張志華，王 鑫，呂達(dá)仁

LEO-LEO微波掩星探測(cè)溫度和水汽廓線研究進(jìn)展*

張志華1,2，王 鑫*1，呂達(dá)仁1,2

（1中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 北京 100029 2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

低地球軌道衛(wèi)星間（LEO-LEO）微波掩星探測(cè)技術(shù)利用水汽吸收線附近信號(hào)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)的折射和吸收作用，能夠在沒(méi)有輔助背景信息的情況下獨(dú)立反演溫度和水汽廓線，從而克服GNSS-LEO無(wú)線電掩星技術(shù)在大氣中低對(duì)流層存在的“溫度–水汽模糊”問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在軌的LEO-LEO掩星探測(cè)。為了促進(jìn)我國(guó)LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)發(fā)展，本文對(duì)LEO-LEO微波掩星探測(cè)溫度和水汽廓線研究前沿及進(jìn)展進(jìn)行了回顧和總結(jié)。首先介紹了LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史，闡述了LEO-LEO掩星探測(cè)的基本原理和探測(cè)頻點(diǎn)選擇，重點(diǎn)介紹了LEO-LEO微波掩星探測(cè)溫度和水汽廓線的反演技術(shù)研究動(dòng)態(tài)，并介紹了LEO-LEO掩星探測(cè)任務(wù)國(guó)際進(jìn)展，最后進(jìn)行了總結(jié)和展望。本研究可為實(shí)現(xiàn)LEO-LEO掩星空間探測(cè)技術(shù)提供基本科學(xué)理論參考。

LEO-LEO；微波掩星探測(cè)；反演；溫度廓線；水汽廓線

引 言

近些年來(lái)，臺(tái)風(fēng)、海嘯、暴雨等極端天氣的頻發(fā)帶來(lái)巨大災(zāi)害，已使全球氣候變化與應(yīng)對(duì)策略成為關(guān)乎國(guó)家發(fā)展與人民生活的極端重要科學(xué)問(wèn)題。溫度和水汽是描述地球大氣狀態(tài)的兩個(gè)重要參數(shù)，具有明顯的四維時(shí)空變化特性，直接影響太陽(yáng)短波輻射與地–氣系統(tǒng)長(zhǎng)波輻射的相互作用，進(jìn)而影響全球的輻射能量收支平衡。政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告顯示，相對(duì)于1850–1900年，2010–2019年全球地表平均溫度已上升約1 ℃，并指出從未來(lái)20年的平均溫度變化來(lái)看，全球溫升預(yù)計(jì)將達(dá)到或超過(guò)1.5 ℃[1]。報(bào)告預(yù)估，在未來(lái)幾十年里，所有地區(qū)的氣候變化都將加劇。水是地球大氣中唯一能以固、液、氣三相態(tài)存在的物質(zhì)，且存在三相態(tài)互相變化，在云的演變、降水的發(fā)生及變化中都起著重要的作用。水汽在地球大氣中所占比例很小（僅0.1%～3%），卻是大氣中最活躍的部分，對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)有重大影響[2]。水汽還是地球大氣的主要溫室氣體，它對(duì)于太陽(yáng)短波是透明的，但能夠吸收地球的長(zhǎng)波輻射，從而使大氣溫度升高[3]。認(rèn)識(shí)和了解溫度和水汽的時(shí)空分布與變化規(guī)律，特別是高垂直分辨率、高精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定的垂直分布特征，是研究認(rèn)識(shí)大氣能量物質(zhì)交換、全球變化等重大問(wèn)題的科學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)氣候變化研究、天氣現(xiàn)象分析及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等都具有重要意義。

1960年4月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）成功發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星Tiros-1，開(kāi)創(chuàng)了空間探測(cè)科學(xué)研究的新紀(jì)元，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有視野開(kāi)闊、觀測(cè)范圍廣、觀測(cè)時(shí)次多等優(yōu)點(diǎn)，成為探測(cè)地球大氣的有力手段[4]。利用衛(wèi)星探測(cè)地球大氣垂直結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，從初期僅有少數(shù)幾個(gè)紅外寬波段通道、低空間分辨率觀測(cè)，逐步發(fā)展到紅外儀器、微波儀器同平臺(tái)跨衛(wèi)星軌道掃描和較高空間分辨率觀測(cè)。然而，紅外探測(cè)設(shè)備不能穿透云層，地球上大約有三分之二的區(qū)域覆蓋了云，這給紅外遙感系統(tǒng)造成了基本的采樣困擾，全球?qū)α鲗拥募t外采樣本質(zhì)上是不完整的和偏干的，例如AIRS像素的90%～95%受到云污染[5]。另外，強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)通常形成在多云區(qū)域，而紅外儀器無(wú)法穿透，無(wú)法滿足盡可能早地捕獲強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的愿望。被動(dòng)微波探測(cè)器能夠穿透云層，例如衛(wèi)星微波輻射計(jì)，通過(guò)被動(dòng)接收大氣輻射的微波信號(hào)，探測(cè)輻射亮溫信息，從而獲得大氣溫度和濕度廓線。但由于大陸地表溫度的多變性和復(fù)雜性，此技術(shù)用于海洋表面的遙感比陸地更為適合，且衛(wèi)星微波輻射計(jì)的垂直分辨率有限，例如先進(jìn)微波探測(cè)儀（AMSU-B），其垂直分辨率約為2 km。此外，被動(dòng)微波臨邊探測(cè)儀（MLS）可以提供對(duì)流層中上層的大氣廓線，垂直分辨率約為2 km～3 km，但容易受冰云散射的限制，反演得出的對(duì)流層采樣不完整且有偏[6,7]。

二十世紀(jì)九十年代初，美國(guó)的全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）星座的建成為無(wú)線電掩星探測(cè)地球大氣創(chuàng)造了條件[8]。全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)GNSS（Global Navigation and Positioning System）無(wú)線電掩星探測(cè)可以實(shí)現(xiàn)大氣折射率、溫度和水汽等大氣參數(shù)的高垂直分辨率、高精度探測(cè)，GNSS導(dǎo)航信號(hào)穿越大氣層時(shí)，不受云、雨和氣溶膠的影響，彌補(bǔ)了衛(wèi)星可見(jiàn)光、紅外遙感在這方面的缺陷，具有真正全天候的優(yōu)勢(shì)[9]。此外，GNSS-LEO無(wú)線電掩星GRO（GNSS-LEO Radio Occultation）探測(cè)是自定標(biāo)系統(tǒng)，具有自校準(zhǔn)能力，衛(wèi)星成功運(yùn)行后，不再需要進(jìn)行校正和調(diào)整，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的特點(diǎn)[10]。GNSS-LEO無(wú)線電掩星技術(shù)作為目前最先進(jìn)的空間探測(cè)技術(shù)之一，探測(cè)資料已被各大數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心同化到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中，對(duì)天氣預(yù)報(bào)和氣候研究產(chǎn)生了積極的影響。然而，在對(duì)流層低層較暖區(qū)域，水汽比較豐富，僅使用GNSS導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行掩星探測(cè)，無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分溫度和水汽對(duì)折射率的貢獻(xiàn)，存在“溫度–水汽模糊”問(wèn)題[11,12]。針對(duì)這一問(wèn)題，二十世紀(jì)九十年代末，低地球軌道衛(wèi)星間（LEO-LEO）微波掩星探測(cè)的概念被提出。LEO-LEO微波掩星LMO（LEO-LEO Microwave Occultation）采用水汽吸收線附近的微波信號(hào)[12]，基于電磁波在大氣中傳播時(shí)的折射和吸收效應(yīng)，獲取電磁波信號(hào)的相位延遲和振幅衰減信息，能夠在沒(méi)有輔助大氣背景場(chǎng)的情況下獨(dú)立反演溫度和水汽廓線。

LEO-LEO微波掩星探測(cè)具有高精度、高垂直分辨率、高穩(wěn)定性、全天候、全球分布等特點(diǎn)[13,14]，它獨(dú)立于現(xiàn)有的探測(cè)方法，是現(xiàn)有地球大氣探測(cè)手段的重要補(bǔ)充。發(fā)展LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)，對(duì)提高我國(guó)在大氣領(lǐng)域的探測(cè)能力和相關(guān)研究水平具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。到目前為止，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在軌的LEO-LEO掩星探測(cè)衛(wèi)星，回顧LEO-LEO微波掩星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程和研究其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，可以更好地促進(jìn)我國(guó)LEO-LEO微波掩星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

本文重點(diǎn)對(duì)LEO-LEO微波掩星探測(cè)溫度和水汽廓線的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹和總結(jié)。首先介紹了LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史，闡述了LEO-LEO掩星探測(cè)的基本原理和微波掩星探測(cè)溫度、水汽廓線的技術(shù)途徑與反演方法，其次介紹了國(guó)際LEO-LEO掩星探測(cè)計(jì)劃的前沿進(jìn)展，最后進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)發(fā)展歷史

掩星技術(shù)最早可以追溯到十八世紀(jì)[15]，天文學(xué)家利用月球和行星掩星技術(shù)進(jìn)行時(shí)間測(cè)定，在行星掩星觀測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)恒星光線進(jìn)入行星大氣層時(shí)，強(qiáng)度會(huì)逐漸變?nèi)?，這個(gè)變?nèi)醯倪^(guò)程與行星大氣標(biāo)高有關(guān)，由此提出利用自然光源如太陽(yáng)或星光進(jìn)行掩星行星大氣探測(cè)。二十世紀(jì)六十年代，星際飛行器問(wèn)世，利用無(wú)線電掩星技術(shù)探測(cè)行星大氣廓線的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。在地震波反演地層結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上，無(wú)線電掩星技術(shù)的數(shù)學(xué)方法被提出，用于行星大氣參數(shù)廓線的探測(cè)反演研究，Abel變換法被引入到從彎曲角到折射率的反演過(guò)程中[16]。隨后，NASA進(jìn)行了一系列太陽(yáng)系行星探測(cè)計(jì)劃，通過(guò)水手號(hào)、海盜號(hào)和先驅(qū)者號(hào)等探測(cè)器，成功進(jìn)行了行星大氣的掩星觀測(cè)，獲得了幾乎所有太陽(yáng)系行星及其衛(wèi)星的大氣廓線[17]。然而，利用無(wú)線電掩星技術(shù)探測(cè)地球大氣的設(shè)想一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，主要原因是掩星探測(cè)要求信號(hào)的發(fā)射端和接收端都必須在被探測(cè)體之外，而在地球周圍一直沒(méi)有找到合適的觀測(cè)點(diǎn)，缺乏廉價(jià)信號(hào)源使得它的性價(jià)比遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)其他的大氣探測(cè)手段，導(dǎo)致沒(méi)有相關(guān)的探測(cè)項(xiàng)目得以實(shí)施[8]。二十世紀(jì)七十年代，美國(guó)和蘇聯(lián)出于軍事考慮，開(kāi)始籌建各自的全球定位系統(tǒng)——GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)。二十世紀(jì)九十年代初，美國(guó)GPS導(dǎo)航星座建成，為地球大氣掩星觀測(cè)提供了無(wú)線電發(fā)射端，以相對(duì)較低的成本為掩星技術(shù)探測(cè)地球大氣創(chuàng)造了條件。1995年4月3日，搭載GPS接收機(jī)的Microlab-1低軌實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星被成功發(fā)射，首次從工程方面驗(yàn)證了GPS掩星探測(cè)地球大氣的可行性，為無(wú)線電掩星技術(shù)探測(cè)地球大氣拉開(kāi)了序幕[8]。

GPS/MET掩星觀測(cè)試驗(yàn)儀器在軌運(yùn)行了約兩年，成功進(jìn)行了相當(dāng)數(shù)量的掩星觀測(cè)，獲得了大量氣壓、溫度和水汽廓線等寶貴大氣資料。Kursinski等研究認(rèn)為[9,18]，在低對(duì)流層較暖區(qū)域（>240 K），水汽比較豐富，溫度和水汽對(duì)總折射率的貢獻(xiàn)無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分，造成“溫度–水汽模糊性”問(wèn)題。如果忽略水汽，利用實(shí)部折射率方程、流體靜力方程和理想氣體狀態(tài)方程，可求解得到干空氣假設(shè)下氣壓、密度和溫度廓線，干空氣的溫度通常在7 km以下比實(shí)際溫度偏低；如果不忽略水汽，三個(gè)方程約束密度、壓力、溫度和水汽四個(gè)未知變量，在不引入輔助先驗(yàn)溫度信息時(shí)，無(wú)法反演得到水汽廓線[19]。Poli等（2002）提出將一維變分（1D Var）同化反演方法應(yīng)用于濕大氣廓線的反演[20]，以數(shù)值模式數(shù)據(jù)作為輔助背景場(chǎng)，可同時(shí)反演得到溫度和水汽廓線，但其反演精度非常依賴模式初始場(chǎng)和模式誤差，不同的模式數(shù)據(jù)有其固有的系統(tǒng)偏差，采用不同的模式數(shù)據(jù)作為背景場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果[21,22]。

為了克服“溫度–水汽模糊性”問(wèn)題，獨(dú)立反演獲得溫度和水汽廓線，在GNSS-LEO無(wú)線電掩星探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，1995年，美國(guó)亞利桑那大學(xué)的研究人員開(kāi)始考慮利用高于GPS的信號(hào)頻率來(lái)測(cè)量因22 GHz水汽共振線引起的水汽吸收，探索其進(jìn)行掩星探測(cè)的可能性[14,23]。1997年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和亞利桑那大學(xué)的研究人員對(duì)22 GHz附近頻率進(jìn)行掩星探測(cè)的性能進(jìn)行了初步評(píng)估。1998年，前期相關(guān)研究成果被總結(jié)成兩大提案提交給NASA，即AMORE任務(wù)和ATOMS任務(wù)。其中，ATOMS提案獲得資助，研究人員對(duì)22 GHz和183 GHz水汽吸收線附近的微波掩星探測(cè)能力進(jìn)行了評(píng)估研究[23]。Feng等（2001）和Kursinski等（2002）在GNSS-LEO無(wú)線電掩星實(shí)部折射率反演算法的基礎(chǔ)上[11,12]，發(fā)展了LEO-LEO微波掩星虛部折射率反演算法，利用相鄰頻率的信號(hào)強(qiáng)度比消除散焦、閃爍和衍射等非吸收效應(yīng)，得到僅由吸收引起的大氣差分透過(guò)率和大氣吸收系數(shù)。2005年，在前期研究基礎(chǔ)上，ATOMMS計(jì)劃被提出，用以實(shí)現(xiàn)近地面到中間層大氣溫度、水汽和氣壓的高精度、高垂直分辨率探測(cè)[9]。2007年，Kursinski等提出研制ATOMMS原型機(jī)，并進(jìn)行飛機(jī)對(duì)飛機(jī)掩星演示試驗(yàn)，但由于資金限制，飛機(jī)演示試驗(yàn)未得到實(shí)施，僅成功研制了ATOMMS原理樣機(jī)。2010年3月，Kursinski等在亞利桑那大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行了ATOMMS原型機(jī)“高頻段”182 GHz～205 GHz的屋頂試驗(yàn)，得到了水汽吸收光譜的時(shí)間序列，由于無(wú)法測(cè)量沒(méi)有水汽吸收的“大氣頂”的信號(hào)強(qiáng)度，沒(méi)有得到絕對(duì)水汽含量，僅得到沿路徑上水汽含量隨時(shí)間的變化，試驗(yàn)證明了ATOMMS儀器對(duì)吸收光譜線形狀的敏感性[24]。2010年8月，Kursinski等在亞利桑那州圖森市北部相距約5.4 km的兩山之間進(jìn)行了ATOMMS原型機(jī)“低頻段”22 GHz通道的山頂試驗(yàn)。2011年8月，又在兩山之間進(jìn)行了第二次山頂試驗(yàn)，在晴朗、多云和雷暴天氣條件下，測(cè)量了ATOMMS儀器在信號(hào)頻率24.4 GHz和198.5 GHz的水汽吸收光譜，得到了高達(dá)17的光學(xué)厚度條件下的精確水汽結(jié)果，在該光學(xué)厚度以上，信號(hào)已不可檢測(cè)[25]。

在歐洲，早在1996年就提出通過(guò)添加Ku波段信號(hào)來(lái)分離溫度和水汽。2001年，WATS計(jì)劃被提出，用以探測(cè)對(duì)流層和平流層的水汽和溫度垂直分布，并對(duì)22 GHz附近頻率掩星探測(cè)的性能進(jìn)行了初步評(píng)估[26]。2002年，ACE+計(jì)劃被提出，它由WATS計(jì)劃的LEO-LEO微波掩星任務(wù)與ACE計(jì)劃的GRO任務(wù)合并而成，兩顆小衛(wèi)星攜帶X和K波段的發(fā)射機(jī)，另外兩顆小衛(wèi)星攜帶X和K波段的掩星接收機(jī)，測(cè)量LEO-LEO鏈路之間的電波相位和振幅變化[6]。2004年，ACCURATE計(jì)劃被奧地利格拉茨大學(xué)魏格納氣候研究中心提出，目標(biāo)是對(duì)上對(duì)流層-下平流層（UTLS）區(qū)域大氣氣候化學(xué)和氣候趨勢(shì)進(jìn)行探測(cè)，它不僅繼承了ACE+計(jì)劃的LEO-LEO微波掩星探測(cè)技術(shù)，還進(jìn)行低軌道衛(wèi)星間紅外激光掩星探測(cè)（LIO），構(gòu)成LEO-LEO微波掩星和紅外激光掩星（LMIO）概念[27,28]。2010年，ACCURATE計(jì)劃得到進(jìn)一步資金支持，開(kāi)展了紅外激光掩星原型機(jī)的研制，并于2013年進(jìn)行了地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[29]。

國(guó)內(nèi)對(duì)LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)的研究起步較晚。2007年，杜曉勇等分析了發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星的軌道高度、傾角、近地點(diǎn)角距、升交點(diǎn)赤經(jīng)等軌道參數(shù)對(duì)LEO-LEO掩星事件數(shù)量和分布的影響[30]。呂華平等仿真研究了一天及一個(gè)月LEO-LEO掩星事件的數(shù)量及分布，并對(duì)LEO-LEO掩星探測(cè)頻點(diǎn)選擇進(jìn)行了初步研究[31,32]。孫立剛等對(duì)LEO-LEO掩星事件持續(xù)時(shí)間及衛(wèi)星間相對(duì)角速度進(jìn)行了仿真分析[33]。2017年，中國(guó)科學(xué)院大氣物理所呂達(dá)仁等提出了我國(guó)首個(gè)LEO-LEO掩星探測(cè)任務(wù)——CACES（Climate and Atmospheric Components Exploring Satellites）計(jì)劃，旨在通過(guò)低地球軌道衛(wèi)星間微波與紅外激光掩星探測(cè)手段，獲取特定頻率與譜段的信號(hào)相位和振幅變化，反演得到氣壓、溫度和水汽等大氣參數(shù)廓線，以及H2O、CO2、CH4和O3等多種氣體成分廓線。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研制了LEO-LEO微波掩星原理樣機(jī)，探測(cè)頻點(diǎn)在22.23 GHz水汽吸收線附近[34]。2018年，馮梓宸等進(jìn)行了LEO-LEO掩星信號(hào)接收技術(shù)研究[35]，設(shè)計(jì)研制了一套針對(duì)60 km～90 km大氣探測(cè)的LEO-LEO掩星接收機(jī)原理樣機(jī)。

自LEO-LEO掩星探測(cè)概念提出以來(lái)，依托上述提出的掩星探測(cè)計(jì)劃，研究人員開(kāi)展了相關(guān)載荷研制和原理樣機(jī)地面試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，并在LEO-LEO掩星軌道設(shè)計(jì)、頻率選擇評(píng)估、反演算法改進(jìn)、探測(cè)性能分析等方面開(kāi)展了一系列仿真模擬研究，為L(zhǎng)EO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但由于技術(shù)條件、風(fēng)險(xiǎn)控制和預(yù)算調(diào)整等多種原因，上述提出的計(jì)劃后續(xù)均未得到在軌實(shí)施，目前國(guó)際上仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的LEO-LEO掩星空間探測(cè)任務(wù)。發(fā)展LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)，使我國(guó)相關(guān)研究能力達(dá)到國(guó)際前沿水平，還需從硬件研制、反演技術(shù)等方面進(jìn)行大量且深入的研究。

2 LEO-LEO微波掩星探測(cè)原理

2.1 LEO-LEO掩星探測(cè)方式

LEO-LEO掩星探測(cè)是基于衛(wèi)星的雙雷達(dá)系統(tǒng)，以主動(dòng)臨邊掃描方式探測(cè)地球大氣層。LEO-LEO掩星事件是指兩顆低軌衛(wèi)星LEO（Low Earth Orbit）分別運(yùn)動(dòng)到地球的兩側(cè)，其中一顆作為發(fā)射衛(wèi)星，另一顆作為接收衛(wèi)星。由發(fā)射衛(wèi)星發(fā)出電波信號(hào)，穿過(guò)地球大氣到達(dá)接收衛(wèi)星，由于兩顆LEO衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)射信號(hào)從大氣層頂逐漸切過(guò)整層地球大氣直到地球表面。或者相反，從切過(guò)地球表面直到切過(guò)大氣層頂，稱為發(fā)生了一次LEO-LEO掩星事件[8]。LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)的發(fā)射和接收衛(wèi)星軌道高度一般都在300 km～900 km高度范圍，收發(fā)距離約6 000 km，相比GNSS-LEO無(wú)線電掩星探測(cè)距離相對(duì)較短，并且發(fā)射信號(hào)源的特性可以控制，能夠提供較高的信噪比[36]。

GNSS-LEO無(wú)線電掩星探測(cè)技術(shù)使用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)探測(cè)地球大氣，GNSS信號(hào)頻點(diǎn)最初的選擇是為了最大限度地減少大氣信息的影響，用于氣象觀測(cè)會(huì)受到特定波長(zhǎng)（L波段，1 GHz～2 GHz）的限制。與GNSS-LEO無(wú)線電掩星探測(cè)不同，LEO-LEO微波掩星探測(cè)技術(shù)可采用22.23 GHz和183.31 GHz水汽吸收中心線附近的頻率作為發(fā)射頻率探測(cè)地球大氣，如圖1所示，微波信號(hào)從發(fā)射衛(wèi)星穿過(guò)地球大氣層時(shí)被折射和吸收，其傳播速度和路徑發(fā)生變化，還會(huì)引起電波信號(hào)衰減，這些效應(yīng)的綜合導(dǎo)致電波信號(hào)的相位和振幅發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量電波信號(hào)的相位延遲和振幅衰減信息，可以在沒(méi)有輔助大氣背景信息的條件下同時(shí)反演得到密度、氣壓、溫度、水汽等大氣參數(shù)廓線。

圖1 LEO-LEO微波掩星探測(cè)示意圖

2.2 LEO-LEO微波掩星探測(cè)頻點(diǎn)選擇

GNSS-LEO掩星探測(cè)技術(shù)是利用LEO上搭載的接收機(jī)接收GNSS導(dǎo)航信號(hào)，發(fā)射頻點(diǎn)固定，不需要考慮發(fā)射機(jī)的信號(hào)頻率。但LEO-LEO微波掩星不同，它除了需要在一顆LEO上搭載接收機(jī)，還需要在另外一顆LEO上搭載發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)頻率通道的選擇是LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)需要考慮的重要問(wèn)題之一。

LEO-LEO微波掩星的信號(hào)穿過(guò)地球大氣時(shí)，會(huì)造成信號(hào)相位延遲和大氣損耗，總的大氣損耗由散焦和吸收兩部分引起，一般分開(kāi)考慮。在各種大氣成分中，水汽和氧氣對(duì)電波信號(hào)的吸收衰減起主要作用。在200 GHz以下，存在22.23 GHz和183.31 GHz兩條水汽吸收中心線。通常，在頻率0處靠近共振吸收頻率的氣體（水汽）吸收系數(shù)()可以表示為[37]

大氣中的水汽含量在整個(gè)對(duì)流層和平流層的變化超過(guò)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，不同吸收線在不同高度的吸收強(qiáng)度明顯不同，因此必須將大氣分成幾個(gè)高度區(qū)域，為每個(gè)高度區(qū)域選擇適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)頻率。Yunck等（2000）評(píng)估分析了22.23 GHz水汽吸收線探測(cè)大氣濕度的能力[10]，結(jié)果表明，23 GHz頻率通道對(duì)探測(cè)相對(duì)干燥的上對(duì)流層大氣很重要，而10 GHz、14 GHz和18 GHz頻率通道對(duì)探測(cè)潮濕的下對(duì)流層大氣很重要。Eriksson等（2003）評(píng)估分析了利用10 GHz～35 GHz頻率通道探測(cè)對(duì)流層和平流層水汽的性能[26]，研究表明，10.3 GHz、17.2 GHz、22.6 GHz足夠用于水汽信息探測(cè)，27.4 GHz和32.9 GHz對(duì)熱噪聲更敏感，水汽反演精度更差。Herman等（2003）利用毫米波傳播模型（MPM93）計(jì)算并分析了200 GHz以下頻率通道在不同濕度條件下的吸收光譜，包括水汽和氧氣在近地面、約15 km、30 km和50 km高處的吸收衰減，研究結(jié)果表明，183.31 GHz水汽吸收線的吸收系數(shù)更大，被用于探測(cè)水汽含量低的高空，而22.23 GHz水汽吸收線被用于探測(cè)水汽含量豐富的中低對(duì)流層。由于散焦、衍射和閃爍等誤差影響，一般選擇兩個(gè)或更多頻率同時(shí)測(cè)量信號(hào)衰減，靠近水汽吸收線中心的頻率作為主頻率，測(cè)量強(qiáng)信號(hào)吸收，遠(yuǎn)離吸收線中心的頻率作為參考頻率，測(cè)量弱信號(hào)吸收用于校正。兩個(gè)頻率的大氣透過(guò)率相減得到差分透過(guò)率，計(jì)算得到差分吸收系數(shù)，能夠消除背景吸收和散焦等不必要影響[11-13]。LEO-LEO微波掩星探測(cè)利用22.23 GHz和183.31 GHz水汽吸收線附近的頻率，通過(guò)在不同高度范圍內(nèi)使用不同信號(hào)頻率對(duì)之間的差分吸收系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，能夠探測(cè)整個(gè)對(duì)流層和平流層的溫度和水汽廓線。

從科學(xué)目標(biāo)的角度來(lái)看，LEO-LEO微波掩星選擇頻率通道時(shí)，希望盡可能選擇接近水汽吸收中心線的頻點(diǎn)，以便更靈敏地探測(cè)水汽，并達(dá)到更大的高度范圍。但是，頻率通道的選擇涉及科學(xué)目標(biāo)與國(guó)際無(wú)線電頻率分配之間的權(quán)衡[36]。例如，國(guó)際無(wú)線電頻率規(guī)定禁止直接使用吸收線中心的頻點(diǎn)進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)，水汽吸收線中心頻率及其相鄰頻率已經(jīng)被保護(hù)用于其他專門的科學(xué)和商業(yè)應(yīng)用，不能用于LEO-LEO微波掩星空間任務(wù)的實(shí)際探測(cè)[13,14]。因此，在LEO-LEO微波掩星相關(guān)載荷研制設(shè)計(jì)中，選擇載荷頻點(diǎn)時(shí)，必須在滿足國(guó)際無(wú)線電頻率規(guī)則的情況下，根據(jù)科學(xué)探測(cè)目標(biāo)，在允許的頻率段范圍內(nèi)，選擇能夠提供最佳水汽信息的頻點(diǎn)。

3 LEO-LEO微波掩星探測(cè)反演研究

3.1 溫度和水汽廓線反演

LEO-LEO微波掩星探測(cè)的原始觀測(cè)量是電波信號(hào)的相位和振幅，在已知各種大氣參數(shù)條件下，正向模擬出掩星觀測(cè)的信號(hào)相位和振幅，是正演過(guò)程。由LEO-LEO掩星探測(cè)的電波信號(hào)相位和振幅數(shù)據(jù)，獲得傳播路徑上的大氣介質(zhì)信息，是信號(hào)傳播的一個(gè)反演過(guò)程。

在幾何光學(xué)近似條件下，利用LEO-LEO微波掩星反演溫度和水汽等大氣參數(shù)廓線，可以總結(jié)為三大部分[8,36,38]，即：

①實(shí)部折射率反演。首先，對(duì)模擬或觀測(cè)到的相位延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，去除異常值，并進(jìn)行電離層校正，剔除電離層引起的電波彎曲和相位延遲；然后，計(jì)算多普勒頻移，結(jié)合發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星的精密軌道信息，導(dǎo)出彎曲角廓線，并對(duì)高空彎曲角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)優(yōu)化處理；最后，利用經(jīng)典Abel積分變換公式，由彎曲角廓線反演得到實(shí)部大氣折射率廓線。

②虛部折射率反演。LEO-LEO微波掩星的電波信號(hào)因吸收作用導(dǎo)致振幅衰減，反映了射線路徑上的水汽含量。首先，對(duì)LEO-LEO微波掩星測(cè)得的信號(hào)振幅進(jìn)行散焦和球面信號(hào)擴(kuò)展校正以及歸一化處理，根據(jù)Bouguer-Lambert-Beer定律，由振幅計(jì)算得到大氣透過(guò)率廓線；然后，結(jié)合反演得到的彎曲角廓線和實(shí)部折射率廓線，通過(guò)另外的Abel積分變換可以反演得到大氣吸收系數(shù)廓線，進(jìn)而求得虛部折射率廓線。

③大氣參數(shù)廓線反演。利用以上由相位延遲和振幅求得的實(shí)部折射率和虛部折射率，結(jié)合大氣靜力學(xué)方程、理想氣體狀態(tài)方程、光譜方程，建立非線性方程組。通過(guò)對(duì)靜力學(xué)方程向下積分，依次求解出每個(gè)高度層的氣壓、水汽、溫度等大氣參數(shù)。

LEO-LEO微波掩星探測(cè)的實(shí)部折射率反演部分與GNSS-LEO無(wú)線電掩星探測(cè)的基本相同，虛部折射率反演是LEO-LEO微波掩星探測(cè)特有的反演過(guò)程，每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)虛部折射率廓線。在濕大氣條件下，在水汽的貢獻(xiàn)不能忽略時(shí)，有密度、氣壓、溫度和水汽四個(gè)未知變量，LEO-LEO微波掩星探測(cè)將多個(gè)頻率通道對(duì)應(yīng)的虛部折射率方程與實(shí)部折射率方程、流體靜力方程和濕空氣狀態(tài)方程聯(lián)立，至少有四個(gè)方程可用于約束四個(gè)未知變量，非線性方程組是超定方程組，不需要引入任何輔助背景場(chǎng)，即可獨(dú)立求解得到溫度和水汽廓線，克服了GNSS-LEO無(wú)線電掩星探測(cè)存在的“溫度–濕度模糊”問(wèn)題。

Kursinski等（2002）研究了LEO-LEO微波掩星反演大氣透過(guò)率和大氣吸收系數(shù)的基本方法，通過(guò)在不同高度范圍內(nèi)使用不同信號(hào)頻率對(duì)之間的差分透過(guò)率進(jìn)行計(jì)算，水汽反演誤差在約1 km～75 km內(nèi)可控制在約1%～3%之內(nèi)，溫度反演誤差從幾千米到80千米可在亞開(kāi)爾文量級(jí)[12]。Syndergaard等（2004）研究表明，在吸收系數(shù)水平梯度極端的情況下，由于不滿足球?qū)ΨQ假設(shè)，導(dǎo)致在5 km以下對(duì)流層低層水汽反演的不確定性為百分之幾十[39]。Schweitzer等（2011）研究發(fā)現(xiàn)氣壓、溫度和水汽廓線的誤差分別小于0.2%、0.5 K和10%，準(zhǔn)確度基本滿足探測(cè)目標(biāo)要求，在三個(gè)頻率均位于K波段時(shí)，水汽在約11 km以下的相對(duì)誤差小于10%，另外增加兩個(gè)183 GHz水汽吸收中心線附近的頻率時(shí)，準(zhǔn)確反演能達(dá)到約18 km[36]。

在對(duì)流層低層，水汽含量往往較為豐富并伴隨小尺度的劇烈變化，導(dǎo)致大氣折射率急劇變化，從而使電波信號(hào)在傳播時(shí)產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。在大氣多路徑條件下，通過(guò)幾何光學(xué)方法反演得到的彎曲角是碰撞參數(shù)的多值函數(shù)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，Gorbunov和Kirchengast等進(jìn)行了波動(dòng)光學(xué)方法反演水汽廓線的研究[40-42]，利用正則變換方法（CT）由相位和振幅計(jì)算得到彎曲角和大氣透過(guò)率廓線，然后反演獲得水汽廓線，結(jié)果表明，在約3 km處水汽反演準(zhǔn)確度可達(dá)到0.5 g/kg。

3.2 云的影響

LEO-LEO微波掩星信號(hào)可以穿透云層探測(cè)地球大氣信息，但電波信號(hào)在穿過(guò)云層時(shí)，會(huì)因不同云層結(jié)構(gòu)的存在被不同程度地吸收衰減。云的微物理特性依賴于水粒子的尺寸、形狀和相態(tài)。通常情況下，水滴粒子是球形的，且小于0.1 mm。冰晶可以組成各種各樣的尺寸和形狀，在自然界中，除了簡(jiǎn)單的多面體外，也有很多不規(guī)則冰晶和簡(jiǎn)單形狀的混合體。當(dāng)有云層存在時(shí)，22.23 GHz水汽吸收線的波長(zhǎng)約為13.5 mm，明顯大于云中液態(tài)水的顆粒尺寸，散射相比吸收作用可以忽略不計(jì)[8]。一般來(lái)說(shuō)，云中液態(tài)水的吸收大約比冰晶的吸收大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)有云中冰晶時(shí)，冰晶相對(duì)于液態(tài)水粒子直徑更大，對(duì)微波信號(hào)的散射作用更強(qiáng)[26]，且散射作用的影響隨著頻率的增加而增加，故冰晶對(duì)頻率為183.31 GHz的散射影響比22.23 GHz的更大。

在對(duì)流層下部，除了水汽對(duì)LEO-LEO微波掩星信號(hào)的吸收作用外，如果有云層存在，云中液態(tài)水也會(huì)對(duì)總吸收做出貢獻(xiàn)，為了反演得到高精度的溫度和水汽廓線，需要去除云中液態(tài)水對(duì)總吸收的貢獻(xiàn)。對(duì)于LEO-LEO微波掩星探測(cè)技術(shù)，如果提供足夠的頻率通道，可以區(qū)分開(kāi)水汽和云中液態(tài)水引起的吸收。在反演溫度和水汽廓線時(shí)，云中液態(tài)水廓線可以作為副產(chǎn)品被同時(shí)反演出來(lái)。Kursinski等（2004）初步討論了云層對(duì)水汽和溫度反演精度的影響[43]，結(jié)果表明，在對(duì)流層最低層存在液態(tài)水云的情況下，水汽反演精度比晴空條件下約低2倍。ATOMMS任務(wù)擬采用22 GHz水汽吸收線附近的至少五個(gè)頻率，以分離液態(tài)水與水汽的影響，擬采用183 GHz水汽吸收線附近頻率，探測(cè)對(duì)流層上層的水汽信息。

在理論上，云中冰晶也可以利用LEO-LEO微波掩星技術(shù)被探測(cè)并反演出來(lái)。183 GHz附近的頻率對(duì)冰粒子的散射比較敏感[43]，利用吸收通道和參考通道的比率可以消除幾乎大部分冰晶對(duì)溫度和水汽探測(cè)的影響。Kursinski等（2004）提出，通過(guò)測(cè)量單個(gè)頻率的衰減曲線來(lái)獲得冰晶信息，通過(guò)測(cè)量至少2個(gè)頻率間隔較寬的信號(hào)來(lái)獲得有關(guān)冰量和其他屬性的信息，具體探測(cè)和反演技術(shù)未來(lái)仍需要開(kāi)展深入研究。

3.3 湍流的影響

電波信號(hào)在湍流介質(zhì)中傳播時(shí)，通過(guò)衍射產(chǎn)生干擾，從而產(chǎn)生相位和振幅閃爍，在測(cè)量水汽吸收特征時(shí)，湍流引起的振幅閃爍是一種噪聲源[9]。Kursinski等研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用吸收通道和參考通道之間的差分大氣透過(guò)率，可以在很大程度上消除絕對(duì)大氣透過(guò)率中常見(jiàn)的不必要的寬帶效應(yīng)，特別是大氣湍流中的振幅閃爍影響[11,12]。

Kursinski和Otarola等估計(jì)分析了對(duì)流層中層22 GHz水汽吸收線附近的濕湍流貢獻(xiàn)和對(duì)流層上層183 GHz水汽吸收線附近的干湍流貢獻(xiàn)[9]，研究結(jié)果表明，對(duì)于22 GHz和183 GHz，單頻率原始振幅變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差大約為7%～8%，兩頻率振幅比的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為1%～2%。較短的波長(zhǎng)更容易受到湍流的影響，盡管原始振幅閃爍在22 GHz和183 GHz吸收線相當(dāng)，但對(duì)于183 GHz，參考通道離吸收線中心越近，在比值后產(chǎn)生的湍流效應(yīng)的抵消效果越好。Gorbunov和Kirchengast（2007）進(jìn)行了2-D湍流仿真模擬研究，評(píng)估分析了22 GHz水汽吸收線附近湍流的影響，研究結(jié)果表明，在低緯度的5 km～8 km高度范圍，9.7 GHz和17.25 GHz頻率的差分大氣透過(guò)率誤差約為0.05 dB或1%。值得注意的是，Kursinski等估計(jì)的低緯度中對(duì)流層條件下的大氣透過(guò)率誤差大約是Gorbunov等估計(jì)結(jié)果的兩倍。盡管二者用于模擬湍流效應(yīng)的方法非常不同，但近似的湍流噪聲水平在某種程度上是真實(shí)的，如何更好地理解和協(xié)調(diào)兩種誤差估計(jì)方法之間的差異還需要更進(jìn)一步的研究。

在反演溫度和水汽廓線時(shí)，湍流強(qiáng)度可作為副產(chǎn)品被同時(shí)反演出來(lái)，即對(duì)于湍流研究來(lái)說(shuō)，利用LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)是一個(gè)測(cè)量獲取湍流信息的潛在途徑[6]。

4 LEO-LEO微波掩星探測(cè)計(jì)劃進(jìn)展

目前，國(guó)際上主要有三個(gè)LEO-LEO掩星探測(cè)計(jì)劃，即歐洲的ACCURATE計(jì)劃、美國(guó)的ATOMMS計(jì)劃和中國(guó)的CACES計(jì)劃。

① ACCURATE計(jì)劃

ACCURATE（Atmospheric Climate and Chemistry in the UTLS Region And climate Trends Explorer）計(jì)劃由奧地利格拉茨大學(xué)魏格納氣候研究中心在2004年提出，旨在對(duì)上對(duì)流層–下平流層（UTLS）區(qū)域大氣氣候化學(xué)和氣候趨勢(shì)進(jìn)行探測(cè)。ACCURATE計(jì)劃的探測(cè)目標(biāo)是5 km～35 km范圍內(nèi)的氣壓、溫度和水汽等大氣參數(shù)廓線，同時(shí)探測(cè)6種主要的溫室氣體，水汽、二氧化碳和它們的同位素，以及探測(cè)氣溶膠、云層和大氣閃爍等。該計(jì)劃繼承了ACE+計(jì)劃的LEO-LEO微波掩星探測(cè)任務(wù)，同時(shí)進(jìn)行LEO-LEO紅外激光掩星探測(cè)，是首個(gè)被提出的LEO-LEO微波掩星和紅外激光掩星（LMIO）概念。LEO-LEO微波掩星探測(cè)的頻點(diǎn)均在Ｋ波段，分別為17.25 GHz、20.2 GHz和22.6 GHz，3個(gè)頻點(diǎn)可以采用1個(gè)天線，從而減少了儀器體積、重量和成本。ACCURATE星座設(shè)計(jì)為4顆LEO衛(wèi)星，分布在2個(gè)軌道平面上，軌道高度分別為650 km和850 km，每個(gè)軌道面分布2顆LEO衛(wèi)星[27]。

依托ACCURATE計(jì)劃，Kirchengast等對(duì)EGOPS軟件包進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，可以進(jìn)行端到端的LEO-LEO微波掩星仿真和反演計(jì)算，取得了一些有意義的成果，但到目前為止，該計(jì)劃沒(méi)有開(kāi)展過(guò)相關(guān)LEO-LEO微波掩星載荷的硬件研制工作。Kirchengast等研制了紅外激光掩星原型機(jī)，并在2011年進(jìn)行了地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，研究人員對(duì)地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究，之后關(guān)于該計(jì)劃的研究基本處于停滯狀態(tài)。

② ATOMMS計(jì)劃

ATOMMS（Active Temperature, Ozone and Moisture Microwave Spectrometer）計(jì)劃由美國(guó)亞利桑那大學(xué)在2005年提出，即主動(dòng)式溫度、臭氧和水分微波波譜儀，旨在探測(cè)從近地面到中間層的密度、氣壓、溫度和水汽廓線，以及從對(duì)流層頂?shù)酵瑴貙拥某粞趵€。該計(jì)劃組合了GPS-LEO掩星探測(cè)系統(tǒng)和LEO-LEO微波掩星探測(cè)系統(tǒng)，只進(jìn)行微波掩星探測(cè)。LEO-LEO微波掩星的探測(cè)頻點(diǎn)分別在X波段、Ｋ波段和M波段，在22.23 GHz水汽吸收線附近有5個(gè)頻點(diǎn)，分別是9.7 GHz、13.5 GHz、17.25 GHz、20.2 GHz和22.6 GHz；在183.31 GHz水汽吸收線附近有3個(gè)頻點(diǎn)，分別是179.0 GHz、181.95 GHz和183.6 GHz。ATOMMS星座設(shè)計(jì)為12顆LEO衛(wèi)星，分布在2個(gè)軌道平面，軌道高度分別為650 km和800 km，每個(gè)軌道面分布6顆LEO衛(wèi)星，一天可以發(fā)生1 000次以上LEO-LEO掩星事件和6 000～8 000次GPS-LEO掩星事件[6]。

亞利桑那大學(xué)的研究人員研制了低頻段22.23 GHz和高頻段183.31 GHz的原理樣機(jī)，分別在樓頂和山頂進(jìn)行了水汽吸收線衰減測(cè)量試驗(yàn)，但后續(xù)沒(méi)有對(duì)儀器再進(jìn)行改進(jìn)和研制，之后關(guān)于該計(jì)劃的研究也基本處于停滯狀態(tài)。

③ CACES計(jì)劃

CACES（Climate and Atmospheric Components Exploring Satellites）計(jì)劃由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所在2017年提出，旨在通過(guò)低地球軌道衛(wèi)星間微波與紅外激光掩星探測(cè)手段，獲取特定頻率與譜段的信號(hào)相位和振幅變化，反演大氣溫度、濕度和壓強(qiáng)等大氣參數(shù)，獲得H2O、CO2、CH4和O3等多種氣體成分廓線，并結(jié)合紅外成像實(shí)現(xiàn)三維立體探測(cè)。LEO-LEO微波掩星的探測(cè)頻點(diǎn)分別在X波段和Ｋ波段，分別為9.7 GHz、13.5 GHz、17.25 GHz和22.6 GHz。CACES星座設(shè)計(jì)為4顆LEO衛(wèi)星，分布在2個(gè)軌道平面上，軌道高度分別為500 km和550 km，每個(gè)軌道面分布2顆LEO衛(wèi)星。

CACES計(jì)劃是目前國(guó)際上在研的LEO-LEO掩星探測(cè)計(jì)劃，前期經(jīng)過(guò)科學(xué)概念研究、深化論證和預(yù)先研究三個(gè)階段，目前順利得到中國(guó)科學(xué)院“空間科學(xué)（二期）”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的后續(xù)支持，進(jìn)入到背景型號(hào)研制階段，關(guān)鍵載荷紅外激光掩星與微波掩星原理樣機(jī)正在研制當(dāng)中，目前計(jì)劃開(kāi)展外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行山基探測(cè)驗(yàn)證。

5 LEO-LEO微波掩星探測(cè)技術(shù)展望

基于國(guó)際研究前沿與當(dāng)前進(jìn)展，認(rèn)為未來(lái)LEO-LEO微波掩星探測(cè)技術(shù)研究需要在目前研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展以下工作：

①反演技術(shù)

Kursinski等地面實(shí)驗(yàn)表明[24]，AM6.2光譜模型比MPM93模型更適合測(cè)量光譜線的形狀。目前的反演算法中，微波信號(hào)的模擬實(shí)部折射率和虛部折射率是由MPM93模型計(jì)算的，未來(lái)仍需要通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析MPM93、AM6.2等微波傳輸模型對(duì)溫度和水汽廓線反演精度的影響，選擇最優(yōu)的微波傳輸模型建立LEO-LEO微波掩星反演算法。此外，微波信號(hào)的實(shí)部折射率和虛部折射率的權(quán)重在低對(duì)流層的設(shè)置不是最佳的，不同信號(hào)頻率的權(quán)重分配是固定的，為了進(jìn)一步提高溫度和水汽廓線的反演精度，仍需要對(duì)權(quán)重函數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算分析與改進(jìn)，也可根據(jù)信號(hào)頻率的強(qiáng)度建立動(dòng)態(tài)可變的權(quán)重因子，從而提高算法的反演精度。

對(duì)流層低層水汽含量豐富，當(dāng)存在較厚云層和湍流時(shí)，溫度和水汽廓線反演精度會(huì)受到顯著不利影響。針對(duì)此問(wèn)題，Kirchengast等提出兩個(gè)解決方法[36]，一是引入先驗(yàn)溫度場(chǎng)信息，利用最佳擬合溫度外推方法反演3 km～6 km以下溫度和水汽廓線，但此方法存在的缺點(diǎn)是需要引入輔助背景場(chǎng)信息，這與LEO-LEO獨(dú)立反演溫度和水汽廓線的初衷不符；二是波動(dòng)光學(xué)方法，在反演大氣透過(guò)率的過(guò)程中可以減少閃爍波動(dòng)，能夠在沒(méi)有先驗(yàn)信息的情況下反演對(duì)流層下部的溫度和水汽廓線。目前，主要有第二類正則變換方法（CT2）、全譜法（FSI）等波動(dòng)光學(xué)反演方法。Gorbunov等利用波動(dòng)光學(xué)方法初步研究了22.23 GHz吸收線附近頻點(diǎn)反演溫度和水汽廓線的性能，仍需要進(jìn)一步開(kāi)展研究，比較不同波動(dòng)光學(xué)方法對(duì)反演性能的影響。此外，還需對(duì)波動(dòng)光學(xué)方法在183.31 GHz吸收線附近頻點(diǎn)反演溫度和水汽廓線的性能進(jìn)行評(píng)估分析。

LEO-LEO微波掩星理論上可以實(shí)現(xiàn)云中冰晶的探測(cè)，但目前關(guān)于這方面的研究非常少，在未來(lái)工作中，需要從基本原理出發(fā)，研究云中冰晶的探測(cè)和反演技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)LEO-LEO微波掩星技術(shù)對(duì)水汽、云中液態(tài)水和云中冰晶三相態(tài)的探測(cè)和反演。

②硬件載荷研制

國(guó)外已研制出低頻段22.23 GHz和高頻段183.31 GHz的原理樣機(jī)，并進(jìn)行了地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有待進(jìn)行星載探測(cè)驗(yàn)證[24,25]；國(guó)內(nèi)硬件研制領(lǐng)域，低頻器件及相關(guān)技術(shù)較高頻器件成熟，目前已經(jīng)突破X/K波段高穩(wěn)定功率發(fā)射與高精度接收技術(shù)、X/K波段天線幅度穩(wěn)定度控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，研制出了低頻段22.23 GHz的原理樣機(jī)，未來(lái)將進(jìn)行外場(chǎng)、山基等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但尚缺乏183.31 GHz原理樣機(jī)相關(guān)的研制，主要原因是高頻振蕩器等方面的關(guān)鍵技術(shù)有待攻關(guān)突破。

③ LEO-LEO微波掩星技術(shù)與LEO-LEO紅外激光掩星技術(shù)協(xié)同研究

LEO-LEO微波掩星技術(shù)利用微波信號(hào)的折射作用反演大氣的溫度、壓強(qiáng)等大氣熱力學(xué)參數(shù)廓線，結(jié)合水汽吸收頻點(diǎn)的吸收作用反演水汽廓線；再以微波掩星探測(cè)的大氣熱力學(xué)參數(shù)作為輸入量，利用各種氣體成分對(duì)相應(yīng)吸收譜線頻點(diǎn)的吸收作用反演氣體濃度廓線，該過(guò)程既是LEO-LEO微波掩星和LEO-LEO紅外激光掩星的同步探測(cè)過(guò)程，也是協(xié)同反演的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)大氣溫度、濕度和壓強(qiáng)等熱力學(xué)參數(shù)以及H2O、CO2、CH4、N2O、O3和CO等多種氣體成分的高精度、高垂直分辨率探測(cè)。因此，在開(kāi)展上述總結(jié)的LEO-LEO微波掩星技術(shù)研究工作的同時(shí)，需要開(kāi)展LEO-LEO紅外激光掩星的研究工作，主要包括多通道差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)、短波紅外波段高精度高靈敏度探測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

LEO-LEO掩星探測(cè)技術(shù)是目前無(wú)線電掩星技術(shù)最有前途的發(fā)展方向之一。LEO-LEO微波掩星探測(cè)概念自提出以來(lái)，已經(jīng)開(kāi)展了一系列有意義的研究，建立了LEO-LEO微波掩星反演算法，開(kāi)展了系列端到端的仿真計(jì)算和反演實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了載荷原理樣機(jī)的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，初步證明了LEO-LEO掩星探測(cè)地球大氣的可行性和探測(cè)能力[5,6,8,12,14,36]。本文重點(diǎn)對(duì)LEO-LEO微波掩星探測(cè)溫度和水汽廓線的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)未來(lái)LEO-LEO微波掩星探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)行了展望，為發(fā)展LEO-LEO掩星空間探測(cè)技術(shù)提供了基本科學(xué)理論參考。

[1] 孫穎. 人類活動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)的影響——解讀IPCC第六次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)告第三章[J]. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 44(5): 654–657.

SUN Ying. Impact of humanactivities on climate system: an interpretation of Chapter Ⅲof WGⅠreport of IPCC AR6[J]. Transactions of Atmospheric Sciences, 2021, 44(5): 654–657．

[2] 王鑫, 薛震剛, 杜曉勇, 等. 利用無(wú)線電掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)反演大氣水汽剖面[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 18(4): 462–465.

WANG Xin, XUE Zhenggan, DU Xiaoyong, et al. Inversion of atmospheric water vapour using radio occultation data[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2003, 18(4): 462–465.

[3] WATS. Water vapor and temperature in the troposphere and stratosphere[R]. Noordwijk: ESA/ESTEC, 2001.

[4] 盧乃錳, 谷松巖. 氣象衛(wèi)星發(fā)展回顧與展望[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2016, 20(5): 832–841.

LU Naimeng, GU Songyan. Review and prospect on the development of meteorological satellites[J]. Journal of Remote Sensing, 2016, 20(5): 832–841.

[5] H?EG P, KIRCHENGAST G. ACE+ atmosphere and climate explorer based on GPS, GALILEO, and LEO-LEO radio occultation[R]. Austria: Institute for Geophysics, Astrophysics, Meteorology, University of Graz, 2002.

[6] KURSINSKI E R, WARD D, OTAROLA A, et al. The active temperature, ozone and moisture microwave spectrometer (ATOMMS)[M]// STEINER A K, et al. New Horizons in Occultation Research. Berlin: Springer, 2009: 295–313.

[7] WONG S, FETZER E J, SCHREIER M, et al. Cloud induced uncertainties in AIRS and ECMWF temperature and specific humidity[J]. Journal of Geophysical Research-Atmosphere, 2015, 120(5): 1880–1901.

[8] SCHWEITZER S. Atmosphere and climate explorer mission ACE+: Humidity and temperature retrieval performance analysis[D]. Austria: Institute for Geophysics, Astrophysics, Meteorology, University of Graz, 2004.

[9] KURSINSKI E R, HAJJ G A, SCHOFIELD J T, et al. Observing earth's atmosphere with radio occultation measurements using the global positioning system[J]. Journal of Geophysical Research, 1997, 102(D19): 23429–23465.

[10] YUNCK T P, HAJJ G A, KURSINSKI E R, et al. AMORE: An autonomous constellation concept for atmospheric and ocean observation[J]. Acta Astronautica, 2000, 46(2–6): 355–364.

[11] FENG D D, SYNDERGAARD S. HERMAN B M, et al. Deriving atmospheric water vapor and ozone profiles from active microwave occultation measurements[C]// FUJISADA H, LURIE J B, ROPERTZ A, et al. Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites IV, Proc. SPIE, 2001, 4169: 299–308.

[12] KURSINSKI E R, SYNDERGAARD S, FLITTNER D, et al. A microwave occultation observing system optimized to characterize atmospheric water, temperature, and geopotential via absorption[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2002, 19(12): 1897–1914.

[13] HERMAN B M, KURSINSKI E R, FENG D, et al. Active Tropospheric Ozone and Moisture Sounder (ATOMS)[R]. Tucson: Institute of Atmospheric Physics, University of Arizona, 2003.

[14] HERMAN B M, FENG D, FLITTNER D, et al. An overview of the Univ. of Arizona ATOMS project[M]// KIRCHENGAST G, FOELSCHE U, STEINER A K. Occultations for Probing Atmosphere and Climate. Berlin: Springer, 2004: 189–200.

[15] 樂(lè)新安, 郭英華, 曾楨, 等. 近地空間環(huán)境的GNSS無(wú)線電掩星探測(cè)技術(shù)[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2016, 59(4): 1161–1188.

YUE Xin’an, GUO Yinghua, ZENG Zhen, et al. GNSS radio occultation technique for near-Earth space environment detection[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2016, 59(4): 1161–1188.

[16] FJELDBO G, ESHLEMAN V R. The bistatic radar-occultation method for the study of planetary atmospheres[J]. Journal of Geophysical Research, 1965, 70(13): 3217–3225.

[17] FJELDBO G, KLIORE A J, ESHLEMAN V R. The neutral atmosphere of Venus as studied with the Mariner V radio occultation experiments[J]. The Astronomical Journal, 1971, 76(2): 123.

[18] KURSINSKI E R, HAJJ G A, HARDY, et al. Observing tropospheric water vapor by radio occultation using the global positioning system[J]. Geophysical Research Letters, 1995, 22(17): 2365–2368.

[19] 王鑫, 薛震剛, 杜曉勇, 等. GPS-LEO掩星探測(cè)地球大氣的方法[J]. 全球定位系統(tǒng), 2002, 27(5): 14–20.

WANG Xin, XUE Zhengang, DU Xiaoyong, et al. Method of GPS-LEO occultation measurements of the atmosphere[J]. GPS World of China, 2002, 27(5): 14–20.

[20] POLI P, JOINER J, KURSINSKI E R. 1DVAR analysis of temperature and humidity using GPS radio occultation refractivity data[J]. Journal of Geophysical Research, 2002, 107(D20): 4448.

[21] 王鑫, 呂達(dá)仁, 薛震剛. GNSS掩星中大氣水汽的非線性反演[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2005, 48(1): 32–38.

WANG Xin, LYU Daren, XUE Zhengang. A non-linear inversion method for retrieval of water vapour from radio occultation measurements[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2005, 48(1): 32–38.

[22] LI Y, YUAN Y, WANG, X. Assessments of the retrieval of atmospheric profiles from GNSS radio occultation data in moist tropospheric conditions using radiosonde data[J]. Remote Sensing, 2020, 12(17): 2717.

[23] LIU C L, KIRCHENGAST G, SYNDERGAARD S, et al. A review of LEO-LEO occultation techniques using microwave and infrared-laser signals[J]. Advances in Space Research, 2017, 60(12): 2776–2811.

[24] KURSINSKI E R, WARD D, STOVERN M, et al. Development and testing of the active temperature, ozone and moisture microwave spectrometer (ATOMMS) cm and mm wavelength occultation instrument[J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2012, 5(2): 439–456.

[25] KURSINSKI E R, WARD D, OTAROLA A, et al. Atmospheric profiling via satellite to satellite occultations near water and ozone absorption lines for weather and climate[C]// In: Proc SPIE 9881, Earth Observing Missions and Sensors: Development, Implementation, and Characterization IV, 2016: 98810Z.

[26] ERIKSSON P, JIMENEZ C, MURTAGH D, et al. Measurement of tropospheric/stratospheric transmission at 10-35GHz for H2O retrieval in low Earth orbiting satellite links[J]. Radio Science, 2003, 38(4): 8069.

[27] KIRCHENGAST G, BERNATH P, BUEHLER S, et al. ACCURATE-climate benchmark profiling of greenhouse gases and thermodynamic variables and wind from space[R]. Austria: Wegener Center, University of Graz, 2010.

[28] KIRCHENGAST G, SCHWEITZER, S. Climate benchmark profiling of greenhouse gases and thermodynamic structure and wind from space[J]. Geophysical Research Letters, 2011, 38(13): L13701.

[29] PROSCHEK V, KIRCHENGAST G, SCHWEITZER S, et al. Retrieval and validation of carbon dioxide, methane and water vapor for the Canary Islands IR-laser occultation experiment[J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2015, 8(8): 3315–3336.

[30] 杜曉勇, 符養(yǎng), 薛震剛, 等. 衛(wèi)星軌道參數(shù)對(duì)LEO-LEO掩星事件數(shù)量及分布影響的模擬研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2007, 50(5): 1289–1297.

DU Xiaoyong, FU Yang, XUE Zhengang, et al. Simulation of the impacts of satellite orbit parameters on the number and distribution of LEO - LEO occultation events[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2007, 50(5): 1289–1297.

[31] 呂華平, 嚴(yán)衛(wèi), 王迎強(qiáng), 等. LEO-LEO掩星事件仿真研究[J]. 遙感信息, 2015, 30(2): 65–70.

LYU Huaping, YAN Wei, WANG Yingqiang, et al. Investigation of LEO-LEO occultation simulation[J]. Remote Sensing Information, 2015, 30(2): 65–70.

[32] 呂華平, 嚴(yán)衛(wèi), 柳聰亮, 等. LEO-LEO掩星探測(cè)頻點(diǎn)選擇分析與仿真研究[J]. 氣象科學(xué), 2016, 36(2): 212–217.

LYU Huaping, YAN Wei, LIU Congliang, et al. Analysis and simulation of frequency selection of LEO-LEO occultation atmosphere detection[J]. Journal of tshe Meteorological Sciences, 2016, 36(2): 212–217.

[33] 孫立剛, 吳小成, 胡雄. LEO-LEO掩星事件持續(xù)時(shí)間及衛(wèi)星間相對(duì)角速度仿真分析[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 37(5): 574–584.

SUN Ligang, WU Xiaocheng, HU Xiong. Simulation of duration of LEO-LEO occultation events and relative angular velocity between satellites[J]. Chinese Journal of Space Science, 2017, 37(5): 574–584.

[34] WU C, SUN Y, WANG X, et al. A LEO-LEO occultation system using microwave signals[C]//IGARSS 2018: 3147–3148.

[35] 馮梓宸. LEO-LEO掩星信號(hào)接收技術(shù)研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心), 2018.

[36] SCHWEITZER S, KIRCHENGAST G, SCHWAERZ M, et al. Thermodynamic state retrieval from microwave occultation data and performance analysis based on end-to-end simulations[J]. Journal of Geophysical Research, 2011, 116(D10): D10301.

[37] KOLBE W F, BUSCHER H, LESKOVAR B. Microwave absorption coefficients of atmospheric pollutants and constituents[J]. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 1977, 18(1): 47–64.

[38] KIRCHENGAST G, SCHWEITZER S, SCHWAERZ M, et al. Advanced retrieval processing chain for derivation of atmospheric profiles from LEO-LEO radio occultation data[R]. Austria: Wegener Center, University of Graz, 2006.

[39] SYNDERGAARD S, FLITTNER D E, KURSINSKI E R, et al. Simulating the influence of horizontal gradients on retrieved profiles from ATOMS occultation measurements–a promising approach for data assimilation[M]// KIRCHENGAST G, FOELSCHE U, STEINER A K. Occultations for Probing Atmosphere and Climate. Berlin: Springer, 2004: 221–232.

[40] GORBUNOV M E, KIRCHENGAST G. Advanced wave-optics processing of LEO-LEO radio occultation data in presence of turbulence[R]. Austria: Institute for Geophysics, Astrophysics, and Meteorology, University of Graz, 2005a.

[41] GORBUNOV M E, KIRCHENGAST G. Processing X/K band radio occultation data in the presence of turbulence[J]. Radio Science, 2005b, 40(6): RS6001.

[42] GORBUNOV M E, KIRCHENGAST G. Fluctuations of radio occultation signals in X/K band in the presence of anisotropic turbulence and differential transmission retrieval performance[J]. Radio Science, 2007, 42(4): RS4025.

[43] KURSINSKI E R, FENG D, FLITTNER D, et al. An active microwave limb sounder for profiling water vapor, ozone, temperature, geopotential, clouds, isotopes and stratospheric winds[M]// KIRCHENGAST G, FOELSCHE U, STEINER A K. Occultations for Probing Atmosphere and Climate. Berlin: Springer, 2004: 173–187.

Progress of temperature and water vapor profiles detected by LEO-LEO microwave occultation

ZHANG Zhihua1,2, WANG Xin1, LYU Daren1,2

（1. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

LEO-LEO microwave occultation measurement technique uses the frequencies near the water vapor absorption line to measure both refraction and absorption of the signals, enabling simultaneous retrieval of the temperature and water vapor profiles without an auxiliary background field, which overcomes the "temperature-humidity ambiguity" problem of GNSS-LEO radio occultation technique in the middle and low troposphere. At present, there is no any LEO-LEO occultation exploration mission in the space. In order to promote of LEO-LEO occultation measurement technique, the research frontiers and progress of temperature and water vapor profile detected by LEO-LEO microwave occultation are reviewed and summarized in this paper. Firstly, the development history of LEO-LEO occultation measurement technique is introduced, and the basic principle of LEO-LEO occultation detection and the frequencies selection are explained. Secondly, the research trends of retrieval technique of LEO-LEO microwave occultation detection temperature and water vapor profiles is emphasized, and the progress of LEO-LEO occultation missions is introduced. Finally the paper summarizes and offers a prospect. This study can provide basic scientific and theoretical reference for the realization of LEO-LEO occultation space exploration mission.

LEO-LEO; Microwave occultation measurement; Retrieval; Temperature profiles; Water vapor profiles

P412.27

A

CN11-1780(2022)01-0001-12

10.12347/j.ycyk.20211109001

張志華, 王鑫, 呂達(dá)仁.LEO-LEO微波掩星探測(cè)溫度和水汽廓線研究進(jìn)展[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(1): 1–12.

DOI：10.12347/j.ycyk.20211109001

: ZHANG Zhihua, WANG Xin, LYU Daren. Progress of temperature and water vapor profiles detected by LEO-LEO microwave occultation[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(1): 1–12.

張志華 1990年生，在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)EO-LEO微波掩星探測(cè)技術(shù)。

王 鑫 1977年生，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇髿馕锢?、大氣與海洋遙感。

呂達(dá)仁 1940年生，院士，研究員，大氣物理學(xué)家。

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

基金項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)空間科學(xué)背景型號(hào)項(xiàng)目（XDA15021000）

通訊作者：王鑫（wangx2003@mail.iap.ac.cn）

2021-11-09

2021-12-16

(本文編輯：傅 杰)