サイクロン全地球航法衛星システム

サイクロン全球航法衛星システム（CYGNSS ）は、ミシガン大学とサウスウエスト研究所が開発した宇宙ベースのシステムであり、嵐の中心付近における海と大気の相互作用をより深く理解することで、ハリケーン予報の精度向上を目指している。

2012年6月、NASAはミシガン大学が開発を主導するこのプロジェクトに1億5200万ドルを拠出した。 ^{[ 6 ] [ 7 ]} CYGNSSの開発には、サウスウエスト研究所、シエラネバダ社、サリーサテライトテクノロジー社も参加している。^{[ 8 ]}

計画では、8 機のマイクロ衛星を単一の打ち上げロケット^{[ 9 ]}で同時に打ち上げ、高度500 km の低地球軌道^{[ 7 ] [ 10 ]}に投入することになっていた。 ^{[ 11 ]} 2016 年 12 月 12 日に打ち上げ、その後 2 つのハリケーン シーズンを観測する予定だった。^{[ 12 ] [ 13 ]}打ち上げ機のポンプの問題により最初の打ち上げはできなかったが、2016 年 12 月 15 日に 2 回目の打ち上げが成功した。2022 年に、衛星の 1 つである FM06 が突然運用を停止した。^{[ 14 ]} 

1990 年以降、熱帯低気圧の進路予測は50% ほど改善されましたが、同時期にこれらの嵐の強度予測はそれに応じて改善されていません。熱帯低気圧の中心核をよりよく理解することで、より良い予測が可能になりますが、現在のセンサーは、中心核を囲む雨帯による遮蔽とサンプリングの頻度の低さのために、中心核に関する十分な質のデータを収集することができません。強度予測に使用されるモデルを改善するには、より質の高いデータが必要です。^{[ 15 ] [ 16 ]}

CYGNSSは、主にGPSなどの全地球航法衛星システム（GNSS）信号に基づくバイスタティック散乱測定技術を使用して、海洋表面の風速場を測定します。^{[ 15 ] [ 16 ]}各衛星は、直接GPS信号と地球表面からの反射信号の両方を受信します。直接信号はマイクロサテライトの位置を特定し、タイミング基準を提供しますが、反射または「散乱」信号は海面の状態に関する情報を提供します。海面粗度は風速に対応します。^{[ 11 ]} 8つの小型衛星のネットワークを使用することで、頻繁な観測が可能になります。平均再訪時間は7時間と予測されています。^{[ 15 ] [ 16 ]} 8つのマイクロサテライトは35°の傾斜で軌道を周回し、それぞれが4つの同時反射を測定できるため、地球全体で毎秒32の風速測定が可能になります。^{[ 11 ]}

CYGNSSは、NASAの地球科学システムパスファインダープログラムの一部であるNASAの地球ベンチャー級宇宙ミッションの最初のものです。^{[ 8 ]}以前のEV選定は、5つの航空機リモートセンシングミッションに分割されていました。2年間のミッションは、2016年11月^{[ 17 ]}と2016年12月12日から延期された後、2016年12月15日に打ち上げられました。^{[ 12 ] [ 18 ]}

CYGNSSの科学目標は、熱帯低気圧の中心核における海洋表面特性、湿潤大気熱力学、放射、対流力学の間の結合を理解することです。^{[ 11 ]}この目標を達成するために、システムは眼壁で経験されるものを含むすべての降水条件下での海洋表面風速を測定します。このミッションでは、発生と急速な強化を解明するのに十分な頻度で嵐の中心核の海洋表面風速も測定します。二次目標として、このプロジェクトは海洋表面風速データ製品を作成および提供することにより、運用中のハリケーン予報コミュニティを支援します。^{[ 11 ]}

各CYGNSS衛星には、以下の構成要素からなる遅延ドップラーマッピング装置（DDMI）が搭載されています。

• 遅延マッピング受信機（DMR）
• 2つの天底方向アンテナ
• 天頂方向を向いたアンテナ1基

この装置は、バイスタティック散乱測定のために、海面によって散乱されたGPS信号を受信する。^{[ 11 ]}

CYGNSSミッションは、2016年12月15日13時37分21秒（UTC）に、ペガサスXL空中発射ロケット 1基から打ち上げられました。ロケットは、フロリダ州ケープカナベラル沖201キロメートル（125マイル）の位置から、オービタルATKのスターゲイザーというカスタマイズされたロッキードL-1011航空機から展開されました。 ^{[ 3 ] [ 19 ]} 12月12日の打ち上げ試みは、ペガサスロケットを母機から分離する油圧システムに問題があったため中止されました。[ ^{20 ]打ち上げ}後、8つのマイクロサットは、ペガサス第3段に取り付けられた展開モジュールによって、13時50分（UTC）から13時52分（UTC）まで軌道上に放出されました。最初のマイクロサットとの無線交信は16時42分（UTC）に成功しました。^{[ 21 ]} 8番目のマイクロサットはUTC20:30に正常に通信できた。^{[ 22 ]} 12月15日の終わりまでに、8つのマイクロサットすべてが太陽電池アレイを展開し、バッテリーが安全な状態で充電され、太陽を向いており、エンジニアリングコミッショニングを開始する準備が整った。^{[ 23 ]}     

初期のミッション運用では、衛星のエンジニアリングコミッショニング^{[ 24 ]}と衛星間の間隔の調整に重点が置かれました。衛星間の相対的な間隔は、望ましい空間的および時間的サンプリングを実現するために重要です。^{[ 25 ]}衛星間の間隔は、宇宙機の姿勢を調整することによって制御され、その結果、衛星間の大気抵抗の差が生じます。この技術は、差動抵抗と呼ばれます。抵抗が増加すると、衛星の高度が低下し、軌道速度が増加します。^{[ 26 ]}宇宙機間の距離は、それらの相対速度の結果として変化します。これは、従来の能動推進を使用するのとは対照的に、衛星群間の間隔を管理する別の方法であり、コストが大幅に低くなります。これにより、同じ正味コストでより多くの衛星を製造できるため、熱帯低気圧などの短命な極端な気象現象をより頻繁にサンプリングできます。^{[ 16 ]} 軌道上運用開始後最初の 1 年半にわたって差動抗力操作が実施され、その結果、所望のサンプリング特性で測定を行うことができる十分に分散したコンステレーションが実現した。^{[ 27 ] [ 28 ]}

CYGNSSによる風速測定は、以前の宇宙搭載海洋風速計と同様の方法で行われ、表面付近の風応力によって引き起こされる表面粗度の変化を検出することによって行われます。^{[ 29 ] [ 30 ]}測定の精度は、他の風速計によるほぼ同時観測との比較によって決定されます。低～中程度の風速（20 m/s、45 mph、72 km/h未満）での比較は、NOAA全球データ同化システム数値再解析風速プロダクトに対して行われ、CYGNSSの風速の不確実性は1.4 m/s（3 mph、5 km/h）であることが示され、風速が高いほど不確実性が高くなります。^{[ 31 ]} 45 mphを超える場合、特に熱帯低気圧内で行われた測定については、CYGNSSによる衛星通過と連携してハリケーンに飛行したNOAA P-3ハリケーンハンター航空機の風速計によるほぼ同時観測との比較が行われます。^{[ 32 ]}比較結果から、CYGNSSの風速には11%の不確実性があることが示されています。^{[ 33 ]}風速が低い場合と同様に、不確実性は風速とともに増加します。CYGNSSの海洋風速測定値は現在、ハリケーンの数値予報モデル^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}および高潮モデル^{[ 38 ]}に組み込まれ、その性能向上を評価しています。最近および過去の海洋風速測定値の画像は、世界規模および個々の嵐を中心とした両方の形式で、以下から入手できます。       2019年1月21日にWayback Machineにアーカイブされました。海洋風速測定の数値データファイルは以下から入手できます。。

CYGNSSは海洋と陸上の両方で継続的に運用されており、陸上での測定値にも有用な情報が含まれています。測定値は地表の土壌水分量と内陸水域の存在および範囲に敏感です。^{[ 27 ]}米国本土の多数の地点でCYGNSSデータを使用して土壌水分量が推定されており、地上センサーおよび別の衛星による独立した測定値とよく一致することがわかっています。^{[ 39 ] [ 40 ]}土壌水分量の数値データファイルは以下から入手できます。CYGNSSの地上データを用いて密林の樹冠下の洪水浸水範囲を検出・マッピングする能力も実証されており^{[ 41 ]} 、この機能はハリケーン・ハービーとイルマがそれぞれ上陸した後のヒューストンとハバナ周辺の洪水のタイムラプス画像の作成に使用されている^{[ 42 ]}。

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