一、         概述

任务

l国际空间站上配置太空闪电成像仪LIS（Lightning Imaging Sensor），充分利用国际空间站独特优势（如高倾角、实时数据等）。

l将LIS集成到DoD太空测试项目STP-H5 (Space Test Program-Houston 5)，2016年6月搭载Space X火箭送往太空，任务期至少2年。

 

 

图1 航天LIS备件

 

测量

lNASA及其合作伙伴共同开发了太空闪电观测工具，并验证了其功效和价值。

l闪电成像仪日夜不停监测所有闪电（数量、频率、辐射能），具有风暴尺度分辨、毫秒计时、高效率等探测能力。

² LIS日间探测非常重要（70%以上发生在日间）；

² LIS探测全部(云与地面)闪电（包括陆地与海洋）。

需求

l闪电与雷暴及相关地球物理过程定量耦合，涉及一系列多科学研究（如天气、气候、大气化学、闪电物理）。

l国际空间站LIS将拓展热带测雨卫星（TRMM）的时序观测、扩大纬度覆盖范围、提供实时数据，并进行仪器交叉校正。

二、         LIS基本结构

² 国际空间站LIS建立在20年在轨观测的坚实基础上;

² LIS主要科学家、工程师及设备仍在支持这一任务。

传感器单元（传统硬件）

² 光学组件；

² 128*128 CCD焦平面；

² 闪电及背景探测。

电子单元（传统硬件）

² 实时事件处理器、背景去除、数据格式化；

² 功率转换与控制。

接口单元（新式硬件）

² 功率转换、定时、控制；

² 国际空间站接口。

 

 

图2 传感器与接口

 

三、         STP-H5载荷集成LIS

  

图3 载荷集成

 

² LIS是STP-H5装载的13个仪器之一；

² 可以通过机械臂安装在国际空间站外部桁架上。

表1 LIS性能参数

名称	参数值	名称	参数值
视角FOV	80°X80°	测量精度
像素IFOV(nadir)	4km	位置	1像素
滤光片		强度	10%
波长	777.4nm	时间	帧速率标记tag
带宽	1nm	尺寸
探测阈值	4.7 mJ/m2sr	传感器单元	7.8´14.6in(20´37cm)
信噪比	6	电子单元	12.2´8.7´10.6 in (31´22´27cm)
CCD阵列大小	128x128	接口单元	9.8´2.4´13.8 in (25´6´35cm)
动态范围	＞100	重量	55lbs（25kg）
探测效率	~90%	功率	35W
错误事件率	＜5%	遥测数据率	8 kilobytes/second

 

四、         LIS发射与安装环境

 

 

图4 LIS安装环境

 

² STP-H5将于2016年11月搭载Space X龙飞船前往国际空间站；

² LIS将安装在国际空间站的地球视角位置。

五、         科学运行与数据管理

² 科学运行由新成立的LIS POCC（载荷运行控制中心）管理；

² LIS科学团队与GHRC DAAC紧密合作，进行数据处理。

 

 

图5 科学运行组成

 

六、         LIS闪电科学与应用

天气：闪电与雷暴过程定量耦合，是对气流和云粒子上升速度的响应（浓度、相位、类型和通量）。

² LIS就像太空中的雷达：揭示了云的核心部分；

² 闪电可提高对流性降水的估值；

² 闪电与严重天气灾害息息相关（狂风、洪水、龙卷风、冰雹、野火），可以改善预测模型。

气候：闪电对温度及大气的微小变化非常敏感，是气候监测的极佳变量。国际空间站上的LIS将进行如下工作：

² 拓展TRMM LIS的16年时间序列，范围扩大到更高纬地区；

² 监测极端风暴的出现和变化；

² 提供平台之间的交叉校正。

化学：国际空间站LIS将提升对闪电产生氮氧化合物NOx的预估能力，有助于气候及空气质量研究。

² 闪电氮氧化合物NOx也对臭氧产生影响，是重要的温室气体；

² 气候对对流层上部的臭氧最为敏感，这里的氮氧化合物主要来源于闪电。

其它：国际空间站LIS观测将有助于研究地面伽玛射线闪（TGF）及瞬变光学事件（TLE）的机理。

 

图6 闪电、雷达以及垂直速度，说明了与强风暴的耦合

 

七、         国际空间站平台的独特科学贡献

l覆盖TRMM无法监测到的高纬闪电

² 北半球夏季，TRMM LIS 未监测到多达30%的闪电；

² 加强区域和全球天气、气候与化学研究；

² 监测范围覆盖CONUS美国大陆（需要国家气候评估）。

l通过国际空间站进行实时闪电监测

 

图7 实时闪电

 

 

² 对数据稀缺地区进行实时闪电监测，如海洋（风暴预警、临近预报、海洋航空支持、远程闪电系统验证、飓风快速强化评估）；

² 是NASA所需要并由NOAA合作伙伴支持的（包括：NWS太平洋区域、台风联合警报中心、海洋预报中心、民航气象中心以及国家飓风中心）。

l与国际空间站其它载荷进行协同/互补观测

 

 

图8 GOES-R静止闪电测绘仪（基于LIS发展）

 

² 进行重要的白天闪电监测，有助于更好理解TGF和TLE的机理（ESA ASIM大力支持）。

l支持传感器交叉校正和验证

² 国际空间站LIS与GOES-R GLM和MTG LI的交叉校正，提升科学与应用（NOAA和ESA大力支持）。

八、         国际空间站LIS观测覆盖

 

图9 观测覆盖

 

l采用STK轨道跟踪和规划工具对国际空间站LIS轨道进行3D及2D模拟

l该工具用于LIS载荷运行控制中心

l国际空间站LIS轨道覆盖TRMM LIS数据

l国际空间站LIS可探测每年98%的闪电（TRMM LIS为90%）

九、         总结

l国际空间站LIS将跨学科支持有重要价值的科学与应用，如TRMM上的OTD及LIS。

lLIS保持“gold standard”，更有利于研究全球闪电气候学。

 

 

文献来源: S. Pavelitz, R. J. Blakeslee. Lightning Imaging Sensor on International Space Station. 2016. http://hdl.handle.net/2060/20160009025.