Sistema Global de Navegación por Satélite Cyclone

El Sistema Global de Navegación por Satélite para Ciclones ( CYGNSS , por sus siglas en inglés) es un sistema espacial desarrollado por la Universidad de Michigan y el Instituto de Investigación del Suroeste con el objetivo de mejorar la predicción de huracanes mediante una mejor comprensión de las interacciones entre el mar y el aire cerca del núcleo de una tormenta.

En junio de 2012, la NASA patrocinó el proyecto con 152 millones de dólares, con la Universidad de Michigan a la cabeza de su desarrollo. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Otros participantes en el desarrollo de CYGNSS incluyen el Southwest Research Institute , Sierra Nevada Corporation y Surrey Satellite Technology . ^{[ 8 ]}

El plan consistía en construir una constelación de ocho microsatélites para ser lanzados simultáneamente en un único vehículo de lanzamiento ^{[ 9 ]} a la órbita terrestre baja , ^{[ 7 ] [ 10 ]} a 500  km de altitud. ^{[ 11 ]} El programa estaba programado para lanzarse el 12 de diciembre de 2016 y luego observar dos temporadas de huracanes. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Problemas con una bomba en la aeronave de lanzamiento impidieron este primer lanzamiento, pero un segundo intento de lanzamiento tuvo lugar con éxito el 15 de diciembre de 2016. En 2022, uno de los satélites, FM06, cesó abruptamente sus operaciones. ^{[ 14 ]}

La predicción de las trayectorias de los ciclones tropicales ha mejorado aproximadamente un 50 % desde 1990; sin embargo, en el mismo período no se ha observado una mejora correspondiente en la predicción de la intensidad de estas tormentas. Una mejor comprensión del núcleo interno de las tormentas tropicales podría conducir a mejores predicciones; sin embargo, los sensores actuales no pueden recopilar datos de calidad suficiente sobre el núcleo interno debido a la obstrucción causada por las bandas de lluvia que lo rodean y al muestreo poco frecuente. Para mejorar los modelos utilizados en las predicciones de intensidad, se requieren mejores datos. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

CYGNSS medirá el campo de viento de la superficie oceánica utilizando una técnica de dispersometría biestática basada en señales de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS), principalmente GPS . ^{[ 15 ] [ 16 ]} Cada satélite recibe tanto señales GPS directas como señales reflejadas desde la superficie terrestre; las señales directas determinan la posición del microsatélite y proporcionan una referencia de tiempo, mientras que las señales reflejadas o "dispersadas" proporcionan información sobre el estado de la superficie del mar. La rugosidad de la superficie del mar se corresponde con la velocidad del viento. ^{[ 11 ]} El uso de una red de ocho pequeños satélites permite observaciones frecuentes: se prevé que el tiempo medio de revisita sea de 7 horas. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Los ocho microsatélites orbitan con una inclinación de 35° y cada uno es capaz de medir 4 reflexiones simultáneas, lo que resulta en 32 mediciones de viento por segundo en todo el mundo. ^{[ 11 ]}

CYGNSS es la primera de las misiones espaciales de la clase Earth Venture de la NASA, parte del programa Earth Science System Pathfinder de la NASA; ^{[ 8 ]} las selecciones EV anteriores se dividieron entre cinco misiones de teledetección aérea . La misión de dos años se lanzó el 15 de diciembre de 2016, después de aplazamientos desde noviembre de 2016, ^{[ 17 ]} y el 12 de diciembre de 2016. ^{[ 12 ] [ 18 ]}

El objetivo científico de CYGNSS es comprender el acoplamiento entre las propiedades de la superficie oceánica, la termodinámica atmosférica húmeda, la radiación y la dinámica convectiva en el núcleo interno de un ciclón tropical. ^{[ 11 ]} Para lograr este objetivo, el sistema medirá la velocidad del viento en la superficie oceánica en todas las condiciones de precipitación, incluidas las que se experimentan en la pared del ojo . La misión también medirá la velocidad del viento en la superficie oceánica en el núcleo interno de la tormenta con la frecuencia suficiente para resolver la génesis y la rápida intensificación. Como objetivo secundario, el proyecto apoyará a la comunidad operativa de pronóstico de huracanes mediante la producción y el suministro de productos de datos de velocidad del viento en la superficie oceánica. ^{[ 11 ]}

Cada satélite CYGNSS lleva un instrumento de mapeo Doppler retardado (DDMI), que consta de:

• un receptor de mapeo de retardo (DMR)
• dos antenas apuntando al nadir
• una antena que apunta al cenit

El instrumento recibe señales GPS dispersadas por la superficie del océano con fines de dispersometría biestática . ^{[ 11 ]}

La misión CYGNSS fue lanzada el 15 de diciembre de 2016 a las 13:37:21  UTC desde un único cohete Pegasus XL lanzado desde el aire. El cohete fue desplegado desde una aeronave Lockheed L-1011 modificada , el Stargazer de Orbital ATK , desde una posición a 201 kilómetros (125 mi) de la costa de Cabo Cañaveral, Florida . ^{[ 3 ] [ 19 ]} Un intento de lanzamiento el 12 de diciembre fue abortado debido a problemas con el sistema hidráulico que separa el cohete Pegasus de la aeronave portadora. ^{[ 20 ]} Después del lanzamiento, los ocho microsatélites fueron liberados a órbita comenzando a las 13:50 UTC y terminando a las 13:52 UTC por un módulo de despliegue acoplado a la tercera etapa del Pegasus. El contacto de radio exitoso con el primer microsatélite se realizó a las 16:42 UTC. ^{[ 21 ]} El octavo microsatélite fue contactado con éxito a las 20:30 UTC. ^{[ 22 ]} Al final del día 15 de diciembre, los ocho microsatélites tenían sus paneles solares desplegados y orientados hacia el sol con las baterías cargándose en condiciones seguras, listos para comenzar la puesta en marcha de ingeniería. ^{[ 23 ]}     

Las primeras operaciones de la misión se centraron en la puesta en servicio de ingeniería de los satélites ^{[ 24 ]} y en los ajustes del espaciado entre ellos. Su espaciado relativo es importante para lograr el muestreo espacial y temporal deseado. ^{[ 25 ]} El espaciado entre satélites se controla ajustando la orientación de la nave espacial y, como resultado, la diferencia en la resistencia atmosférica entre los satélites. Esta técnica se conoce como resistencia diferencial. Un aumento en la resistencia reduce la altitud de un satélite y aumenta su velocidad orbital. ^{[ 26 ]} La distancia entre las naves espaciales cambia como resultado de sus velocidades relativas. Esta es una forma alternativa de gestionar el espaciado entre una constelación de satélites, en contraposición al uso de la propulsión activa tradicional, y es significativamente más económica. Permite construir más satélites por el mismo costo neto, lo que resulta en un muestreo más frecuente de eventos meteorológicos extremos de corta duración, como los ciclones tropicales. ^{[ 16 ]} Se realizaron maniobras de arrastre diferencial durante el primer año y medio de operaciones en órbita, y han dado como resultado una constelación bien dispersa que puede realizar mediciones con las propiedades de muestreo deseadas. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Las mediciones de velocidad del viento son realizadas por CYGNSS de manera análoga a la de los radares espaciales anteriores de detección de viento oceánico, al detectar cambios en la rugosidad de la superficie causados ​​por el esfuerzo del viento cerca de la superficie. ^{[ 29 ] [ 30 ]} La calidad de las mediciones se determina mediante comparaciones con observaciones casi coincidentes de otros sensores de viento. Las comparaciones a velocidades de viento bajas a moderadas (por debajo de 20 m/s, 45 mph, 72 km/h ) se realizan con el producto de reanálisis numérico de viento del Sistema Global de Asimilación de Datos de la NOAA e indican una incertidumbre en los vientos de CYGNSS de 1,4 m/s (3 mph; 5 km/h) , con una incertidumbre mayor a altas velocidades del viento. ^{[ 31 ]} Por encima de 45 mph, y en particular para las mediciones realizadas dentro de ciclones tropicales, las comparaciones se realizan con observaciones casi coincidentes de instrumentos de detección de viento en aeronaves cazahuracanes NOAA P-3 que volaron hacia huracanes en coordinación con los sobrevuelos de satélites de CYGNSS. ^{[ 32 ]} Las comparaciones indican una incertidumbre en los vientos de CYGNSS del 11 %. ^{[ 33 ]} Como ocurría a velocidades de viento más bajas, la incertidumbre aumenta con la velocidad del viento. Las mediciones de velocidad del viento oceánico de CYGNSS se están incorporando actualmente a los modelos numéricos de pronóstico de huracanes ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} y a los modelos de marejada ciclónica ^{[ 38 ]} para evaluar la mejora en su rendimiento. Las imágenes de mediciones recientes y de archivo del viento oceánico, tanto a nivel global como centradas en tormentas individuales, están disponibles en       Archivado el 21 de enero de 2019 en Wayback Machine . Los archivos de datos numéricos de las mediciones de velocidad del viento oceánico están disponibles en.

CYGNSS opera de forma continua, tanto sobre el océano como sobre la tierra, y las mediciones terrestres también contienen información útil. Las mediciones son sensibles a la humedad del suelo superficial y a la presencia y extensión de cuerpos de agua continentales. ^{[ 27 ]} La humedad del suelo se ha estimado utilizando datos de CYGNSS en numerosos sitios en los Estados Unidos continentales y se ha encontrado que concuerda estrechamente con mediciones independientes realizadas por sensores terrestres y por otro satélite. ^{[ 39 ] [ 40 ]} Los archivos de datos numéricos de las mediciones de humedad del suelo están disponibles enTambién se ha demostrado la capacidad de los datos terrestres de CYGNSS para detectar y mapear la extensión de las inundaciones bajo densos doseles forestales ^{[ 41 ]} y esta capacidad se ha utilizado para producir imágenes de lapso de tiempo de las inundaciones en Houston y La Habana y sus alrededores después de que los huracanes Harvey e Irma tocaran tierra , respectivamente. ^{[ 42 ]}

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