廖蜜　張鵬　楊光林　白偉華　孟祥廣　杜起飛　孫越強（1 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081；2 南京信息工程大學(xué)，南京 2100； 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081； 中國科學(xué)院空間科學(xué)應(yīng)用中心，北京 100190）

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FY-3C的掩星探測特點和初步結(jié)果

廖蜜1,2,3張鵬3楊光林3白偉華4孟祥廣4杜起飛4孫越強4
（1 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081；2 南京信息工程大學(xué)，南京 210044；3 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；4 中國科學(xué)院空間科學(xué)應(yīng)用中心，北京 100190）

摘要：全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星接收機（GNOS-Global Navigation Satellite System Occultation Sounder）是風(fēng)云衛(wèi)星首次嘗試掩星探測技術(shù)的儀器，它能夠同時兼容GPS（Global Positioning System）和我國自主研制的北斗BDS（BeiDou navigation satellite）信號。簡要介紹了國際上掩星探測技術(shù)的發(fā)展情況，以及我國的首個民用掩星接收機GNOS的儀器概況，對其數(shù)據(jù)的主要處理過程進行了描述，并利用歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）再分析資料進行對比分析，結(jié)果顯示GNOS-GPS 掩星中性大氣折射率在5～25km有最優(yōu)的探測精度，標(biāo)準(zhǔn)偏差在1%以內(nèi)，中高緯度的精度好于低緯度地區(qū)。掩星探測的精度與國外同類掩星數(shù)據(jù)類似，體現(xiàn)了GNOS掩星探測的價值,但對于30km以上的高度，精度還有待進一步提高。

關(guān)鍵詞：FY-3C，掩星探測，GNOS，折射率

0　引言

無線電掩星探測技術(shù)，是指在導(dǎo)航衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的相對運動過程中，導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號切過大氣層，再被低軌衛(wèi)星上的接收器接收。這樣的信號不同于在真空中直線傳播的信號，由于它與大氣的相互作用，從而使其發(fā)生彎曲或延遲并包含大氣層的信息[1]。早期低軌衛(wèi)星（LEO）上的接收機主要設(shè)計為接收美國GPS導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號，因此無線電掩星探測也叫GPS-LEO掩星探測，隨著其他類似導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的完善，如俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALIEO以及我國的北斗BDS，為增加掩星觀測的數(shù)量，接收機可以設(shè)計為兼容接收多種導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，這樣的掩星觀測技術(shù)也被統(tǒng)稱為GNSS-LEO掩星觀測。接收機設(shè)計為雙頻信號接收，如接收GPS導(dǎo)航衛(wèi)星信號的f1=1573MHz和f2=1234MHz波段，記錄信號相位和振幅隨時間的變化，同時結(jié)合導(dǎo)航衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星高精度的位置和速度信息，利用復(fù)雜的反演算法得到以時間為函數(shù)的大氣或電離層的附加相位，再反演為以碰撞高度為函數(shù)的彎曲角廓線以及幾何高度為函數(shù)的折射率廓線，最后結(jié)合背景場信息，反演得到溫濕壓廓線[2]。

早在20世紀(jì)60年代，美國使用這樣的技術(shù)用于行星大氣的探測[3]，后經(jīng)模擬實驗證實也能用于地球大氣的探測[4]。隨著星載發(fā)射機上的時鐘性能逐步穩(wěn)定且制造成本降低、衛(wèi)星定位精度的不斷提高，以及GPS全球定位系統(tǒng)的組建，無線電掩星探測技術(shù)用于地球大氣的設(shè)想得以實現(xiàn)。20世紀(jì)90年代，以GPS/MET項目的開展為契機，掩星探測計劃得以順利實施[5]，并最終反演得到地球大氣物理參數(shù)廓線，經(jīng)驗證該類廓線盡管水平分辨率較低（大約300km）、最低探測高度還不能伸展到近地面，以及像其他衛(wèi)星探測一樣無法得到直接的風(fēng)場測量，但其具有的高垂直分辨率，高精度，全球分布，不受云、降水或氣溶膠的影響，無需定標(biāo)，與傳統(tǒng)探空廓線完全獨立等特征使得掩星探測資料有極大的應(yīng)用價值[6]。在GPS/MET的短暫試驗之后，有著更先進探測技術(shù)的掩星計劃隨即開展，如德國CHAMP、阿根廷SAC-C。2005年，美國和中國臺灣合作的 COSMIC掩星探測星座，能夠近實時、高精度、多數(shù)量地提供掩星廓線，為數(shù)值天氣預(yù)報、天氣氣候分析等多領(lǐng)域的應(yīng)用提供保障。此外，歐洲Metop極軌衛(wèi)星上的掩星接收機GRAS也開始業(yè)務(wù)運行，進一步提高了高質(zhì)量掩星數(shù)據(jù)的數(shù)量。這些掩星探測數(shù)據(jù)能夠有效地應(yīng)用到數(shù)值天氣預(yù)報、天氣和氣候分析、電離層研究以及輻射定標(biāo)等領(lǐng)域[7-10]。

目前，在現(xiàn)有的掩星探測計劃中，每天大約有3000條左右的掩星探測廓線，對于同化掩星資料用于數(shù)值天氣預(yù)報而言，還未能達到同化預(yù)報的數(shù)據(jù)飽和量。我國的掩星探測計劃在2000年之后即開始籌備，及至2013年9月23日風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星FY-3C發(fā)射時，搭載了我國第一個民用導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收機，即全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星接收機GNOS，它可以同時接收GPS導(dǎo)航信號和BDS北斗導(dǎo)航信號用以掩星探測。作為風(fēng)云衛(wèi)星在掩星探測技術(shù)上的首次嘗試，GNOS儀器及產(chǎn)品的現(xiàn)狀是本文討論的主要內(nèi)容。

1　儀器介紹

全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星接收機GNOS設(shè)計為采用國際上最先進的開環(huán)跟蹤（Open-loop）技術(shù)[11]，采樣頻率為100 Hz，與鎖相環(huán)跟蹤相比，這一技術(shù)可跟蹤信號至地面1～2km高度處。針對電離層的應(yīng)用需求，對GNOS天線結(jié)構(gòu)進行專門設(shè)計，監(jiān)測范圍最高可至800km。與國際上已經(jīng)實施和計劃中的掩星探測任務(wù)不同，GNOS除接收GPS信號以外，還兼容中國自主研發(fā)構(gòu)建的北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星信號，這一特點一方面將使GNOS擺脫對GPS信號的信賴，另一方面，也會使GNOS接收的掩星事件加倍。單一星座狀態(tài)下，GNOS每天可得到的中性大氣廓線和電子濃度廓線在500次左右，兼容北斗信號可使掩星數(shù)量增至1000次左右。在目前的業(yè)務(wù)狀態(tài)下，GPS信號的掩星廓線產(chǎn)品能夠達到業(yè)務(wù)的近實時處理，但BDS信號處理的產(chǎn)品還不能近實時獲取。

GNOS掩星探測儀由1個數(shù)據(jù)處理單元、3個射頻處理單元以及3副天線組成，3副天線分別為前向掩星接收天線、后向掩星接收天線以及定位接收天線。衛(wèi)星前進方向的天線及射頻單元用于接收上升的大氣和電離層掩星信號，后向方向的天線及射頻單元接收下降的大氣和電離層掩星信號，頂部定位接收天線及射頻單元接收非掩星信號，用于低軌衛(wèi)星的精密定軌。天線峰值增益為10dB。對于GPS信號GNOS設(shè)計了14個通道，其中8個用于定位，6個用于掩星探測；對于BDS它有8個通道，其中4個定位，4個掩星探測。詳細(xì)儀器參數(shù)見表1。

表1　GNOS 儀器的主要參數(shù)Table 1　GNOS instrument parameters

2　數(shù)據(jù)處理流程介紹

圖1是GNOS中性大氣數(shù)據(jù)處理流程的概略圖，顯示了從原始觀測數(shù)據(jù)到大氣參數(shù)的主要處理過程。

2.1精密定軌

精密定軌（POD）的作用即是精確確定衛(wèi)星位置和速度以及GNSS接收機鐘差，用于后續(xù)計算附加相位，它是后端反演產(chǎn)品精度的重要保證。在進行精密定軌時，需要輸入的數(shù)據(jù)包括定位天線測量得到的L1和L2波段的偽距和載波相位、IGS（International GNSS Service）網(wǎng)站提供的GPS軌道和發(fā)射機偏離GPS時間的鐘差信息、低軌衛(wèi)星的姿態(tài)信息以及地球傾向性參數(shù)。GNOS的數(shù)據(jù)處理包括近實時和后處理兩條業(yè)務(wù)主線，在近實時過程中精密定軌用到的GPS軌道是IGS提供的超快速精密軌道信息，時效在3h內(nèi)，而后處理則選用精度更高的軌道信息，時間滯后15d。經(jīng)在軌測試，GNOS精密定軌的精度能夠達到設(shè)計目標(biāo)，即實時定位精度小于10m，速度精度小于0.1m/s，后處理定位精度小于20cm，速度精度小于0.2mm/s。

圖1　GNOS 大氣掩星數(shù)據(jù)處理流程Fig.1　Flow chart of GNOS atmospheric processing

2.2Level1附加相位的計算

GNOS附加相位的計算目前采用的是通用算法—單差法[12]，它在掩星探測的同時接收一個參考星的信息，通過掩星和參考星之間的差值，來進一步消減低軌衛(wèi)星的鐘差。

2.3Level 2 產(chǎn)品反演

2.3.1彎曲角

在反演之前，以時間為函數(shù)的附加相位將會被進行周跳檢查和平滑處理，再利用導(dǎo)航衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星之間的幾何關(guān)系，依據(jù)幾何光學(xué)反演方法，假設(shè)單一路徑傳播以及球?qū)ΨQ的情況下，反演以碰撞參數(shù)為函數(shù)的彎曲角[13]。幾何光學(xué)方法在25km以上有較高的反演精度，但25km以下，由于垂直折射率梯度較大，射線會出現(xiàn)多路徑效應(yīng)，如繼續(xù)采用幾何光學(xué)反演則會帶來較大的誤差，因此在25km以下，采用波動光學(xué)（CT2）反演方法，將時間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到頻率坐標(biāo)系統(tǒng)下進行處理。

要得到中性大氣的彎曲角、折射率及后續(xù)產(chǎn)品，還需考慮電離層對中性大氣的影響。由于電離層粒子對不同無線電頻率有不同的響應(yīng)，而中性大氣的彎曲角不隨頻率的變化而變化，因此采用一個簡單的線性組合，即可消掉絕大部分電離層的影響。但這種線性組合方法仍會帶來一些殘余影響，因此還必須采用最優(yōu)估計的方法，結(jié)合氣候背景場信息（MSIS），得到最優(yōu)的無電離層影響的中性大氣彎曲角廓線。

2.3.2溫濕廓線

掩星反演溫濕廓線存在一個水汽模糊的問題，即不能同時反演得到溫度和水汽廓線。如在干大氣狀態(tài)下，不考慮水汽的影響，那么就能直接得到干大氣的溫度產(chǎn)品，這樣的假設(shè)在水汽含量較少的環(huán)境下適用，但在熱帶地區(qū)尤其是對流層低層，水汽含量豐富不能忽略的時候，這樣的反演就存在較大的誤差?？紤]到這樣的情況，GNOS反演溫濕廓線采用的是一維變分的方法，即利用T639模式預(yù)報場作為背景先驗信息，結(jié)合觀測場和背景場，擬定觀測誤差協(xié)方差和背景誤差協(xié)方差，反復(fù)多次迭代，最后同時反演出溫度和濕度廓線。

3　產(chǎn)品精度

GNOS有多級產(chǎn)品，可以滿足不同的應(yīng)用需求，最直接的應(yīng)用即是將彎曲角或折射率廓線經(jīng)資料同化系統(tǒng)用于數(shù)值天氣預(yù)報。彎曲角或折射率的精度可以最直接地反映GNOS儀器的探測性能和反演方法的有效性，而最后端的溫濕廓線，由于已包含了預(yù)報模式的信息，它的精度已不再完全是掩星資料的精度。因此，直接簡單而有效的衡量手段之一則是對折射率廓線進行精度驗證。由于BDS產(chǎn)品尚未進入業(yè)務(wù)化，因此以下的驗證結(jié)果只針對GNOS接收GPS信號的反演產(chǎn)品。

本文對2013年11—12月的近實時GNOS-GPS折射率產(chǎn)品，利用ECMWF的0.5°×0.5°格點、最高可達1hPa的37層標(biāo)準(zhǔn)氣壓層高度的再分析資料進行對比分析。盡管目前最理想的檢驗數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)的無線電探空資料，但是探空站點也存在一定的局限性，如分布不均勻，觀測頻次較低，站點數(shù)量較少，尤其是海洋、山地和極區(qū)等地，可能會帶來較大的系統(tǒng)性誤差。選擇再分析資料作為檢驗數(shù)據(jù)的原因是格點均勻分布，與掩星觀測的時空匹配樣本較多，且有效值的高度較高，可以從不同角度反映掩星觀測廓線的探測情況。

ECMWF再分析資料與GNOS掩星觀測資料的時間差設(shè)定為±1h，將再分析資料插值到時間匹配后的掩星廓線的空間位置上，利用溫濕壓數(shù)據(jù)計算折射率變量，再將再分析資料的折射率和掩星觀測的折射率廓線統(tǒng)一垂直插值到以200m為間隔的0～50km高度范圍內(nèi)，最后計算兩者之間隨高度變化的折射率相對差值。

圖2為GNOS折射率和COSMIC折射率與ECMWF再分析資料的平均偏差（實線）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（正負(fù)一個標(biāo)準(zhǔn)偏差，能更形象地展示掩星數(shù)據(jù)的誤差范圍，虛線所示）。圖中右部為樣本數(shù)量在每層的分布情況。平均偏差可以反映與ECMWF再分析資料的系統(tǒng)誤差，標(biāo)準(zhǔn)偏差可以反映掩星探測折射率的隨機誤差及其穩(wěn)定度。圖中所示，掩星折射率與ECMWF再分析資料之間總體平均偏差很小，約－0.1%，反映了掩星資料幾乎無偏的特性。在2km以下兩者有相對明顯的負(fù)偏差，在那樣的垂直范圍內(nèi)，掩星信號的信噪比有所降低，并且由于對流層低層濕度較大、垂直密度梯度變化明顯更容易出現(xiàn)掩星信號多路徑效應(yīng)，造成掩星折射率在對流層低層的負(fù)偏差和略大的標(biāo)準(zhǔn)偏差，這與國際上的同類掩星數(shù)據(jù)在低層的精度情況類似[14]；而在35km以上，則除了掩星本身的觀測誤差外（信噪比低、熱噪聲、電離層殘余影響等）[15]，還與ECMWF再分析資料在高空的誤差有關(guān)。對比COSMIC與ECMWF的比較結(jié)果，在30km以下，GNOS與COSMIC在平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差方面，曲線起伏特征吻合得較好，變化值差異較??；而在30km以上，標(biāo)準(zhǔn)偏差的差異逐漸加大，這可能與GNOS在高層信號微弱處的信噪比較低有關(guān)。此外，ECMWF再分析資料中已同化了COSMIC數(shù)據(jù)[16]，兩者有一定的相關(guān)性，高層大氣折射率呈較小的絕對值，在相對差異的比較中相關(guān)就更加明顯。

圖2　GNOS和COSMIC折射率與ECMWF再分析資料比較的平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差以及參與計算的樣本量Fig.2　The bias and standard deviation of the refractivity between GNOS and ECMWF reanalysis,and between COSMIC and ECMWF reanalysis,together with their collocated samples

總體來看，GNOS掩星探測精度最好的范圍為5～25km，其標(biāo)準(zhǔn)偏差值在1%以內(nèi)，這與利用再分析資料[14]或探空資料[17-18]分析CHAMP[19]或其他同類掩星數(shù)據(jù)[20]時得到的結(jié)論相同。GNOS折射率廓線與無線電探空的比較[21]，由于受空間樣本的限制，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差略大于1%，但也在設(shè)計指標(biāo)2%以內(nèi)。在2km以下的垂直范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏差稍大，約2.5%，這受制于低層濕大氣的多路徑效應(yīng)，而在30km以上的垂直范圍，標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸增大，這除了受掩星探測的誤差影響外，還由于在高層折射率絕對值較小，微小的變化會被相對差異放大?？偟膩碚f，這樣的垂直誤差特征與同類掩星資料的驗證結(jié)果類似。

除了總體的掩星精度，分緯度帶的精度結(jié)果如圖3所示。由于掩星事件的全球均勻分布，可以將掩星廓線按高緯度（60°—90°N，60°—90°S）、中緯度（30°—60°N，30°—60°S）以及低緯度（30°N—30°S）進行分析?？梢钥闯?，中高緯度的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差差異不大，與全球平均的誤差特征類似，且在5～25km的“黃金范圍”標(biāo)準(zhǔn)偏差更小，約0.5%，這是由于除了在中高緯度樣本量相對更多以外（受極軌衛(wèi)星傾角的影響），水汽含量較少，信號受其干擾產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的影響較小。但在低緯度則有不一樣的誤差特點，平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差都更大，尤其是熱帶地區(qū)的對流層低層。此外在15～30km的垂直范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均偏差都出現(xiàn)明顯的“波動”特征，并在大約17km處有一個顯著的右折。由上面的討論可知，掩星探測在5～25km是探測性能最好的范圍，這樣的波動極有可能是ECMWF再分析資料引入的。再分析資料垂直層數(shù)有限，垂直分辨率較折射率數(shù)據(jù)來說低很多，對于對流層頂較大的垂直溫度梯度，不能很細(xì)致地反映，因此在這樣的垂直范圍內(nèi)，GNOS折射率數(shù)據(jù)與ECMWF再分析數(shù)據(jù)的對比出現(xiàn)較大的“波動”特征。

4　總結(jié)

GNOS-GPS各級反演產(chǎn)品已于2014年6月在衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)上向公眾開放，而GNOS-BDS的業(yè)務(wù)化處理也將在后續(xù)BDS系統(tǒng)精密星歷近實時部署完成后實現(xiàn)。本文在簡單介紹了國際上掩星探測技術(shù)的發(fā)展情況后，對我國的首個民用掩星接收機GNOS的儀器屬性以及其主要的產(chǎn)品反演過程進行了簡要的描述。為定量化地說明GNOS儀器的探測性能，以其折射率產(chǎn)品為檢驗對象，利用ECMWF再分析資料完成時空匹配后進行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，GNOS-GPS 掩星折射率在5～25km有最優(yōu)的探測精度，標(biāo)準(zhǔn)偏差可達1%以內(nèi)，中高緯度的精度好于低緯度地區(qū)。此外，掩星探測資料由于有較高的垂直分辨率，較再分析資料更能反映對流層頂以上的垂直特征。以上掩星精度的特點與國外同類掩星數(shù)據(jù)類似，體現(xiàn)了GNOS掩星探測的價值，但對于風(fēng)云氣象衛(wèi)星的首次嘗試，掩星探測技術(shù)和反演方法還有待繼續(xù)發(fā)展，尤其是對于30km以上的高層，精度還有待進一步提高。

致謝：感謝ECMWF提供再分析資料和CDAAC提供COSMIC掩星數(shù)據(jù)。

圖3　GNOS折射率與ECMWF再分析資料在高、中、低緯度的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差以及參與計算的樣本量Fig.3　The bias and standard deviation of the refractivity between GNOS and ECMWF reanalysis in terms of high latitudes,middle latitudes and low latitudes,and together with their collocated samples

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Status of Radio Occultation Sounding Technology of FY-3C GNOS

Liao Mi1,2,3,Zhang Peng3,Yang Guanglin3,Bai Weihua4,Meng Xiangguang4,Du Qifei4,Sun Yueqiang4
(1 Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 1000812 Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 2100443 National Satellite Meteorological Centre,Beijing 1000814 Center for Space Science and Applied Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)

Abstract:This paper gives a brief introduction to the status of radio occultation technology implemented on FY-3C and describes the instrument mounted on it,GNOS(Global Navigation satellite system Occultation Sounder).The data processes are stated as well.To evaluate its performance,the refractivity profiles are compared by makking use of ECMWF reanalysis in terms of global and different latitudes.The results show that the performance of GNOS-GPS is the best at the vertical range of 5-25km with the standard deviation below 1%,consistent with other occultation sounders.The expected result demonstrates that middle and high latitudes show less bias than lower areas,due to fewer multipath effects of moist atmosphere.These results illustrate that FY-3C has possessed a new sounding ability with the first trial,but still has much work to do to improve the precision at higher altitude.Keywords:FY-3C,radio occultation technology,GNOS,refractivity

收稿日期：2015年8月27日；修回日期：2015年12月29日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.012

第一作者：廖蜜（1986—），Email:liaomi@cma.gov.cn