安豪，嚴衛(wèi)，杜曉勇，卞雙雙

（ 1. 西安測繪研究所, 西安 710054；2. 國防科技大學 氣象海洋學院, 長沙 410073 ）

0 引 言

近年來，隨著衛(wèi)星導航精密定位技術的發(fā)展，主要包括美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo和中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)在內(nèi)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)迅猛建設和日臻成熟. GNSS能提供全天候、全時段精準的定位導航和授時(PNT)服務，率先在軍事領域得到了廣泛應用，還在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)、科學研究等人類社會和生活的方方面面發(fā)揮著不可估量的作用[1-2].

在GNSS高精度導航定位中，大氣層和地表環(huán)境的干擾會導致定位產(chǎn)生誤差. 至今，這些干擾仍然是高精度定位中不易解決的問題. 然而，科學家在進行消除干擾研究時，從逆問題的角度出發(fā)，創(chuàng)造性地將大氣延遲、地表反射等誤差源作為有價值的信號源，開展了遙感探測大氣和地表環(huán)境要素的研究，極大地拓展了GNSS的應用領域. 由于GNSS信號豐富、全球覆蓋、成本低廉等獨特優(yōu)勢，迅速掀起了一波又一波研究熱潮，取得了大量的創(chuàng)新性研究成果，部分研究成果已在相關業(yè)務上發(fā)揮重要作用[2-3].

經(jīng)過二十多年的發(fā)展，利用GNSS信號可探測多項大氣海洋要素，比如大氣溫濕廓線、大氣可降水量(PWV)、電離層電子密度、海面高度、海面風場等，逐漸形成了GNSS大氣海洋遙感技術[2]. 概括起來，該技術主要有四個分支：GNSS延遲信號( GNSS-D)技術、GNSS反射測量(GNSS-R)技術、GNSS無線電掩星(GNSS-RO)技術、GNSS極化掩星(GNSS-PRO)技術[4].

1 GNSS-D技術

1.1 基本原理

GNSS-D技術是指利用大氣層對GNSS導航定位的干擾信息，即延遲項，獲得GNSS信號路徑與大氣相關信息的技術. 圖1中由于不同高度不同大氣折射率的存在，GNSS信號在大氣層傳播過程中不會沿直線傳播而發(fā)生了彎曲，從而使信號產(chǎn)生了時間延遲.這種延遲可分為中性層延遲和電離層延遲，由于中性層延遲一般發(fā)生在對流層，故也稱對流層延遲[5]. 對流層延遲主要與大氣中可降水量相關，電離層延遲主要與電離層電子密度含量(TEC)相關，故可利用GNSS信號對PWV和TEC進行探測.

圖1 GNSS-D信號傳播示意圖

1.2 研究進展

1.2.1 GNSS PWV探測

地基GNSS探測PWV的概念最早由美國BEVIS等[6]在1992年提出. 隨后，許多試驗如GPS/STORM、GPS-WIS94、WWAVE、CLAM[7-9]等陸續(xù)開展，證實了該技術的可行性，與傳統(tǒng)探空、水汽輻射計手段相比，其精度差別不大. GPS 地基觀測網(wǎng)的布設為水汽的分布研究提供了條件，不少專家開展了水汽層析反演試驗、層析模型、三維和四維層析方法等研究，取得了較好的成果[10-11].

毛節(jié)泰[12]、李成才等[13]開展了一系列理論研究和可行性試驗. 此后，多次外場試驗在不同的區(qū)域開展，比如國家衛(wèi)星氣象中心和北京大學等單位先后在北京地區(qū)、安徽地區(qū)，中國科學院上海天文臺在上海地區(qū)，充分驗證了技術的可行性，評估了所獲PWV的精度[1，14]. 不少專家基于地基GPS監(jiān)測網(wǎng)進行層析水汽的試驗，研究不同的層析算法，重構出水汽區(qū)域信息[15-16]. 近年來，也有關于BDS信號提取PWV的研究[17-18]. 經(jīng)過二十多年發(fā)展，相關研究取得了十分顯著的成果，形成了一門新興交叉學科—地基GNSS氣象學.

GNSS是一種獲取大氣水汽產(chǎn)品的有效方法，可以提供高時空分辨率的大氣水汽數(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)已廣泛應用于區(qū)域數(shù)值天氣預報中. 目前，上海、武漢、香港等地區(qū)的地基GNSS水汽監(jiān)測網(wǎng)已正式運行，所獲實時PWV精度可達1～2 mm. 從應用情況看，依然無法達到讓人十分滿意的效果，仍有一些科學問題亟待研究，比如水汽分布的實時獲取、對流層延遲計算模型的適用性、水汽產(chǎn)品的區(qū)域同化、四維水汽層析算法的精度提高、多源數(shù)據(jù)(BDS/GPS)的組合觀測，移動平臺(船載)水汽反演算法等.

1.2.2 地基GNSS電離層探測

伴隨著GPS系統(tǒng)的建設，利用地基GPS信號對電離層信息進行探測和建模成為熱點研究方向之一.LANYI等[19]在1988年最早提出，并開展了相關探測與建模，初步論證了其可行性. 1993年，MANNUCCI等[20]在利用GPS數(shù)據(jù)獲取全球TEC的基礎上，開展了建模研究. 此后，許多專家也從事該領域研究，重點解決建模精度問題[21-22]. 為解決區(qū)域特征獲取問題，相關領域專家利用電離層層析技術，重構出區(qū)域電子密度分布信息[23-24]，并得到廣泛應用. 國際GNSS服務(IGS)于1998年成立，旨在基于GPS數(shù)據(jù)監(jiān)測全球TEC變化的工作，并提供專門的電離層服務和產(chǎn)品. 目前，全球有7個IGS電離層聯(lián)合分析中心(中國兩個)，主要向IGS提交各自的電離層產(chǎn)品文件，用于全球電離層監(jiān)測及建模[25].

國內(nèi)對這一研究的起步稍晚，主要集中于不同大小區(qū)域電離層模型的構建、層析算法的研究等.1999年，劉經(jīng)南院士[26]采用多項式構建了區(qū)域性電離層模型；2001年張小紅等[27]利用多項式擬合方法，研究了小區(qū)域電離層模型的構建問題；柳景斌等[28]研究了時空分布均勻且精度較高的中國區(qū)域電離層球冠諧分析模型；任曉東[29]分析了多GNSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合及建模問題. 與電離層分布大范圍、高精度觀測緊密相關的二維、三維和四維層析算法研究問題也得到了許多學者的關注[30-32]，突破的關鍵技術具有較強的應用價值. 目前，隨著我國BDS的全面建成，BDS信號的電離層監(jiān)測與產(chǎn)品應用、不同產(chǎn)品數(shù)據(jù)融合也是值得深入研究的方向.

2 GNSS-R技術

2.1 基本原理

GNSS-R技術是基于GNSS反射信號提取反射體信息的技術，是GNSS信號的又一創(chuàng)新應用，其研究機理是采用同一GNSS接收機同時接收直射信號和經(jīng)反射體的反射信號，并通過分析反射信號在波形、強度、頻率、相位、極化等方面的變化特征，反演出反射體相關信息，如圖2所示. 該概念由歐空局專家MARTIN-NEIRA[33]于1993年首先提出，得到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關注，先后開展了不同參數(shù)反演的理論研究. 從試驗研究到應用研究，經(jīng)歷了地基、?；?、空基、天基研究，發(fā)展了海面參數(shù)遙感到陸面參數(shù)遙感. 因此，這里從海面參數(shù)遙感和陸面參數(shù)遙感兩個方面進行分析.

圖2 GNSS-R信號傳播示意圖

2.2 研究進展

2.2.1 海面參數(shù)遙感

國內(nèi)外研究人員重點開展了海面高度、海面風場、有效波高、海冰和海洋鹽度等海表信息的理論、算法和試驗研究. 為驗證GNSS-R信號提取海面風場的可能性，從20世紀90年代中期開始，美國國家航空航天局(NASA) 先后開展了地基、空基試驗，不斷優(yōu)化專門的接收機和算法，達到了試驗目的[34-35]. 歐空局專家MARTIN-NEIRA等也多次開展Zeeland橋試驗，用于驗證海面測高的可行性. 隨后，為研究監(jiān)測海面風場、有效波高、海面高度的可行性，美國NASA與科羅拉多大學、歐空局、德國GFZ、西班牙IEEC與Starlab等機構在諸多接收機研制和數(shù)據(jù)處理算法研究的基礎上，利用海岸、熱氣球、高塔、飛機、飛船、橋梁等進行了多次試驗[36-39]. 在海冰監(jiān)測、海洋鹽度反演也進行了理論和試驗研究[40-41]. 目前，該技術的研究主要聚焦在星載試驗，比較著名的有英國發(fā)射的全球首個用于海面波高和風場反演試驗的Tech-Demonsat-1衛(wèi)星[39]、NASA于2016年發(fā)射的用于熱帶氣旋探測及其海面風場業(yè)務化運行的CYGNSS星座[42]、歐空局用于驗證海面測高和風場反演試驗的GEROS-ISS項目[43].

國內(nèi)機構和專家也跟緊國外相關研究，主要進行了海面測高、海面風場的仿真分析、硬件研制、算法研究和驗證試驗. 2003年楊東凱等[44]利用自制接收機，開展了機載試驗，用于驗證GPS-R測風和測高的可能性. 隨后，符養(yǎng)[45]和王迎強[46]等研究了一種新的風場反演方法，并通過機載試驗驗證了其有效性.2006 年，國內(nèi)首次岸基GNSS-R海洋遙感試驗—CORE試驗在廈門海岸開展，并獲得了有效波高[47].為充分驗證GPS-R測風的算法，中國科學院國家空間科學中心也在渤海地區(qū)開展機載試驗[48]. 近年來，該技術研究的重點在如何改進數(shù)據(jù)處理算法提高海面測高、海面風速的精度上[49-50]. 國內(nèi)對于在GNSSR監(jiān)測海冰尚處于起步階段，主要借助于國內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)驗證可行性[51-52]. 隨著我國BDS的建設，出現(xiàn)了利用BDS反射信號提取相關參數(shù)的研究，主要在利用BDS信號獲取潮位、海面波浪高度和海平面變化等方面取得了不少研究成果[53-55]. 對于星載試驗，2019年我國發(fā)射了首顆載有GNSS-R載荷的“捕風一號A/B”兩顆試驗小衛(wèi)星，主要用于海面風場的反演研究，也可監(jiān)測冰川、積雪厚度、土壤濕度等[56]；2021年7月5日發(fā)射的風云系列衛(wèi)星FY-3E上，也增加了GNSS-R海面風場探測功能[57].

2.2.2 陸面參數(shù)遙感

對于GNSS-R陸面參數(shù)的遙感，目前主要在反演土壤濕度和積雪深度. 反射表面的介電常數(shù)是影響GNSS-R信號的特性，而介電常數(shù)和土壤濕度、積雪深度有關聯(lián)，可用GNSS-R信號反演土壤濕度、積雪深度. MASTERS等[58]開展了塔基試驗對GNSS-R反演土壤含水量進行研究. 為驗證反演土壤濕度可行性，美國NASA和科羅拉多大學于2002年開展首次機載試驗[59]，并持續(xù)開展多次試驗. 許多國家和地區(qū)相繼開展試驗進行研究，2007—2008年法國先后進行兩次機載試驗，2005—2008年澳大利亞開展四次機載試驗[60]，2009、2011年歐空局先后開展兩次地基和機載試驗[61]，英國 TechDemonsat-1衛(wèi)星GNSS-R數(shù)據(jù)反演土壤濕度研究[62]. 也有一些算法的研究，比如西班牙RODRIGUEZ-ALVAREZ N等[63]研究的干涉模式信息測量技術、美國LARSON等[64]研究的多路徑信號提取土壤濕度技術. 對于積雪深度研究起步相對較晚，2009年開始，美國專家結合實際暴風雪進行了探索研究[65]，并推導出利用GNSS信噪比提取積雪深度的機理和數(shù)據(jù)處理方法[66-67]；西班牙專家利用長期地基試驗，進一步研究了干涉模式信息測量技術和相關反演算法[68].

國內(nèi)相關機構和專家利用國外試驗數(shù)據(jù)開展了土壤濕度反演的機理研究[69]，開展了地基試驗：武漢大學與中國科學院武漢植物研究所聯(lián)合開展了多次地基試驗[70]；隨后，中國氣象局、中國科學院國家空間科學中心、中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所、清華大學、北京大學、北京航空航天大學等單位也先后多次開展了地基試驗[71-72]，初步得出在平坦地表時，反演結果與土壤濕度計實測結果一致性較好，但對于粗糙地表還需深入的研究. 其中，2014年在河南鄭州開展的GNSS-R機載試驗，得出了土壤濕度的估算方法，具有重要的參考價值[73]. 武漢大學進行了基于BDS反射信號的反演算法和試驗研究，驗證了BDS信號反演土壤濕度的可行性[74].

對于積雪深度，邵禮明等[75]利用歐空局在南極洲的GNSS-R干雪試驗數(shù)據(jù)，探索了可行性；李彬彬等[76]在美國科羅拉多大學試驗數(shù)據(jù)的基礎上，進行了積雪深度的反演研究；中國科學院上海天文臺的金雙根等[77]證明了L2P 的信噪比數(shù)據(jù)能夠有效反演雪深；劉智康等[78]在北極黃河站開展了地基試驗，所得雪深變化特征與實測值較一致；王力福等[79]利用新疆阿勒泰地區(qū)GPS監(jiān)測站數(shù)據(jù)，對積雪深度進行了反演，表明地基GNSS氣象監(jiān)測站的又一潛在應用價值. 目前，積雪深度的反演精度需進一步的提高，一方面可從反演算法入手；另一方面可考慮在不同導航系統(tǒng)、不同衛(wèi)星、不同頻段反演結果的融合上下功夫.

3 GNSS-RO技術

3.1 基本原理

該技術通常將接收機裝在低軌道地球衛(wèi)星(LEO)上，并在掩星條件下對GNSS信號進行接收，由于受到電離層電子和中性大氣的折射效應影響，GNSS信號在大氣層中的傳播路徑發(fā)生了彎曲，使得信號產(chǎn)生了延遲，利用相關算法解算這些延遲可獲取路徑上的大氣和電離層參數(shù)信息如圖3所示.

圖3 GNSS-RO信號傳播示意圖

3.2 研究進展

上世紀80年代，伴隨著GPS星座的發(fā)展，已有學者針對掩星技術探測大氣相關理論進行預先研究，為后續(xù)利用GPS掩星探測積累了技術[80]. 為驗證其可行性， KURSINSKI等[81]利用美國Microlab-1衛(wèi)星成功接收的掩星數(shù)據(jù)反演出大氣信息. 隨后，一系列GPS掩星項目研究先后在不同國家和地區(qū)展開，比如丹麥的Orsted、德國的CHAMP、阿根廷的SACC、美國與德國合作的GRACE、美國與中國臺灣合作的COSMIC、COSMIC-2、歐空局的Metop-A、Metop-B、Metop-C和我國的FY-3C、FY-3D、FY-3E以及歐洲氣象衛(wèi)星組織的第二代極軌衛(wèi)星(EPS-SG)計劃等，其中應用較為廣泛的是COSMIC星座[82]. 近年來，微納衛(wèi)星上搭載GNSS掩星氣象探測載荷成為研究的熱點. 美國計劃在低軌部署 “持續(xù)地球無線電掩星群計劃” (CICERO)星座，其首顆星已于2017年發(fā)射，目前正在組網(wǎng)建設中；一些商業(yè)氣象公司也啟動了掩星項目，比如Spire Global、GeoOptics、PlanetiQ都在推進自己的LEO衛(wèi)星星座，用于獲取GNSS掩星數(shù)據(jù)，以提供更精準的氣象數(shù)據(jù)服務[83].

我國對該技術的研究從地基掩星開始. 2003 年，北京應用氣象研究所聯(lián)合多家單位在五臺山開展了我國首次山基試驗，填補了國內(nèi)的空白[48]. 隨后，多個機構分別在湖北藥姑山和九宮山[84]、河北霧靈山[85]開展了山基試驗，充分研究了相關設備和算法的可行性. 2013年，我國FY-3C衛(wèi)星上搭載了國際首臺BDS/GPS兼容的掩星探測儀，成功得到大量掩星數(shù)據(jù)及反演產(chǎn)品，在數(shù)值天氣預報和氣候監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用[86]. 2017年發(fā)射的FY-3D衛(wèi)星和2021年發(fā)射的FY-3E衛(wèi)星繼續(xù)搭載了該載荷[87]. 2018年發(fā)射的“張衡一號”電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星，也搭載了可接收GPS和BDS掩星信號的載荷[88]. 還有一些微納衛(wèi)星項目，比如2020年1月發(fā)射了天津大學研制的國內(nèi)首個商業(yè)GNSS掩星探測載荷、南京信息工程大學計劃的“南信大一號”GNSS大氣海洋遙感試驗衛(wèi)星項目等.

近年來，國內(nèi)外對GNSS大氣參數(shù)掩星探測的研究較多，且相對成熟. 目前的研究重點集中在誤差分析[89]、氣候應用[90]、數(shù)據(jù)同化[91]方面. 對于GNSS電離層掩星探測，大致集中在幾個方面：消除局部球對稱假設的影響、LEO衛(wèi)星高度以上的電子含量的影響等誤差源剔除[92]，提高反演精度為主的反演算法研究[93]，聯(lián)合地基天基探測結果對電離層層析成像的算法研究[94]和研究電離層模型、全球電離層同化模型、電離層運行機制、監(jiān)測空間天氣異常等[95]為主的應用研究.

4 GNSS-PRO技術

4.1 基本原理

目前，國際上對GNSS-PRO的研究還很少. 最早由西班牙研究人員CARDELLACH等[4]于2010年提出利用LEO衛(wèi)星接收GNSS-PRO信號探測強降雨的概念，其基本原理是右旋圓極化的GNSS信號在穿過雨區(qū)時，受到非球形雨滴的影響，水平極化分量和垂直極化分量的相位會發(fā)生偏移，在掩星條件下接收該偏移量進而獲取降雨信息具體如圖4所示. 在Radio-Occultation and Heavy Precipitation with PAZ項目支持下，該團隊研制出專門的GNSS雙極化掩星接收機，并搭載在2018年2月22日發(fā)射的西班牙地球觀測極軌衛(wèi)星 PAZ上.

圖4 低軌衛(wèi)星接收GNSS-PRO信號監(jiān)測強降雨原理示意圖[4]

圖5中PAZ 衛(wèi)星上的GNSS-PRO 載荷是國際上首臺雙極化掩星接收機，可同時接收穿過降水云團的掩星信號和極化信號. 因此，該項目不僅可獲得常規(guī)掩星所得大氣溫壓濕廓線，還探究利用GNSSPRO 載荷監(jiān)測強降雨的能力. 掩星信號得到的降水云中大氣溫壓濕廓線信息，對于降水云系的結構和發(fā)展過程研究具有十分重要的意義；極化信號反演的降水信息將為天基降水探測提供新的手段，對全球降水觀測具有重要作用.

4.2 研究進展

自該新概念提出以來，為充分驗證其可行性，CARDELLACH研究團隊在理論分析、算法研究、數(shù)據(jù)處理、試驗驗證等方面開展了大量的研究. 2014年，將42萬多條COSMIC掩星廓線與TRMM衛(wèi)星雨強信息對比得出，掩星觀測極化相移與強降雨的相關性較好[96]. 因此，研制了專門的微帶天線，開展了長期的地基試驗，針對性地研究了各種誤差源及影響因素的處理方案，并利用實測數(shù)據(jù)，驗證了該思路的可行性[97]. 還提出了一種概率反演算法用于降雨強度的反演，并利用GPM降水產(chǎn)品說明了其有效性[98]. 對于PAZ衛(wèi)星試驗數(shù)據(jù)，通過處理和對比分析，得出了降水云中的大氣溫濕壓廓線，成功獲得強降水中的極化相移觀測值以及降水云的垂直結構[99]，進一步說明了其潛在的應用價值. 但是，目前還沒有看到降雨強度的定量反演結果.

國防科技大學氣象海洋學院團隊對相關理論和試驗進行了研究. 基于GNSS信號穿過雨區(qū)后極化特性(交叉極化分辨率、極化相移)發(fā)生變化的物理特性，分別建立了交叉極化分辨率和極化相移隨雨強變化的正演模型，利用數(shù)值模擬了兩種模型反演雨強的可行性[100-103]. 在此研究基礎上，該團隊研制了專門的用于接收GNSS雙極化信號的圓錐喇叭天線，圖6為GNSS雙極化降雨監(jiān)測系統(tǒng)，并于2015年和2016年在南京溧水開展了長期地基試驗，逐一解決了質(zhì)量控制、失鎖、周跳、硬件效應、電離層、中性大氣、初值不確定、多路徑效應等問題，獲得雨致極化相移觀測值，充分驗證了該新概念的可行性，為后續(xù)天基試驗研究奠定了基礎[104].

圖6 外場試驗中GNSS雙極化降雨監(jiān)測系統(tǒng)的戶外天線部分[104]

5 結束語

GNSS大氣海洋遙感是20世紀末發(fā)展起來的新興研究領域，其非常精妙地將遙感探測、大氣海洋空間科學與衛(wèi)星導航定位技術相結合，大大拓展了GNSS的應用范圍，極大地發(fā)揮了其應用價值. 由于GNSS信號有全球性、全天候、全天時、穩(wěn)定性、免費、時空分辨率高、抗干擾性強等優(yōu)勢，在大氣海洋遙感領域的應用一直是許多國內(nèi)外專家研究的焦點.目前，由我國自主發(fā)展、獨立運行的BDS已完成全球組網(wǎng)，為GNSS大氣海洋遙感技術的發(fā)展帶來了新的機遇，將有力的促進該領域的研究及應用. 雖然該遙感技術經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展，取得了一系列研究成果和成功的應用，但仍存在一些值得進一步研究的地方：

1)高精度產(chǎn)品生成方面. 目前，GNSS-D和GNSSRO技術已基本成熟，在全球地基觀測站網(wǎng)和眾多衛(wèi)星載荷的接收下，積累了海量的數(shù)據(jù)，反演出了較高精度的產(chǎn)品. 但是，三維、四維水汽和電離層參數(shù)分布等產(chǎn)品的精度還需進一步的提高，可在模型構建、資料同化、層析算法等方面進行深入研究；也可借助人工智能技術，充分挖掘大數(shù)據(jù)的特征，以得到更多更高精度的產(chǎn)品.

2)更先進接收系統(tǒng)方面. 不同領域不同需求的GNSS接收機系統(tǒng)已基本實現(xiàn)，但從未來發(fā)展需求的角度看，隨著GNSS星座的不斷發(fā)展，多頻、多模、更多通道的GNSS接收機需加快發(fā)展；多功能集成的接收機需重點研制，比如集定位、GNSS-RO和GNSS-R、GNSS-PRO等功能于一體；小型化、智能化的接收機具有巨大的應用前景，比如可搭載于微納衛(wèi)星上，具備星上實時處理功能等.

3)新方向深入研究方面. 目前，GNSS-R技術的地表遙感理論體系和方法研究正在逐步完善，星載試驗驗證還處于初步研究階段，故在海面要素監(jiān)測、土壤濕度提取、冰雪參數(shù)遙感等方面有許多科學和技術問題值得進一步的研究. GNSS-PRO技術處于探索研究階段，但其顯示出深遠的科學意義和潛在的應用價值. 因此，其相關理論、算法、星載試驗和應用方面都需要研究.

4)深挖掘應用潛力方面. 在應用領域上，電離層產(chǎn)品可用于地震監(jiān)測與短臨預報，GNSS-R技術可用于監(jiān)測海面溢油、海洋渦流、海上目標以及提取大氣波導、植被信息等. 在應用方式上，隨著多個GNSS應用衛(wèi)星星座的建設，多衛(wèi)星多載荷協(xié)同觀測、星地多手段綜合監(jiān)測已成為可能，這樣可實現(xiàn)更大范圍、更高精度甚至實時準實時的環(huán)境要素監(jiān)測，進一步提高對大氣海洋環(huán)境的認知.