空間地球科學及應用

國際空間站閃電成像儀(LIS)

時間:2017-06-17  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

一、         概述

任務

l國際空間站上配置太空閃電成像儀LISLightning Imaging Sensor),充分利用國際空間站獨特優勢(如高傾角、實時數據等)。

lLIS集成到DoD太空測試項目STP-H5 (Space Test Program-Houston 5)20166月搭載Space X火箭送往太空,任務期至少2年。

 

 

1 航天LIS備件

 

測量

lNASA及其合作伙伴共同開發了太空閃電觀測工具,并驗證了其功效和價值。

l閃電成像儀日夜不停監測所有閃電(數量、頻率、輻射能),具有風暴尺度分辨、毫秒計時、高效率等探測能力。

2 LIS日間探測非常重要(70%以上發生在日間);

2 LIS探測全部(云與地面)閃電(包括陸地與海洋)。

需求

l閃電與雷暴及相關地球物理過程定量耦合,涉及一系列多科學研究(如天氣、氣候、大氣化學、閃電物理)。

l國際空間站LIS將拓展熱帶測雨衛星(TRMM)的時序觀測、擴大緯度覆蓋范圍、提供實時數據,并進行儀器交叉校正。

二、         LIS基本結構

2 國際空間站LIS建立在20年在軌觀測的堅實基礎上;

2 LIS主要科學家、工程師及設備仍在支持這一任務。

傳感器單元(傳統硬件)

2 光學組件;

2 128*128 CCD焦平面;

2 閃電及背景探測。

電子單元(傳統硬件)

2 實時事件處理器、背景去除、數據格式化;

2 功率轉換與控制。

接口單元(新式硬件)

2 功率轉換、定時、控制;

2 國際空間站接口。

 

 

2 傳感器與接口

 

三、         STP-H5載荷集成LIS

  

3 載荷集成

 

2 LISSTP-H5裝載的13個儀器之一;

2 可以通過機械臂安裝在國際空間站外部桁架上。

1 LIS性能參數

名稱

參數值

名稱

參數值

視角FOV

80°X80°

測量精度

像素IFOV(nadir)

4km

位置

1像素

濾光片

 

強度

10%

波長

777.4nm

時間

幀速率標記tag

帶寬

1nm

尺寸

探測閾值

4.7 mJ/m2sr

傳感器單元

7.814.6in(2037cm)

信噪比

6

電子單元

12.28.710.6 in (312227cm)

CCD陣列大小

128x128

接口單元

9.82.413.8 in (25635cm)

動態范圍

100

重量

55lbs25kg

探測效率

~90%

功率

35W

錯誤事件率

5%

遙測數據率

8 kilobytes/second

 

四、         LIS發射與安裝環境

 

 

4 LIS安裝環境

 

2 STP-H5將于201611月搭載Space X龍飛船前往國際空間站;

2 LIS將安裝在國際空間站的地球視角位置。

五、         科學運行與數據管理

2 科學運行由新成立的LIS POCC(載荷運行控制中心)管理;

2 LIS科學團隊與GHRC DAAC緊密合作,進行數據處理。

 

 

5 科學運行組成

 

六、         LIS閃電科學與應用

天氣:閃電與雷暴過程定量耦合,是對氣流和云粒子上升速度的響應(濃度、相位、類型和通量)。

2 LIS就像太空中的雷達:揭示了云的核心部分;

2 閃電可提高對流性降水的估值;

2 閃電與嚴重天氣災害息息相關(狂風、洪水、龍卷風、冰雹、野火),可以改善預測模型。

氣候:閃電對溫度及大氣的微小變化非常敏感,是氣候監測的極佳變量。國際空間站上的LIS將進行如下工作:

2 拓展TRMM LIS16年時間序列,范圍擴大到更高緯地區;

2 監測極端風暴的出現和變化;

2 提供平臺之間的交叉校正。

化學:國際空間站LIS將提升對閃電產生氮氧化合物NOx的預估能力,有助于氣候及空氣質量研究。

2 閃電氮氧化合物NOx也對臭氧產生影響,是重要的溫室氣體;

2 氣候對對流層上部的臭氧最為敏感,這里的氮氧化合物主要來源于閃電。

其它:國際空間站LIS觀測將有助于研究地面伽瑪射線閃(TGF)及瞬變光學事件(TLE)的機理。

 

6 閃電、雷達以及垂直速度,說明了與強風暴的耦合

 

七、         國際空間站平臺的獨特科學貢獻

l覆蓋TRMM無法監測到的高緯閃電

2 北半球夏季,TRMM LIS 未監測到多達30%的閃電;

2 加強區域和全球天氣、氣候與化學研究;

2 監測范圍覆蓋CONUS美國大陸(需要國家氣候評估)。

l通過國際空間站進行實時閃電監測

 

7 實時閃電

 

 

2 對數據稀缺地區進行實時閃電監測,如海洋(風暴預警、臨近預報、海洋航空支持、遠程閃電系統驗證、颶風快速強化評估);

2 NASA所需要并由NOAA合作伙伴支持的(包括:NWS太平洋區域、臺風聯合警報中心、海洋預報中心、民航氣象中心以及國家颶風中心)。

l與國際空間站其它載荷進行協同/互補觀測

 

 

8 GOES-R靜止閃電測繪儀(基于LIS發展)

 

2 進行重要的白天閃電監測,有助于更好理解TGFTLE的機理(ESA ASIM大力支持)。

l支持傳感器交叉校正和驗證

2 國際空間站LISGOES-R GLMMTG LI的交叉校正,提升科學與應用(NOAAESA大力支持)。

八、         國際空間站LIS觀測覆蓋

 

9 觀測覆蓋

 

l采用STK軌道跟蹤和規劃工具對國際空間站LIS軌道進行3D2D模擬

l該工具用于LIS載荷運行控制中心

l國際空間站LIS軌道覆蓋TRMM LIS數據

l國際空間站LIS可探測每年98%的閃電(TRMM LIS90%

九、         總結

l國際空間站LIS將跨學科支持有重要價值的科學與應用,如TRMM上的OTDLIS

lLIS保持“gold standard”,更有利于研究全球閃電氣候學。

 

 

文獻來源: S. Pavelitz, R. J. Blakeslee. Lightning Imaging Sensor on International Space Station. 2016. http://hdl.handle.net/2060/20160009025.

                                 

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