NASA科学家设计的新型天基气象仪器开始收集数据

导读：由美国宇航局（NASA）喷气推进实验室设计和制造的两个小型仪器于1月7日通电，并开始收集地球上的海洋风和大气水蒸气的数据--这是天气和海洋预报所需的关键信息。

在安装到国际空间站后，由美国宇航局（NASA）喷气推进实验室设计和制造的两个小型仪器于1月7日通电，并开始收集地球上的海洋风和大气水蒸气的数据--这是天气和海洋预报所需的关键信息。在两天内， 紧凑型海洋风矢量辐射计（COWVR）和风暴和热带系统时间实验（TEMPEST）仪器已经收集了足够的数据，开始制作地图。

COWVR和TEMPEST于2021年12月21日随着SpaceX为NASA执行的第24次商业再补给任务发射。这两个仪器都是微波辐射计，测量来自地球的自然微波辐射的变化。作为美国空军空间测试计划-休斯顿8（STP-H8）的一部分，这些仪器被设计用来证明它们可以收集与目前在轨运行的大型仪器质量相当的数据。

这张来自COWVR的新地图显示了来自地球的34千兆赫的微波发射通过空间站可见的所有纬度（北纬52度到南纬52度）。这个特殊的微波频率为天气预报员提供了关于海洋表面风的强度、云层中的水量和大气中的水汽量的信息。

地图上的绿色和白色表示较高的水蒸气和云层，而海洋上空的深蓝色表示较干燥的空气和晴空。该图像捕捉到了典型的天气模式，如热带的湿气和雨水（绿色“带子”延伸到地图中心）和中纬度风暴在海洋上移动。

设计COWVR仪器的JPL技术专家Shannon Brown说：“我们有一个伟大的开始。在任务初期就看到这种质量的数据，为今后非常令人激动的事情奠定了基础。”

COWVR是对一个经典仪器设计的完全重新思考，而TEMPEST则是仪器组件小型化的长期进展的产物。如果它们继续被证明是成功的，它们将打开一个新时代的大门，让低成本的卫星补充现有的气象卫星队。

仪器如何工作

辐射计需要一个可以旋转的天线，这样它们就可以观察到地球表面的大范围，而不仅仅是一条窄线。在所有其他的空间微波辐射计中，不仅是天线，而且辐射计本身和配套的电子装置每分钟旋转约30次。有这么多旋转部件的设计有很好的科学和工程原因，但是当有这么多移动的质量时，要保持航天器的稳定是一个挑战。此外，事实证明，在仪器的旋转和静止两端之间传递动力和数据的机制非常耗时且难以建造。

COWVR重约130磅（57.8公斤），其质量不到美国军方用于测量海洋风的微波辐射计的五分之一。它的质量中只有不到三分之一可以旋转。为了避免需要一个单独的机制，将动力和数据从旋转的部分转移到稳定的部分，Brown将所有必须旋转的部分安装在一个转盘上。

他和他的团队通过增加所需数据处理的复杂性来实现其他设计创新--换句话说，为硬件挑战找到软件解决方案。例如，该团队用一个产生已知偏振信号的噪声源取代了仪器中被称为"暖目标"的部分，用于校准辐射计的偏振测量。当校准完成后，这些已知的信号可以像数据传输中的任何其他噪声一样被移除。

COWVR的配套仪器，TEMPEST，是NASA数十年来在技术上投资的产物，以使太空中的电子设备更加紧凑。在2010年代中期，JPL的工程师Sharmila Padmanabhan思考了通过将一个紧凑的传感器包装在CubeSat中可以实现什么样的科学目标--CubeSat是一种非常小的卫星，通常用于廉价测试新的设计概念。“我们说，‘嘿，如果我们能够真正设法将一个传感器紧凑地封装在CubeSat内，我们就可以获得对云层、对流和降水的测量，’”Padmanabhan回忆说。这些测量将为研究人员提供更多关于风暴如何增长的信息。

Padmanabhan的设计从2018年到去年6月首次在太空中试运行。那颗被称为TEMPEST-D（"D"代表"演示"）的立方体卫星测量了大气中的水蒸气，并拍摄了许多重大飓风和风暴的图像。新部署的TEMPEST大约有一个大麦片盒那么大，重量不到3磅（1.3公斤），天线直径约6英寸（15厘米）。

天线的大小决定了TEMPEST只能最好地观测对水蒸气敏感的最短微波波长--是COWVR感应到的波长的1/10。较小的天线能更好地“匹配”短波长。COWVR和TEMPEST的综合数据提供了与用于天气观测的大型微波辐射计所提供的大部分相同的测量。这些仪器是由美国空军和海军资助的，但来自其他机构、大学和军事部门的用户也对此感兴趣。这些科学家已经在研究任务概念，利用新的低成本微波传感器技术来研究长期存在的问题，如海洋的热量如何助长全球天气模式。