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美国NASA地球科学事业(ESE)技术战略


1 ESE技术战略的目标与实现途径
NASA地球科学事业(ESE)技术投资的战略目标是:规划、开发和引入先进技术,以便能够进行科学的观测并服务于优先应用领域。
ESE通过实施一项强化的、先进的技术计划来实现其技术战略的目标。该计划与目前正在进行的有关项目相衔接,并建立在科学和技术的直接链接基础上。在“科学/应用需求→技术选择→观测能力→科学研究/应用”的模式下(见图1),以ESE需求为主导确定技术发展和空间验证的优先领域,并在ESE层次上对技术投资进行优化。
作为ESE的核心部分,该强化的ESE技术计划将其技术能力需求与更广泛的科学/技术/应用团体相连接,并寻求与NASA内、外的其他技术发展与验证计划的合作,以便通过减少重复、拓展未来技术方法空间、调节现有人力、物力资源以及使先进技术能引入到卫星任务和业务系统中,从而使技术投资的回报达到最大。

图片1

1 由科学/应用推动的技术提供启动性工具


2 ESE技术计划的实施步骤
2.1 根据ESE需求规划技术投资
 ESE技术规划的目标,是确保技术发展与ESE优先技术领域的结合并保证先进技术产品引入到经ESE技术计划确认和验证的地球系统科学和应用的需求中。解决这些科学/应用需求的技术能力需求和实施方案是通过包括可行性、选项、商业性、系统和结构等的研究来分析确定的。此外,还将定期举行专题研讨会以完成包括技术预测和确认标志性技术的规划任务。
 根据目前的投资与确认的ESE需求间的差距,通过公开征集项目而选择技术投资, ESE技术计划则从观测、信息系统和计算技术的所有范围来确定其技术能力。
2.2 开发先进技术到成熟水平
 ESE技术开发管理的目标是使前景广阔的技术构想发展成熟至引入到业务应用可接受的技术准备就绪阶段(TRL——technology readiness level)。之后通过实验室、野外、机载以及必要时的太空飞行示范和验证,促进TRL的升级提高,从而减少一项先进技术在最初的业务应用中的相关风险。
   ESE技术投资以两种方式来取得平衡,一是不同的技术攻关和不同的平台之间的平衡;二是以连续的方式提供先进技术方法以满足ESE计划的近期、中期、远期需求之间的平衡。
   在低-TRLs下的先进的技术构想为满足SES计划的长期需求提供了潜在的革命性新方法。管理低-TRL技术构想的重点是通过鼓励可能使ESE执行其未来任务的方式发生重大变化的创新思维来扩展未来的技术方法空间。尽管通过“先进的技术创新项目”(Advanced Technology Initiative Project),ESE技术计划资助低TRL先进技术构想的发展,但在低TRLs下ESE培育先进技术构想的核心战略是整合其他机构的先进的构想计划,诸如:NASA先进技术概念研究所(NASA Institute of Advanced Concepts),原创突破性技术计划(Pioneering Revolutionary Technology Program),小型创新研究计划(Small Business Innovative Research Program)和NASA探险队(NASA Exploration Team)等。ESE将其科学/应用需求渗入到这些先进的构想计划中,从而培育有前景的先进技术构想。随着先进的技术构想通过这些不同计划的进一步发展,ESE将选择和资助更有前景的技术构想及相关技术,继续朝着中TRL阶段的发展。
 通过重点的ESE技术项目(包括仪器设计生产项目,先进的信息系统技术项目,计算技术项目和新千年计划),中、长期的ESE技术需求得到了资助。当技术构想从低-TRL升级到中-TRL时,继续发展的资源需求大大增加了。所以,管理中-TRL技术发展的重点是确保有前景的技术与被资助的计划需求相一致。由于高-TRL技术开发需要另一级别的大量资源投入,因此高-TRL技术开发的侯选技术必须具有高度优先性才行,高-TRL技术管理的焦点也集中在排除技术在引入到卫星和业务系统前的最后的整合障碍。

2.3 引入先进技术以提高未来的观测能力
 大家都知道,把新技术引入到未来的科学卫星和业务系统中是一个挑战。ESE技术计划采用了一个端对端的方式,以便于技术的引入。投资规划在研发团体的参与下通过研讨会讨论和研究而制定。典型的技术发展应由潜在的用户所管理以鼓励在未来的卫星任务中应用该项技术。最后,在航空航天机构中广泛公开不断进步的技术能力,以使项目管理者充分意识到新技术的能力。
 在规划过程中的技术引入采取了好几种形式。对长期规划,ESE技术专家支持ESE战略规划和标志性技术(roadmap)的发展;对较近时期的规划,ESE技术专家则支持各种科学工作组,并帮助形成能预测技术发展的科学思路;在最近期的规划,ESE支持能指示出潜在风险和技术结果的研究。
 在技术开发过程中,通过将技术发展任务的管理分配到技术上较适宜的NASA中心而鼓励技术的引入。通过把直接的技术管理移出到潜在的终端用户团体,ESE提供对已知技术、技术所有权的认定和该项技术潜在引入到应用中的连接。
 成熟的技术的应用活动的重点是培训潜在用户的技术能力。这种培训采取几种形式,从强调技术进展的公众论坛(地球科学技术年会,会议文集中的论文如IGARRS文集)、报道(杂志论文,会议文集,ESTO年度报告),最后还有由指定的技术专家们对拟议中的项目的ESTO说明,对技术的替代性的说明,并鼓励技术的应用。
 这些技术管理战略被以协同方式整合在一起,以整体的ESE战略所引导,如图2所示。图片2

2 由总的ESE战略所引导,由科学和应用需求所驱动,ESE技术计划与其他技术计划开展

    合作并以一种平衡的方式规划技术投资,以满足ESE战略近、中、长期的技术能力需求。



3  ESE技术计划投资的核心技术领域
 应用上述战略,直接从ESE六个主题及其相关的23个ESE问题中表达的需求,得到具体技术的重点投资领域,如表1所示。启动技术可从每个主题内确定,并形成两个核心领域——观测技术和信息技术。

1   SES科学主题的技术需求

主题

问题

技术

降水量、蒸发量和水循环的变化?(V1

降雨雷达,辐射计,大天线,甚低频雷达,机载处理

天气

天气预报的改进?(P1

实时数据同化,互操作数据模型

固体

地球

地球运动及其内部过程?(V6

地球表面变形?(F3

重力压差密度计,磁力计,高光谱成像,机载处理/数据压缩/存储/融合

全球生态系统的变化?(V3

土地覆盖与土地利用的变化?(F2

生态系统对全球碳循环的响应和影响?(R2

土地覆盖和土地利用的后果?(C2

未来的CO2和甲烷的浓度?(P5

成像光谱仪,双频雷达, 数据挖掘、融合

成像光谱仪,高光谱低频雷达, 数据挖掘,融合

主动光学, 数据分发, 挖掘,融合

高光谱,拓扑,数据挖掘,融合

碳循环模拟,数据可视化

气候

全球大洋环流的变化?(V2

冰盖物质的变化?(V5

气候系统内的云和近地表水文过程?(R1

全球洋流的变化?(R3

气候变化对海平面的影响?(R5

与气候变化相关的天气变化?(C1

海岸带区域变化?(C3

短期的气候变化?(P2

长期的气候趋势?(P3

精确的高度测量, 矢量风,主被动微波

双频雷达, 激光雷达高度计,数据挖掘

辐射计,SAR,干涉测量SAR,机载处理/数据压缩/存储

SAR,机载处理,数据压缩、存储,挖掘,可视化

SAR干涉仪,GPS,数据可视化

降雨雷达,数据挖掘,融合

多光谱辐射计,数据挖掘

气候模拟,数据可视化

长期气候模拟,数据挖掘,融合

大气

成分

平流层臭氧变化?(V4

大气成分和太阳辐射对气候的影响?(F1

平流层痕量气体组分的响应?(R4

 

污染影响?(R6

未来大气化学影响?(P4

紫外-红外光谱测量和成像,激光雷达

主动光学仪器,干涉仪,互操作数据模型

紫外-红外光谱测量和成像,光谱仪,机载处理/数据压缩/存储

激光雷达,被动辐射计,数据可视化

大气成分模拟


3.1 观测技术投资扩展了观测能力,降低了地球观测费用

先进的仪器技术,为地球陆地、海洋和大气的监测提供了新的更为综合的遥感和实地测量。虽然仪器的体积、质量、功率以及开发成本和时间大大降低,但仪器的空间、光谱和时间分辨率却更高。ESE投资的技术领域(表2)覆盖了整个电磁波谱,包括了主被动两种传感器。这些技术投资将拓宽太空中的观测视角,以提供连续的全球地球覆盖,如静地轨道或天平动点(libration points),并将允许体积更小的、费用更低的飞行器在较低的地球轨道上运行。

2   关键观测技术的主要挑战和技术投资重点


观测技术领域

主要挑战

被动式成像系统

2微米到15微米的大格式探测器

成像光谱仪

感光快的光学元件和光栅系统可以大大降低质量、成本和复杂性;通过机上校准和数据处理,减少数据传输线路要求

主动光学成像系统

轻便的、高功率、具有冷却功能的、可靠的、用于激光雷达的激光系统

主动微波

具有分布式T/R模块的、大型轻便的、可伸展的天线系统;组件式紧密的高效rf和具有提供能力的数字子系统,减少数据传输线路要求的机上处理器

被动微波,从1Ghz2.3Thz

大的伸展式天线(直径30米),包括全孔径和合成孔径;多频率多极化反馈系统;多达几百个低成本接收器(1350GhZ)阵列式成像系统;外差法的接收器(300GhZ2.3ThZ);大型综合阵列的信号分发系统

超大型稀疏基线飞行

SAR系统的大天线(100米级)开发;精度范围,动力和运动性控制,以便INSAR能够进行分布式平台上的观测,包括聚束电子;阵列的自动调控

量子装置传感器

为先进的量子干涉传感能力提供原子控制和激光冷却能力;开发精细的亚表面重力特征提取的反演模型


3.2 信息技术投资撬动商业投资并应用于未来的地球科学卫星任务

先进的信息技术投资是由处理空间传感器海量观测数据以及相伴的获取、处理、存储与传送数据产品等的困难所激励的。投资的重点是端对端的信息系统,从观测开始,到数据处理、计算、传输到地面、存储、数据挖掘一直到最后产品的发布。
   未来遥感体系将拥有大量的网络式传感器,具有高灵敏性、能从不同空间的有利点进行多场景观测,并能实时地自动调整任务,从而形成未来的综合观测系统。这就要求在具有微型化、高速、可编程进行数据处理、自动进行高性能IP数据分发的稳健的信息技术结构方面取得进展。
 正在进行的信息技术革命,是由世界范围内的商业活动所资助与驱动的。人们期待着信息技术产业能继续提供许多突破性的技术方法。NASA将充分利用这个广泛的产业基础,并将其信息技术投资重点(表3)放在开发或调整最新发展的技术,为空间应用和地球系统科学知识和信息产品的产生和应用提供支持。

3   关键信息技术的主要挑战和技术投资的重点


信息技术领域

主要挑战

机载数据处理

应用和调整商业性技术,发展达到误差容许和高效的机上处理器

空基交流

为了实现动态空间联接和动态空间联接能力,通过签订协议而使网络式传感器的概念合法化;可移动的终端和空间商业网关的整合;安全的重点管理协议的形成

高端计算

通过开发下一代原理模型,地球系统科学框架和耦合模型,数据同化以及通过为新近开发出的计算平台进行模型性能优化,而形成高保真(时间的与空间的两方面)的地球过程模型。

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