是以极高的精度监测海平面的上升。但是,航天器上的仪器还将提供大气数据,从而改善天气预报、跟踪飓风并加强气候模型。“我们使用Sentinel-6的基本目标是测量海洋,但我们能增加的价值越多,越好。”位于南加州的NASA喷气推进实验室的项目任务科学家乔希·威利斯说。“我们并不是每天都发射一颗卫星,因此收集有关我们的海洋和大气层的更有用的数据会带来好处。”Sentinel-6迈克尔·弗里利希(Michael Freilich)是美国和欧洲的合作伙伴,是构成哥白尼Sentinel-6 / Jason-CS(服务连续性)任务的两颗卫星之一。该卫星的双胞胎Sentinel-6B将于2025年发射,以接替其前身。该航天器将一起加入TOPEX / Poseidon和Jason系列卫星,这些卫星已经收集了近三十年的精准海平面测量值。进入轨道后,每颗Sentinel-6卫星将收集全球90%的海洋直至厘米级精度的海平面测量值。
  Sentinel-6 Michael Freilich航天器于2019年在其德国Friedrichshafen的制造商空中客车公司接受测试。白色GNSS-RO仪器可见于航天器正面的左上方。(照片:空中客车公司)
  喷气推进实验室(JPL)开发的仪器。测量海平面的同时,他们还将通过GNSS-RO深入到地球大气层,以收集高度准确的全球温度和湿度信息。该航天器的GNSS-RO仪器由JPL开发,可跟踪来自导航卫星的无线电信号,以测量地球大气层的物理特性。当无线电信号通过大气层时,它会变慢,频率会发生变化,并且路径会弯曲。这种效应称为折射,科学家可以用来测量大气物理特性(例如密度,温度和湿度)的微小变化。Sentinel-6 Michael Freilich进行的精确全球大气测量将补充已经在太空中的其他GNSS-RO仪器进行的大气观测结果。具体来说,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的国家气象局气象学家将利用Sentinel 6的GNSS-RO的见解来改善天气预报。
  此外,GNSS-RO信息还将提供长期数据,可用于监视我们的大气如何变化以及完善用于预测未来气候的模型。该任务的数据将有助于跟踪飓风的形成和支持模型,以预测风暴的传播方向。我们收集的关于飓风形成的数据越多(风暴可能在何处降落),在帮助当地减轻灾害和支持疏散计划方面就越有帮助。
  无线电掩星的简史。1965年,航天器飞越火星时,美国国家航空航天局的水手4号任务首次使用了无线电掩星技术。从我们的角度来看,当它从红色星球后面经过时,地球上的科学家们发现它们穿过大气层时,其无线电传输出现了轻微的延迟。通过测量这些无线电信号的延迟,他们能够对火星大气层进行首次测量,并发现它与地球的厚度相比有多薄。到1980年代,科学家已开始测量来自绕地球运行的导航卫星的无线电信号的微小延迟,以更好地了解我们的地球大气层。从那以后,许多无线电掩星仪被发射了。 Sentinel-6 Michael Freilich将加入六颗COSMIC-2卫星,成为其中最先进的GNSS-RO仪器。“ Sentinel-6仪器本质上与COSMIC-2相同。与其他无线电掩星仪相比,它们具有更高的测量精度和更大的大气穿透深度。”日本宇航局GNSS-RO的科学家奇?奥(Chi Ao)说道。
  GNSS-RO基础。GNSS-RO仪器的接收器可在导航卫星无线电信号下降到地平线以下或从地平线上升时对其进行跟踪。他们可以从大气的垂直范围(从最上层到几乎一直到地面)通过厚厚的云层检测这些信号。这很重要,因为天气现象是从大气的所有层出现的,而不仅仅是从我们体验其影响的地球表面附近出现的。“可以通过仪器测量无线电信号的微小变化,这与大气密度有关,” 奥说。“然后我们可以通过大气层精确确定温度、压力和湿度,这使我们对地球的动态气候和天气有了不可思议的洞察力。”但是,从轨道上探测整个大气垂直剖面如此重要的另一个原因是:精度。气象学家通常从各种来源收集信息,从气象气球到飞机上的仪器。但是有时候科学家需要补偿数据中的偏差。例如,飞机上温度计的空气温度读数可能会因飞机各部分散发出的热量而具有偏差。选中一个模板,出现的黑色方框标志着选中的范围
  GNSS-RO数据不同。该仪器在接近真空的最高层收集导航卫星信号。尽管每项科学测量都存在误差源,但在那个高度上,信号没有折射,这意味着存在几乎无偏差的基线,可以与大气基线进行比较,以最大程度地减少数据收集中的噪声。奥说,作为轨道上最先进的GNSS无线电掩星仪器之一,它还将成为太空中最精确的大气温度计之一。
  更多任务。哥白尼Sentinel-6 / Jason-CS由欧洲航天局(ESA)、欧洲气象卫星开发组织(EUMETSAT)、美国国家航空航天局(NASA)和美国国家海洋与大气管理局(NOAA)联合开发,并由欧洲委员会提供资金支持,还得到法国国家空间研究中心(CNES)的支持。将发射的第一颗Sentinel-6 / Jason-CS卫星是以美国国家航空航天局地球科学部的前主管迈克尔·弗赖里奇的名字命名的。它将跟随2016年发射的美国和欧洲最新的海平面观测卫星Jason-3,后者目前正在提供数据。
  NASA对Sentinel-6 / Jason-CS任务的贡献是为两枚Sentinel-6卫星中的每一种提供了三种科学仪器:先进微波辐射计、GNSS-RO和激光后向反射器阵列。NASA还提供发射服务,支持NASA科学仪器运行的地面系统,其中两种仪器的科学数据处理器以及对国际海洋表面地形科学团队的支持。
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