梁 斌，王玨瑤

( 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

GNSS無線電掩星大氣探測混合星座設(shè)計

梁 斌，王玨瑤

( 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

針對目前GNSS無線電掩星大氣探測衛(wèi)星星座參數(shù)依賴大量仿真計算進行統(tǒng)計選取的研究現(xiàn)狀，通過將探測衛(wèi)星星下點與大氣測點間地心角距作為觀測半徑提出了一種虛擬“星—地”遙感假設(shè)，給出了一種嶄新的掩星測點預(yù)估方法，具有計算速度快的特點。基于該方法推導(dǎo)了探測星座參數(shù)與大氣探測覆蓋性之間的極值相關(guān)特性，建立了GNSS無線電掩星大氣探測衛(wèi)星星座設(shè)計準(zhǔn)則，并以GPS和BD為兼容性觀測信源完成了GNSS掩星大氣探測混合衛(wèi)星星座設(shè)計。通過仿真試驗，驗證了設(shè)計方法的快速性和可行性，GPS+BD掩星大氣探測混合星座每日可實現(xiàn)掩星探測量為COSMIC星座的3倍以上，12h內(nèi)掩星測點全球分布均勻度提升12%。

全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)；大氣探測；無線電掩星；低軌道衛(wèi)星；衛(wèi)星星座

0 引言

隨著科技的發(fā)展和人類活動向高層大氣的拓展，氣象預(yù)測和控制研究是目前大氣科學(xué)研究的重要前沿，是航天工業(yè)發(fā)展和各國國家安全、公共安全及人類與自然和諧可持續(xù)發(fā)展的保障。

GNSS無線電掩星大氣探測技術(shù)是GNSS氣象學(xué)的重要分支[1]。受在軌資源限制，早期研究主要圍繞GPS掩星大氣探測開展，通過將GNSS掩星觀測儀作為副載荷搭載在多功能探測衛(wèi)星上進行GNSS無線電掩星大氣探測相關(guān)技術(shù)實施的在軌驗證，研究重點以星載GNSS掩星接收儀的研制和GNSS無線電掩星大氣探測數(shù)據(jù)應(yīng)用為主，探測衛(wèi)星軌道依主載荷任務(wù)需求設(shè)計[2]。近年來，隨著GNSS掩星接收儀技術(shù)的日益成熟，探測衛(wèi)星軌道設(shè)計作為GNSS無線電掩星大氣探測技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)問題逐漸得到了重視。目前，GNSS無線電掩星大氣探測衛(wèi)星軌道研究依賴仿真計算展開，通過建立GNSS星座模擬系統(tǒng)和LEO衛(wèi)星軌道模擬系統(tǒng)，枚舉運行在不同軌道上的探測衛(wèi)星對GNSS無線電掩星信號的觀測工況，統(tǒng)計得出掩星事件的數(shù)量和分布隨探測衛(wèi)星軌道參數(shù)變化的規(guī)律[3-5]，并未涉及采用分析法推導(dǎo)軌道參數(shù)對探測性能影響特性，這對處理GNSS掩星大氣探測衛(wèi)星軌道及星座設(shè)計問題而言顯然是不完整的。

本文針對GNSS掩星大氣探測衛(wèi)星星座參數(shù)對探測性能影響特性問題，在虛擬“星—地”觀測假設(shè)下，較完善地提供探測衛(wèi)星星座設(shè)計準(zhǔn)則，簡化了GNSS掩星大氣探測星座設(shè)計方法，并以我國現(xiàn)有GNSS掩星大氣探測氣象衛(wèi)星為基礎(chǔ)，以GPS和我國北斗(BD)為觀測信源，提出了特別適用于我國大氣探測需求的GNSS掩星大氣探測混合星座設(shè)計方案，為我國未來GNSS掩星大氣探測系統(tǒng)研制提供參考。

1 GNSS掩星大氣探測基本原理

依探測儀置放點的不同，GNSS氣象學(xué)主要擁有地基GNSS探測、山基/空基GNSS大氣探測和天基GNSS探測三種探測方式。天基GNSS大氣探測技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代初，它將GNSS接收機搭載在LEO衛(wèi)星上，當(dāng)GNSS衛(wèi)星相對LEO衛(wèi)星從地球邊緣升起(或降下)時，GNSS無線電信號傳播路徑受大氣電離層和中性層折射影響而發(fā)生彎曲，信號相位出現(xiàn)延遲，稱為發(fā)生GNSS上升(或下沉)掩星事件。通過追蹤記錄GNSS無線電掩星(Radio Occultation, RO)信號可突破性地對地球大氣進行“掃描”式探測，如圖1所示。

圖1 GNSS RO掩星大氣探測示意圖[6]Fig.1 Diagram of GNSS RO sounding[6]

在高頻“掃描”下，天基GNSS大氣探測可獲取其他大氣探測手段無法企及的大范圍、高垂直分辨率大氣折射率廓線信息。GNSS掩星大氣探測即是利用地球大氣折射率與部分地球大氣參數(shù)間存在的函數(shù)關(guān)系，以天基GNSS大氣探測形式完成大氣參數(shù)的高垂直分辨率間接探測。雖然當(dāng)對流層濕度較大時，GNSS掩星大氣探測對對流層溫濕度存在含糊性，需借助其他大氣探測手段才能獲取較為精準(zhǔn)的大氣探測信息，但這種大氣探測方式所具有的探測儀器無需校正、可全天時/全天候探測、長期穩(wěn)定性好、探測數(shù)據(jù)垂直分辨率高、探測數(shù)據(jù)自標(biāo)定、探測大氣高度區(qū)間大、可全球覆蓋等優(yōu)點充分彰顯了它在彌補其他大氣探測手段，尤其是在電離層大氣探測及氣候變化等長期性大氣探測領(lǐng)域的應(yīng)用價值。當(dāng)在軌探測儀足夠多時，GNSS掩星大氣探測技術(shù)更可實現(xiàn)近實時乃至實時大氣探測。

在GNSS掩星大氣探測數(shù)據(jù)處理過程中，原始掩星數(shù)據(jù)由GNSS掩星大氣探測LEO衛(wèi)星及其地面站采集，包括LEO衛(wèi)星定軌及雙頻GNSS偽距及載波相位信息；GNSS地面監(jiān)測站網(wǎng)提供用于生成LEO衛(wèi)星精密軌道信息的GNSS星歷和用于雙差掩星觀測數(shù)據(jù)處理的GNSS偽距及載波相位信息；通過對原始掩星信號相位信息的校正處理，生成掩星信號相位延遲數(shù)據(jù)，最終利用Abel積分幾何光學(xué)算法或滑動頻譜、全譜反演等物理光學(xué)反演算法，融合GNSS星歷、LEO衛(wèi)星精密軌道信息和掩星信號相位延遲及振幅等信息，得到大氣折射率分布廓線，進而利用式(1)推算中性大氣溫度、大氣壓力和電離層大氣電子密度等地球大氣參數(shù)[7]。

(1)

式中：N為大氣折射率；T為大氣溫度；e為水氣壓；ne為電子密度；f為GNSS載波信號頻率。

2 GNSS掩星測點預(yù)估方法

2.1問題提出

GNSS掩星大氣探測星座基于“星—地—星”幾何關(guān)系實現(xiàn)臨邊探測，是一種嶄新的衛(wèi)星星座應(yīng)用模式。由于GNSS在軌運行狀態(tài)的不可控和地球大氣的動態(tài)變化，掩星事件的發(fā)生具有偽隨機性，難以直接利用星座內(nèi)衛(wèi)星運行狀態(tài)來表述星座探測覆蓋性。

在理想假設(shè)下，將地球大氣近似為均勻球?qū)ΨQ洋蔥型大氣指數(shù)模型，考慮GNSS RO觀測約束

(2)

式中：θGOL為GNSS衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星間地心角距，θGOLmin和θGOLmax為掩星切點高度為觀測范圍極值時所對應(yīng)GNSS-LEO地心角距極值；δR為RO信號傳播至LEO衛(wèi)星的入射角；δAnt為LEO星載掩星接收天線視場角。顯然，在每次中性大氣掩星探測前/后，必定伴隨一次電離層掩星探測。

為預(yù)估GNSSRO測點，需仿真獲取每一對GNSS-LEO衛(wèi)星瞬時相對位置和姿態(tài)，通過對上述幾何關(guān)系的一一比對來判定掩星事件是否發(fā)生，從而統(tǒng)計該LEO衛(wèi)星星座GNSSRO大氣探測性能，進而與探測星座設(shè)計任務(wù)指標(biāo)相比較，迭代完成GNSSRO掩星大氣探測星座設(shè)計，星座設(shè)計過程繁復(fù)且計算量巨大。

2.2 虛擬“星—地”遙感方法

當(dāng)掩星事件發(fā)生時，掩星測點隨機分布于以LEO衛(wèi)星星下點為頂心的球帶內(nèi)。假設(shè)理想條件下，地球為標(biāo)準(zhǔn)球，掩星事件出現(xiàn)在LEO衛(wèi)星掩星接收機視場內(nèi)幾率為100%。在此假設(shè)下，可將掩星接收機探測場近似作為具有錐形視場的星載對地觀測儀，如圖2所示。

圖2 GNSS RO掩星虛擬觀測儀Fig.2 Diagram of virtual GNSS RO sounding sensor

圖2中，紅色弧線標(biāo)注出了虛擬“星—地”掩星觀測儀觀測視場。設(shè)該觀測儀內(nèi)外半錐角分別為θin和θex，由正弦定理有

(3)

式中：Re為地球半徑；aLEO為探測衛(wèi)星軌道半長軸；θLOP為掩星切點與LEO衛(wèi)星間地心夾角數(shù)組。

已知中性層大氣折射先驗計算式為

(4)

式中：N為大氣折射率，h為大氣距地面高度。由于電離層對中性大氣掩星的主要影響來自于F2層和E層，因而未考慮層F1和D層，利用雙Chapman模型計算電離層E層和F2層的電子濃度分布[4,8]

ne=

(5)

式中：ne為電子密度，Ne(h0)為最大電子濃度；h為距地面的高度；h0為最大電子濃度距地面的高度；H為尺度高度。在太陽活動劇烈的白天典型情況下，各參數(shù)取值如表1所示。

表1 電離層電子濃度計算參數(shù)

電離層中，大氣折射率與電子濃度和電磁波頻率f的關(guān)系為

N=-4.028×107ne/f2

(6)

假設(shè)地球大氣球形對稱，即折射率僅與到地心距離有關(guān)。由此，可將大氣自地表向上按等高dh分層，認(rèn)為每層內(nèi)大氣折射率為常值，計算與高度對應(yīng)的大氣折射梯度所生成的數(shù)組。其中大氣折射指數(shù)計算式為

(7)

式中：μ為大氣折射指數(shù)；AI和AO分別為無線電信號穿越層級時的入射角和折射角。

當(dāng)RO事件發(fā)生時，設(shè)掩星切點P處于第j層。則RO信號自掩星切點至LEO衛(wèi)星傳播路徑在大氣模型中第i層內(nèi)傳播的地心偏轉(zhuǎn)角度dA算式為[9]

(8)

式中，i=j,j+1,…,ceil(HLEO/dh),j=ceil(HRO/dh)，HLEO為LEO衛(wèi)星軌道高度，HRO為掩星切點高度。

則對于中性掩星大氣探測有

k=min(1+jIono,jLEO)

(9)

式中，jNeAt=ceil(HNeAt/dh)，jIono=ceil(HIono/dh)，jLEO=ceil(HLEO/dh)，HNeAT、HIono和HLEO分別為中性大氣層頂高、電離層頂高和LEO衛(wèi)星軌道高度?；谏鲜黾僭O(shè)，瞬時掩星事件形成預(yù)估算法可通過式(9)從無線電三維路徑追蹤模擬及其距地表高度求解問題轉(zhuǎn)化為求解GNSS衛(wèi)星與LEO探測衛(wèi)星接收天線間方位角及其與預(yù)置角度閥值對比的問題，顯著地降低了計算復(fù)雜度，提高了掩星事件判定運算效率。

參考COSMIC成功經(jīng)驗，設(shè)定GNSS掩星大氣探測衛(wèi)星運行在圓形軌道上，大氣探測高度范圍為0～800km，則探測衛(wèi)星星座內(nèi)衛(wèi)星軌道高度應(yīng)不低于800km。將式(9)代入式(3)，計算可得軌道高度在800～1200km內(nèi)變化的LEO星載對地觀測儀半錐角在62.7°左右，內(nèi)外錐角差不足0.1°，再一次體現(xiàn)了GNSS掩星大氣探測衛(wèi)星星座與常規(guī)對地觀測星座應(yīng)用的不同。考慮地球扁率，內(nèi)外錐角差擴大至0.4°。任取某顆運行在800km高圓形軌道衛(wèi)星繞地一周星下點軌跡如圖3所示。深紅圓周標(biāo)示出了LEO衛(wèi)星瞬時觀測掩星事件可能出現(xiàn)的位置，掩星測點距星下點地心角距26°左右，即掩星探測覆蓋帶寬度約為52°。顯然，每軌道周期內(nèi)掩星測點隨LEO星下點軌跡近似呈現(xiàn)帶狀覆蓋特性。

圖3 瞬時GNSS RO掩星測點分布域Fig.3 Instantaneous range of GNSS RO soundings

3 GNSS掩星大氣探測星座設(shè)計準(zhǔn)則

3.1 星座類型設(shè)計準(zhǔn)則

為了保證掩星測點事件的空間分布均勻性和有效觀測率，要求星座內(nèi)的衛(wèi)星星下點軌跡的空間分布是均勻的。要維持星座內(nèi)衛(wèi)星星下點軌跡分布均勻性，主要是要保證衛(wèi)星空間運動的均勻性和星座構(gòu)型的穩(wěn)定性。

已知圓軌道衛(wèi)星理想情況下在空間做勻速圓周運動，衛(wèi)星的星下點為全球均勻分布的，所以探測星座內(nèi)衛(wèi)星軌道類型選擇為圓軌道，即軌道的偏心率e=0。而衛(wèi)星在平面內(nèi)的運動速度由軌道半長軸決定，若要保證共面或異面衛(wèi)星之間的相位關(guān)系穩(wěn)定，則要求所有衛(wèi)星的半長軸相同。衛(wèi)星軌道平面的方向由軌道傾角和升交點赤經(jīng)描述，若要滿足軌道平面關(guān)系穩(wěn)定，則要求軌道傾角和升交點赤經(jīng)相對關(guān)系穩(wěn)定。主要攝動力對升交點赤經(jīng)的長期影響比傾角大得多，若要保證升交點赤經(jīng)的變化率相同，則要求所有軌道傾角相等。升交點赤經(jīng)變化速率公式為

(10)

式中，Re為地球半徑；a為軌道半長軸；J2為地球非球形引力攝動常數(shù)；μ為地球引力常數(shù)；I為軌道傾角；e為軌道偏心率。

上述分析可以得出各GNSS掩星大氣探測星座內(nèi)衛(wèi)星軌道偏心率e=0，且各位星軌道半長軸、軌道傾角應(yīng)盡量保持一致。滿足這些條件的典型星座類型為Walker星座，星座構(gòu)型碼為N/P/F:I,H。

3.2 星座參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則

理論上，星座內(nèi)衛(wèi)星軌道高度越低，軌道周期越短，觀測掩星幾率越多，因此軌道高度應(yīng)以滿足探測大氣高度范圍需求為基準(zhǔn)選取最小值。

由于GNSS衛(wèi)星都運行在順行軌道上，就每次掩星事件持續(xù)時間而言，順行軌道上的LEO衛(wèi)星與GNSS衛(wèi)星發(fā)生掩星事件時，若兩個衛(wèi)星同向運動，相對運動速度慢，在一次掩星事件中可獲取更多大氣數(shù)據(jù)，反演后得到的大氣參數(shù)垂直分辨率較高；相反，逆行軌道上的LEO衛(wèi)星與GNSS反向運動，相對運動速度快，反演后得到的大氣參數(shù)垂直分辨率較低。因此探測星座內(nèi)軌道應(yīng)選為順行軌道。

LEO衛(wèi)星星下點軌跡隨軌道傾角的增大向南北極擴展，掩星事件緯度覆蓋性隨之存在差異。軌道傾角越高，緯度覆蓋范圍相對越大。假設(shè)星載GNSS掩星接收天線為全視場，由圖3可知，地理坐標(biāo)系下LEO衛(wèi)星掩星覆蓋緯度極值λmax與軌道傾角I對應(yīng)關(guān)系為

λmax=I+min(θLOP)

(11)

設(shè)星載掩星接收天線水平視場為δAntH，安裝偏置角為δAntF，則掩星探測覆蓋緯度極值為λmax時，星座內(nèi)衛(wèi)星傾角算式為

(12)

此時掩星探測覆蓋帶寬度β算式為

(13)

星座內(nèi)衛(wèi)星軌道傾角越高，衛(wèi)星運行空間越大，形成掩星事件幾率越多，因此軌道高度應(yīng)以滿足探測大氣覆蓋范圍需求為基準(zhǔn)取最大值。

COSMIC應(yīng)用經(jīng)驗及學(xué)者對GNSS模擬仿真統(tǒng)計結(jié)果表明，雖然掩星觀測量因軌道高度、軌道傾角的不同存在一定波動，但影響掩星觀測數(shù)量的主因仍為探測星座內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量。為實現(xiàn)全球均勻掩星探測，當(dāng)星座內(nèi)等軌道高度、等傾角衛(wèi)星組建Walker星座內(nèi)每軌道面上僅有一顆衛(wèi)星時，星座內(nèi)衛(wèi)星數(shù)應(yīng)滿足為

NLEO≥ceil(π/β)

(14)

Walker星座內(nèi)相鄰軌道上衛(wèi)星軌跡位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 相鄰軌道衛(wèi)星軌跡交點示意圖Fig.4 Diagram of ground tracks of satellites on adjacent orbits

圖4中藍色線為兩條相鄰衛(wèi)星星下點軌跡，相應(yīng)星下點軌跡頂點分別為A、B，軌跡相交于點C，N為地球均勻求對稱加設(shè)下地理極點。設(shè)Walker星座內(nèi)相鄰軌道面與赤道交點間距為α，顯然有

(15)

在球面直角三角形ΔNCB中，利用球面三角公式可計算C點緯度值為

(16)

因此，當(dāng)探測衛(wèi)星星座不滿足極地覆蓋要求，僅實現(xiàn)區(qū)域性緯度帶覆蓋時，單軌道周期內(nèi)可實現(xiàn)無縫掩星探測覆蓋的覆蓋緯度極值為

(17)

4 GNSS掩星大氣探測星座設(shè)計

中國的第三代風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星(FY3)運行在軌道高度為836km，軌道傾角為98.75°的太陽同步軌道上。2013年9月發(fā)射的FY3-C衛(wèi)星是首顆攜帶GNSS掩星載荷的風(fēng)云系列衛(wèi)星，可完成GPS+BD掩星大氣探測任務(wù)[10]。本文基于FY3-C衛(wèi)星在軌資源，提出利用基于太陽同步軌道的子星座A和軌道傾角相對較低的玫瑰型星座B組建混合星座，實現(xiàn)全球GNSS掩星大氣探測。其中子星座B主要實現(xiàn)南北緯65°以內(nèi)有人區(qū)掩星大氣探測覆蓋，子星座A補充完成極地區(qū)域掩星大氣探測覆蓋。參考COSMIC系列設(shè)計指標(biāo)，提出GPS+BD掩星大氣探測混合星座概念設(shè)計指標(biāo)：

1)全球大氣探測，經(jīng)度0～360°，緯度-90°～90°。

2)大氣探測高度為0～70km(中性大氣)，90～720km(電離層)。

3)全球掩星事件均勻分布。

子星座A由降交點地方時分別為早上6:00和7:00的兩顆太陽同步軌道衛(wèi)星組成?；贕NSS掩星大氣探測星座設(shè)計準(zhǔn)則可知，玫瑰型子星座B內(nèi)衛(wèi)星軌道高度為720km。參考COSMIC衛(wèi)星掩星接收天線視場參數(shù)，由式(17)計算得出子星座B內(nèi)衛(wèi)星軌道傾角在46.4°左右選取。此時單星掩星探測覆蓋寬度接近36°，由式(14)計算得出子星座B內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量應(yīng)不少于5顆。綜上，建立混合星座模型中子星座A、B參數(shù)設(shè)計約束函數(shù)

(18)

式中，NB、PB、FB、IB、HB均為Walker星座構(gòu)型碼，ΩB為歷元時刻子星座基準(zhǔn)星升交點赤經(jīng)，uB為歷元時刻子星座基準(zhǔn)星緯度幅角。

GNSS掩星大氣探測星座設(shè)計準(zhǔn)則將探測星座設(shè)計簡化為6個星座設(shè)計參數(shù)在小范圍值域內(nèi)的尋優(yōu)問題。

(19)

將地球表面依500km間距柵格化，以24h內(nèi)GPS+BD RO掩星測點柵格內(nèi)統(tǒng)計方差最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以式(18)為約束函數(shù)，采用遺傳算法對混合GNSS掩星大氣探測子星座B參數(shù)X尋優(yōu)。得到子星座B構(gòu)型碼為6/6/4:52°,720km，歷元時刻基準(zhǔn)星ΩB=23°，uB=13°。

對得到的混合探測星座進行前向GPS+BD掩星大氣探測模擬仿真，得到該混合星座每日獲取掩星探測次數(shù)高于6100次，某日掩星測點分布如圖5所示，較為均勻地實現(xiàn)了全球GNSS掩星大氣探測。

圖5 混合星座單日掩星測點分布圖Fig.5 Distribution of soundings by the multi-constellation in 24h

與COSMIC相比[12]，本文提出的混合星座包含8顆LEO衛(wèi)星，比由6顆LEO衛(wèi)星組成的COSMIC星座僅在星座規(guī)模上擴充了1/3，通過搭載FY3星載掩星接收機及優(yōu)化探測衛(wèi)星運行軌道參數(shù)，可實現(xiàn)掩星觀測次數(shù)由每天近1800次升至6000余次，探測數(shù)據(jù)量提高至COSMIC的3倍以上，可進一步緩解當(dāng)前氣象研究及應(yīng)用機構(gòu)對高垂直分辨率大氣數(shù)據(jù)的渴求。同時，仿真結(jié)果表明該優(yōu)化設(shè)計星座在12h時間間隔內(nèi)獲取全球掩星事件隨柵格覆蓋方差相比COSMIC降低12%，表明該星座在短時間間隔內(nèi)可以更為均勻地獲取全球掩星探測數(shù)據(jù)，更利于滿足于中尺度數(shù)值氣象預(yù)報等數(shù)據(jù)更新周期低于12h的GNSS掩星數(shù)據(jù)應(yīng)用需求。

特別地，鑒于掩星探測載荷體積小、質(zhì)量輕的特點，探測衛(wèi)星適于采用微小衛(wèi)星平臺搭建，此類星座中軌道傾角相同的衛(wèi)星所組建的子星座可采用一箭多星或一箭一星等多種發(fā)射方式靈活部署。當(dāng)子星座B采用一箭六星發(fā)射時，由于微小衛(wèi)星推進能力有限，星座部署時間相對最長。GNSS掩星無線電探測具有在軌即可執(zhí)行探測的特點，但在部署期間內(nèi)探測數(shù)據(jù)量不穩(wěn)定，且探測數(shù)據(jù)時空分布均勻度相對較差。

5 結(jié)論

GNSS掩星大氣探測星座是實現(xiàn)GNSS掩星大氣探測技術(shù)應(yīng)用的最佳手段，可突破性地實現(xiàn)全球、全天時、全天候、高垂直分辨率的地球大氣間接探測，其長期穩(wěn)定的探測性能和極具吸引力的探測成本優(yōu)勢吸引了氣象與航天領(lǐng)域的研究熱情，為LEO衛(wèi)星星座應(yīng)用開拓了嶄新的領(lǐng)域。針對此類衛(wèi)星系統(tǒng)依賴于大量模擬仿真進行比對選取的衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星星座設(shè)計研究現(xiàn)狀，本文利用理想大氣模型，將GNSS掩星大氣探測中復(fù)雜的“星—地—星”臨邊觀測問題轉(zhuǎn)化為基于“星—地”幾何關(guān)系的掩星觀測模型，提出了一種適用于GNSS掩星大氣探測星座設(shè)計研究的虛擬“星—地”掩星遙感假設(shè)，并基于該假設(shè)首次完成了探測星座參數(shù)對探測性能影響相關(guān)特性的分析和推導(dǎo)，為GNSS掩星大氣探測星座設(shè)計準(zhǔn)則的制定提供了理論依據(jù)。在所給出的GNSS掩星大氣探測星座設(shè)計準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，充分利用我國現(xiàn)有GNSS掩星大氣探測資源，快速實現(xiàn)了GPS+BD掩星大氣探測混合星座概念設(shè)計，與COSMIC相比，所得混合星座方案以星座規(guī)模擴充1/3為代價，掩星數(shù)量提升了2倍以上，且更適于中尺度數(shù)值氣象預(yù)告等短周期掩星數(shù)據(jù)更新需求，設(shè)計結(jié)果可用于未來我國GNSS掩星大氣探測衛(wèi)星星座研制參考。

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Research on the Multi-Constellation Design for GNSS RO Atmosphere Sounding

LIANG Bin, WANG Jue-yao

(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

The radio occultation (RO) atmospheric sounding with global navigation satellite system (GNSS) has extended a new area on LEO satellite constellation application in the last decade, while the constellation designs so far are majorly dependent on a mass of simulations and statistical results.With the assumption of the "satellite-to-earth" remote sensing which takes the geocentric angle between sub-satellite point and the sounding point as the sensing radius, a novel estimates method for GNSS RO soundings to accelerate the constellation design.Based on this method, the related features between constellation parameter and sounding coverage are derived;the design criteria of GNSS RO constellation for atmospheric sounding are established, and a GPS+BD RO constellation is designed with Sun-synchronous orbit and low-inclination orbit.The simulation results shows that the constellation design method proposed in this paper is feasible and effective, the amount of soundings by the multi-constellation designed in this paper is tripled of COSMIC, and the uniformity of the sounding coverage in12h is improve by 12%.

GNSS；Atmosphere sounding；Radio occultation;LEO satellite；Orbit design

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.03.010

2015-02-01；

2015-05-01。

國家自然科學(xué)基金(61175098)

梁斌(1968-)，男，博士，教授，主要從事航天控制領(lǐng)域的研究工作。E-mail：bliangcuhk@gmail.com

V474

A

2095-8110(2016)03-0058-07