نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (سايكلون)

نظام الملاحة العالمي للأعاصير ( CYGNSS ) هو نظام فضائي طورته جامعة ميشيغان ومعهد ساوث ويست للأبحاث بهدف تحسين التنبؤ بالأعاصير من خلال فهم أفضل للتفاعلات بين البحر والهواء بالقرب من مركز العاصفة.

في يونيو 2012، رعت وكالة ناسا المشروع بمبلغ 152 مليون دولار، وقادت جامعة ميشيغان عملية تطويره. ^{[ 6 ] [ 7 ]} ومن بين المشاركين الآخرين في تطوير نظام CYGNSS: معهد ساوث ويست للأبحاث ، وشركة سييرا نيفادا ، وشركة ساري لتكنولوجيا الأقمار الصناعية . ^{[ 8 ]}

كانت الخطة بناء كوكبة من ثمانية أقمار صناعية صغيرة تُطلق في وقت واحد بواسطة مركبة إطلاق واحدة ^{[ 9 ]} إلى مدار أرضي منخفض ، ^{[ 7 ] [ 10 ]}  على ارتفاع 500 كيلومتر. ^{[ 11 ]} كان من المقرر إطلاق البرنامج في 12 ديسمبر 2016، ثم رصد موسمين من الأعاصير. ^{[ 12 ] [ 13 ]} حالت مشاكل في مضخة على متن طائرة الإطلاق دون إتمام عملية الإطلاق الأولى، ولكن جرت محاولة إطلاق ثانية بنجاح في 15 ديسمبر 2016. في عام 2022، توقف أحد الأقمار الصناعية، FM06، عن العمل فجأة. ^{[ 14 ]}

شهدت التنبؤات بمسارات الأعاصير المدارية منذ عام 1990 تحسناً بنسبة 50% تقريباً؛ إلا أنه خلال الفترة نفسها، لم يطرأ تحسن مماثل على التنبؤ بشدة هذه العواصف. ويمكن أن يؤدي فهم أفضل للمركز الداخلي للعواصف المدارية إلى تنبؤات أدق؛ إلا أن أجهزة الاستشعار الحالية عاجزة عن جمع بيانات كافية الجودة عن هذا المركز بسبب حجبها بواسطة نطاقات الأمطار المحيطة به، فضلاً عن قلة عمليات أخذ العينات. ولتحسين النماذج المستخدمة في التنبؤ بشدة العواصف، يلزم توفير بيانات أفضل. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

سيقيس مشروع CYGNSS حقل الرياح على سطح المحيط باستخدام تقنية قياس التشتت ثنائي الاستاتيكية، المعتمدة على إشارات أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSS)، وتحديدًا نظام تحديد المواقع العالمي ( GPS ) . ^{[ 15 ] [ 16 ]} يستقبل كل قمر صناعي إشارات GPS مباشرة، بالإضافة إلى إشارات منعكسة من سطح الأرض؛ تُحدد الإشارات المباشرة موقع القمر الصناعي الصغير وتوفر مرجعًا زمنيًا، بينما توفر الإشارات المنعكسة أو "المشتتة" معلومات حول حالة سطح البحر. تتناسب خشونة سطح البحر مع سرعة الرياح. ^{[ 11 ]} يتيح استخدام شبكة من ثمانية أقمار صناعية صغيرة إجراء عمليات رصد متكررة: يُتوقع أن يكون متوسط ​​زمن إعادة الزيارة 7 ساعات. ^{[ 15 ] [ 16 ]} تدور الأقمار الصناعية الثمانية الصغيرة بزاوية ميل 35 درجة، وكل منها قادر على قياس 4 انعكاسات متزامنة، مما ينتج عنه 32 قياسًا للرياح في الثانية الواحدة على مستوى العالم. ^{[ 11 ]}

تُعدّ مهمة CYGNSS أولى مهمات ناسا الفضائية من فئة Earth Venture، وهي جزء من برنامج Earth Science System Pathfinder التابع لناسا؛ ^{[ 8 ]} وقد تم توزيع اختيارات EV السابقة على خمس مهمات استشعار عن بُعد محمولة جوًا . انطلقت المهمة التي تستغرق عامين في 15 ديسمبر 2016، بعد تأجيلها من نوفمبر 2016، ^{[ 17 ]} و12 ديسمبر 2016. ^{[ 12 ] [ 18 ]}

يهدف مشروع CYGNSS العلمي إلى فهم العلاقة بين خصائص سطح المحيط، والديناميكا الحرارية للغلاف الجوي الرطب، والإشعاع، وديناميات الحمل الحراري في النواة الداخلية للإعصار المداري. ^{[ 11 ]} ولتحقيق هذا الهدف، سيقيس النظام سرعة الرياح على سطح المحيط في جميع ظروف هطول الأمطار، بما في ذلك تلك التي تحدث في جدار عين الإعصار . كما ستقيس المهمة سرعة الرياح على سطح المحيط في النواة الداخلية للعاصفة بتردد كافٍ لتحديد نشأة الإعصار وتطوره السريع. وكهدف ثانوي، سيدعم المشروع مجتمع التنبؤات التشغيلية للأعاصير من خلال إنتاج وتوفير بيانات سرعة الرياح على سطح المحيط. ^{[ 11 ]}

يحمل كل قمر صناعي من أقمار نظام CYGNSS جهاز رسم خرائط دوبلر المتأخر (DDMI)، ويتكون من:

• جهاز استقبال لتعيين التأخير (DMR)
• هوائيان موجهان نحو النظير
• هوائي واحد موجه نحو سمت الرأس

يستقبل الجهاز إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المتناثرة من سطح المحيط لأغراض قياس التشتت ثنائي الاستاتيكية . ^{[ 11 ]}

أُطلقت مهمة CYGNSS في 15 ديسمبر/كانون الأول 2016، الساعة 13:37:21  بالتوقيت العالمي المنسق، بواسطة صاروخ بيغاسوس XL جو-جو. وتم إطلاق الصاروخ من طائرة لوكهيد L-1011 مُعدّلة، تحمل اسم "ستارغيزر" التابعة لشركة أوربيتال إيه تي كيه ، من موقع يبعد 201 كيلومترًا (125 ميلًا) عن ساحل كيب كانافيرال، فلوريدا . ^{[ 3 ] [ 19 ]} وقد أُجهضت محاولة إطلاق في 12 ديسمبر/كانون الأول بسبب مشاكل في النظام الهيدروليكي الذي يفصل صاروخ بيغاسوس عن الطائرة الحاملة. ^{[ 20 ]} بعد الإطلاق، وُضعت الأقمار الصناعية الثمانية الصغيرة في مداراتها بدءًا من الساعة 13:50 بالتوقيت العالمي المنسق وحتى الساعة 13:52 بالتوقيت العالمي المنسق، بواسطة وحدة إطلاق مُلحقة بالمرحلة الثالثة من صاروخ بيغاسوس. وتمّ بنجاح الاتصال اللاسلكي مع أول قمر صناعي صغير في الساعة 16:42 بالتوقيت العالمي المنسق. ^{[ 21 ]} تم الاتصال بنجاح بالقمر الصناعي الصغير الثامن في تمام الساعة 20:30 بالتوقيت العالمي المنسق. ^{[ 22 ]} بحلول نهاية يوم 15 ديسمبر، كانت جميع الأقمار الصناعية الصغيرة الثمانية قد نشرت ألواحها الشمسية، وتم توجيهها نحو الشمس، وكانت بطارياتها قيد الشحن في حالة آمنة، وجاهزة لبدء التشغيل الهندسي. ^{[ 23 ]}     

ركزت العمليات التشغيلية المبكرة للمهمة على التشغيل الهندسي للأقمار الصناعية ^{[ 24 ]} وتعديل المسافة بينها. تُعد المسافة النسبية بينها مهمة لتحقيق أخذ العينات المكانية والزمانية المطلوبة. ^{[ 25 ]} يتم التحكم في المسافة بين الأقمار الصناعية عن طريق تعديل اتجاه المركبات الفضائية، وبالتالي، تغيير فرق مقاومة الهواء بينها. تُعرف هذه التقنية باسم مقاومة الهواء التفاضلية. يؤدي ازدياد مقاومة الهواء إلى خفض ارتفاع القمر الصناعي وزيادة سرعته المدارية. ^{[ 26 ]} تتغير المسافة بين المركبات الفضائية نتيجة لتغير سرعاتها النسبية. هذه طريقة بديلة لإدارة المسافة بين مجموعة من الأقمار الصناعية، بدلاً من استخدام الدفع النشط التقليدي، وهي أقل تكلفة بكثير. تسمح هذه الطريقة ببناء عدد أكبر من الأقمار الصناعية بنفس التكلفة الإجمالية، مما يؤدي إلى أخذ عينات أكثر تكرارًا من الظواهر الجوية المتطرفة قصيرة الأجل مثل الأعاصير المدارية. ^{[ 16 ]} أُجريت مناورات السحب التفاضلي طوال السنة والنصف الأولى من العمليات المدارية، وأسفرت عن كوكبة موزعة بشكل جيد قادرة على إجراء قياسات بخصائص أخذ العينات المطلوبة. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

تُجرى قياسات سرعة الرياح بواسطة نظام CYGNSS بطريقة مماثلة لرادارات استشعار الرياح البحرية الفضائية السابقة، وذلك عن طريق رصد التغيرات في خشونة السطح الناتجة عن إجهاد الرياح القريب من السطح. ^{[ 29 ] [ 30 ]} وتُحدد جودة القياسات بمقارنتها برصدات متزامنة تقريبًا من أجهزة استشعار رياح أخرى. تُجرى المقارنات عند سرعات رياح منخفضة إلى متوسطة (أقل من 20 م/ث، 45 ميل/س، 72 كم/س ) مع منتج إعادة تحليل الرياح العددي لنظام استيعاب البيانات العالمي التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)، وتشير إلى هامش خطأ في رياح CYGNSS يبلغ 1.4 م/ث (3 ميل/س؛ 5 كم/س) ، مع هامش خطأ أعلى عند سرعات الرياح العالية. ^{[ 31 ]} عند سرعات رياح تتجاوز 45 ميلاً في الساعة، وخاصةً عند القياسات التي تُجرى داخل الأعاصير المدارية، تُجرى مقارنات مع رصدات متزامنة تقريبًا بواسطة أجهزة استشعار الرياح على متن طائرات NOAA P-3 المخصصة لرصد الأعاصير، والتي حلّقت داخل الأعاصير بالتنسيق مع مرور الأقمار الصناعية التابعة لنظام CYGNSS. ^{[ 32 ]} تشير المقارنات إلى وجود هامش خطأ في رياح CYGNSS بنسبة 11%. ^{[ 33 ]} وكما هو الحال عند سرعات الرياح المنخفضة، يزداد هامش الخطأ مع زيادة سرعة الرياح. تُدمج حاليًا قياسات سرعة رياح المحيط من CYGNSS في نماذج التنبؤ العددي للأعاصير ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} ونماذج ارتفاع مستوى سطح البحر الناتج عن العواصف ^{[ 38 ]} لتقييم التحسن في أدائها. تتوفر صور لقياسات رياح المحيط الحديثة والأرشيفية، على المستويين العالمي والمتعلق بعواصف محددة، على الموقع الإلكتروني التالي:       أُرشف بتاريخ ٢١ يناير ٢٠١٩ في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine ). تتوفر ملفات البيانات الرقمية لقياسات سرعة الرياح في المحيط على الموقع الإلكتروني التالي:.

يعمل نظام CYGNSS بشكل مستمر فوق المحيطات واليابسة، وتحتوي قياسات اليابسة أيضًا على معلومات مفيدة. وتتأثر هذه القياسات برطوبة التربة السطحية ووجود المسطحات المائية الداخلية وامتدادها. ^{[ 27 ]} وقد تم تقدير رطوبة التربة باستخدام بيانات CYGNSS في مواقع عديدة في الولايات المتحدة القارية، ووجد أنها تتوافق بشكل كبير مع القياسات المستقلة التي أجرتها أجهزة استشعار أرضية وقمر صناعي آخر. ^{[ 39 ] [ 40 ]} تتوفر ملفات البيانات الرقمية لقياسات رطوبة التربة على الموقع الإلكتروني التالي:كما تم إثبات قدرة بيانات CYGNSS الأرضية على رصد وتحديد مدى غمر الفيضانات تحت مظلات الغابات الكثيفة ^{[ 41 ]} ، وقد استُخدمت هذه القدرة لإنتاج صور متتابعة زمنياً للفيضانات في وحول هيوستن وهافانا بعد وصول إعصاري هارفي وإيرما إلى اليابسة على التوالي. ^{[ 42 ]}

• التنبؤ بالأعاصير المدارية
• مقياس الأعاصير المدارية