GNSS大氣海洋遙感技術(shù)研究進(jìn)展

安豪，嚴(yán)衛(wèi)，杜曉勇，卞雙雙

（ 1. 西安測(cè)繪研究所, 西安 710054；2. 國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410073 ）

0 引 言

近年來，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航精密定位技術(shù)的發(fā)展，主要包括美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo和中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)在內(nèi)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)迅猛建設(shè)和日臻成熟. GNSS能提供全天候、全時(shí)段精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)服務(wù)，率先在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，還在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、科學(xué)研究等人類社會(huì)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(dǎo)航定位中，大氣層和地表環(huán)境的干擾會(huì)導(dǎo)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(xué)家在進(jìn)行消除干擾研究時(shí)，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(jià)值的信號(hào)源，開展了遙感探測(cè)大氣和地表環(huán)境要素的研究，極大地拓展了GNSS的應(yīng)用領(lǐng)域. 由于GNSS信號(hào)豐富、全球覆蓋、成本低廉等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(guān)業(yè)務(wù)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(hào)可探測(cè)多項(xiàng)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(fēng)場(chǎng)等，逐漸形成了GNSS大氣海洋遙感技術(shù)[2]. 概括起來，該技術(shù)主要有四個(gè)分支：GNSS延遲信號(hào)( GNSS-D)技術(shù)、GNSS反射測(cè)量(GNSS-R)技術(shù)、GNSS無線電掩星(GNSS-RO)技術(shù)、GNSS極化掩星(GNSS-PRO)技術(shù)[4].

1 GNSS-D技術(shù)

1.1 基本原理

GNSS-D技術(shù)是指利用大氣層對(duì)GNSS導(dǎo)航定位的干擾信息，即延遲項(xiàng)，獲得GNSS信號(hào)路徑與大氣相關(guān)信息的技術(shù). 圖1中由于不同高度不同大氣折射率的存在，GNSS信號(hào)在大氣層傳播過程中不會(huì)沿直線傳播而發(fā)生了彎曲，從而使信號(hào)產(chǎn)生了時(shí)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(duì)流層，故也稱對(duì)流層延遲[5]. 對(duì)流層延遲主要與大氣中可降水量相關(guān)，電離層延遲主要與電離層電子密度含量(TEC)相關(guān)，故可利用GNSS信號(hào)對(duì)PWV和TEC進(jìn)行探測(cè).

圖1 GNSS-D信號(hào)傳播示意圖

1.2 研究進(jìn)展

1.2.1 GNSS PWV探測(cè)

地基GNSS探測(cè)PWV的概念最早由美國(guó)BEVIS等[6]在1992年提出. 隨后，許多試驗(yàn)如GPS/STORM、GPS-WIS94、WWAVE、CLAM[7-9]等陸續(xù)開展，證實(shí)了該技術(shù)的可行性，與傳統(tǒng)探空、水汽輻射計(jì)手段相比，其精度差別不大. GPS 地基觀測(cè)網(wǎng)的布設(shè)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(yàn)、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(yàn). 此后，多次外場(chǎng)試驗(yàn)在不同的區(qū)域開展，比如國(guó)家衛(wèi)星氣象中心和北京大學(xué)等單位先后在北京地區(qū)、安徽地區(qū)，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)在上海地區(qū)，充分驗(yàn)證了技術(shù)的可行性，評(píng)估了所獲PWV的精度[1，14]. 不少專家基于地基GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行層析水汽的試驗(yàn)，研究不同的層析算法，重構(gòu)出水汽區(qū)域信息[15-16]. 近年來，也有關(guān)于BDS信號(hào)提取PWV的研究[17-18]. 經(jīng)過二十多年發(fā)展，相關(guān)研究取得了十分顯著的成果，形成了一門新興交叉學(xué)科—地基GNSS氣象學(xué).

GNSS是一種獲取大氣水汽產(chǎn)品的有效方法，可以提供高時(shí)空分辨率的大氣水汽數(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中. 目前，上海、武漢、香港等地區(qū)的地基GNSS水汽監(jiān)測(cè)網(wǎng)已正式運(yùn)行，所獲實(shí)時(shí)PWV精度可達(dá)1～2 mm. 從應(yīng)用情況看，依然無法達(dá)到讓人十分滿意的效果，仍有一些科學(xué)問題亟待研究，比如水汽分布的實(shí)時(shí)獲取、對(duì)流層延遲計(jì)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(cè)，移動(dòng)平臺(tái)(船載)水汽反演算法等.

1.2.2 地基GNSS電離層探測(cè)

伴隨著GPS系統(tǒng)的建設(shè)，利用地基GPS信號(hào)對(duì)電離層信息進(jìn)行探測(cè)和建模成為熱點(diǎn)研究方向之一.LANYI等[19]在1988年最早提出，并開展了相關(guān)探測(cè)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(chǔ)上，開展了建模研究. 此后，許多專家也從事該領(lǐng)域研究，重點(diǎn)解決建模精度問題[21-22]. 為解決區(qū)域特征獲取問題，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜依秒婋x層層析技術(shù)，重構(gòu)出區(qū)域電子密度分布信息[23-24]，并得到廣泛應(yīng)用. 國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)于1998年成立，旨在基于GPS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)全球TEC變化的工作，并提供專門的電離層服務(wù)和產(chǎn)品. 目前，全球有7個(gè)IGS電離層聯(lián)合分析中心(中國(guó)兩個(gè))，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(cè)及建模[25].

國(guó)內(nèi)對(duì)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(gòu)建、層析算法的研究等.1999年，劉經(jīng)南院士[26]采用多項(xiàng)式構(gòu)建了區(qū)域性電離層模型；2001年張小紅等[27]利用多項(xiàng)式擬合方法，研究了小區(qū)域電離層模型的構(gòu)建問題；柳景斌等[28]研究了時(shí)空分布均勻且精度較高的中國(guó)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(cè)緊密相關(guān)的二維、三維和四維層析算法研究問題也得到了許多學(xué)者的關(guān)注[30-32]，突破的關(guān)鍵技術(shù)具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值. 目前，隨著我國(guó)BDS的全面建成，BDS信號(hào)的電離層監(jiān)測(cè)與產(chǎn)品應(yīng)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(shù)

2.1 基本原理

GNSS-R技術(shù)是基于GNSS反射信號(hào)提取反射體信息的技術(shù)，是GNSS信號(hào)的又一創(chuàng)新應(yīng)用，其研究機(jī)理是采用同一GNSS接收機(jī)同時(shí)接收直射信號(hào)和經(jīng)反射體的反射信號(hào)，并通過分析反射信號(hào)在波形、強(qiáng)度、頻率、相位、極化等方面的變化特征，反演出反射體相關(guān)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(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，先后開展了不同參數(shù)反演的理論研究. 從試驗(yàn)研究到應(yīng)用研究，經(jīng)歷了地基、海基、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(gè)方面進(jìn)行分析.

圖2 GNSS-R信號(hào)傳播示意圖

2.2 研究進(jìn)展

2.2.1 海面參數(shù)遙感

國(guó)內(nèi)外研究人員重點(diǎn)開展了海面高度、海面風(fēng)場(chǎng)、有效波高、海冰和海洋鹽度等海表信息的理論、算法和試驗(yàn)研究. 為驗(yàn)證GNSS-R信號(hào)提取海面風(fēng)場(chǎng)的可能性，從20世紀(jì)90年代中期開始，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA) 先后開展了地基、空基試驗(yàn)，不斷優(yōu)化專門的接收機(jī)和算法，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康腫34-35]. 歐空局專家MARTIN-NEIRA等也多次開展Zeeland橋試驗(yàn)，用于驗(yàn)證海面測(cè)高的可行性. 隨后，為研究監(jiān)測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)、有效波高、海面高度的可行性，美國(guó)NASA與科羅拉多大學(xué)、歐空局、德國(guó)GFZ、西班牙IEEC與Starlab等機(jī)構(gòu)在諸多接收機(jī)研制和數(shù)據(jù)處理算法研究的基礎(chǔ)上，利用海岸、熱氣球、高塔、飛機(jī)、飛船、橋梁等進(jìn)行了多次試驗(yàn)[36-39]. 在海冰監(jiān)測(cè)、海洋鹽度反演也進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究[40-41]. 目前，該技術(shù)的研究主要聚焦在星載試驗(yàn)，比較著名的有英國(guó)發(fā)射的全球首個(gè)用于海面波高和風(fēng)場(chǎng)反演試驗(yàn)的Tech-Demonsat-1衛(wèi)星[39]、NASA于2016年發(fā)射的用于熱帶氣旋探測(cè)及其海面風(fēng)場(chǎng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的CYGNSS星座[42]、歐空局用于驗(yàn)證海面測(cè)高和風(fēng)場(chǎng)反演試驗(yàn)的GEROS-ISS項(xiàng)目[43].

國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)和專家也跟緊國(guó)外相關(guān)研究，主要進(jìn)行了海面測(cè)高、海面風(fēng)場(chǎng)的仿真分析、硬件研制、算法研究和驗(yàn)證試驗(yàn). 2003年楊東凱等[44]利用自制接收機(jī)，開展了機(jī)載試驗(yàn)，用于驗(yàn)證GPS-R測(cè)風(fēng)和測(cè)高的可能性. 隨后，符養(yǎng)[45]和王迎強(qiáng)[46]等研究了一種新的風(fēng)場(chǎng)反演方法，并通過機(jī)載試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性.2006 年，國(guó)內(nèi)首次岸基GNSS-R海洋遙感試驗(yàn)—CORE試驗(yàn)在廈門海岸開展，并獲得了有效波高[47].為充分驗(yàn)證GPS-R測(cè)風(fēng)的算法，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心也在渤海地區(qū)開展機(jī)載試驗(yàn)[48]. 近年來，該技術(shù)研究的重點(diǎn)在如何改進(jìn)數(shù)據(jù)處理算法提高海面測(cè)高、海面風(fēng)速的精度上[49-50]. 國(guó)內(nèi)對(duì)于在GNSSR監(jiān)測(cè)海冰尚處于起步階段，主要借助于國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可行性[51-52]. 隨著我國(guó)BDS的建設(shè)，出現(xiàn)了利用BDS反射信號(hào)提取相關(guān)參數(shù)的研究，主要在利用BDS信號(hào)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(duì)于星載試驗(yàn)，2019年我國(guó)發(fā)射了首顆載有GNSS-R載荷的“捕風(fēng)一號(hào)A/B”兩顆試驗(yàn)小衛(wèi)星，主要用于海面風(fēng)場(chǎng)的反演研究，也可監(jiān)測(cè)冰川、積雪厚度、土壤濕度等[56]；2021年7月5日發(fā)射的風(fēng)云系列衛(wèi)星FY-3E上，也增加了GNSS-R海面風(fēng)場(chǎng)探測(cè)功能[57].

2.2.2 陸面參數(shù)遙感

對(duì)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(hào)的特性，而介電常數(shù)和土壤濕度、積雪深度有關(guān)聯(lián)，可用GNSS-R信號(hào)反演土壤濕度、積雪深度. MASTERS等[58]開展了塔基試驗(yàn)對(duì)GNSS-R反演土壤含水量進(jìn)行研究. 為驗(yàn)證反演土壤濕度可行性，美國(guó)NASA和科羅拉多大學(xué)于2002年開展首次機(jī)載試驗(yàn)[59]，并持續(xù)開展多次試驗(yàn). 許多國(guó)家和地區(qū)相繼開展試驗(yàn)進(jìn)行研究，2007—2008年法國(guó)先后進(jìn)行兩次機(jī)載試驗(yàn)，2005—2008年澳大利亞開展四次機(jī)載試驗(yàn)[60]，2009、2011年歐空局先后開展兩次地基和機(jī)載試驗(yàn)[61]，英國(guó) 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(cè)量技術(shù)、美國(guó)LARSON等[64]研究的多路徑信號(hào)提取土壤濕度技術(shù). 對(duì)于積雪深度研究起步相對(duì)較晚，2009年開始，美國(guó)專家結(jié)合實(shí)際暴風(fēng)雪進(jìn)行了探索研究[65]，并推導(dǎo)出利用GNSS信噪比提取積雪深度的機(jī)理和數(shù)據(jù)處理方法[66-67]；西班牙專家利用長(zhǎng)期地基試驗(yàn)，進(jìn)一步研究了干涉模式信息測(cè)量技術(shù)和相關(guān)反演算法[68].

國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)和專家利用國(guó)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展了土壤濕度反演的機(jī)理研究[69]，開展了地基試驗(yàn)：武漢大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院武漢植物研究所聯(lián)合開展了多次地基試驗(yàn)[70]；隨后，中國(guó)氣象局、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所、清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位也先后多次開展了地基試驗(yàn)[71-72]，初步得出在平坦地表時(shí)，反演結(jié)果與土壤濕度計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果一致性較好，但對(duì)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(jī)載試驗(yàn)，得出了土壤濕度的估算方法，具有重要的參考價(jià)值[73]. 武漢大學(xué)進(jìn)行了基于BDS反射信號(hào)的反演算法和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了BDS信號(hào)反演土壤濕度的可行性[74].

對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)，探索了可行性；李彬彬等[76]在美國(guó)科羅拉多大學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了積雪深度的反演研究；中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)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(yàn)，所得雪深變化特征與實(shí)測(cè)值較一致；王力福等[79]利用新疆阿勒泰地區(qū)GPS監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)，對(duì)積雪深度進(jìn)行了反演，表明地基GNSS氣象監(jiān)測(cè)站的又一潛在應(yīng)用價(jià)值. 目前，積雪深度的反演精度需進(jìn)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(dǎo)航系統(tǒng)、不同衛(wèi)星、不同頻段反演結(jié)果的融合上下功夫.

3 GNSS-RO技術(shù)

3.1 基本原理

該技術(shù)通常將接收機(jī)裝在低軌道地球衛(wèi)星(LEO)上，并在掩星條件下對(duì)GNSS信號(hào)進(jìn)行接收，由于受到電離層電子和中性大氣的折射效應(yīng)影響，GNSS信號(hào)在大氣層中的傳播路徑發(fā)生了彎曲，使得信號(hào)產(chǎn)生了延遲，利用相關(guān)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(hào)傳播示意圖

3.2 研究進(jìn)展

上世紀(jì)80年代，伴隨著GPS星座的發(fā)展，已有學(xué)者針對(duì)掩星技術(shù)探測(cè)大氣相關(guān)理論進(jìn)行預(yù)先研究，為后續(xù)利用GPS掩星探測(cè)積累了技術(shù)[80]. 為驗(yàn)證其可行性， KURSINSKI等[81]利用美國(guó)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(xiàng)目研究先后在不同國(guó)家和地區(qū)展開，比如丹麥的Orsted、德國(guó)的CHAMP、阿根廷的SACC、美國(guó)與德國(guó)合作的GRACE、美國(guó)與中國(guó)臺(tái)灣合作的COSMIC、COSMIC-2、歐空局的Metop-A、Metop-B、Metop-C和我國(guó)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(jì)劃等，其中應(yīng)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(cè)載荷成為研究的熱點(diǎn). 美國(guó)計(jì)劃在低軌部署 “持續(xù)地球無線電掩星群計(jì)劃” (CICERO)星座，其首顆星已于2017年發(fā)射，目前正在組網(wǎng)建設(shè)中；一些商業(yè)氣象公司也啟動(dòng)了掩星項(xiàng)目，比如Spire Global、GeoOptics、PlanetiQ都在推進(jìn)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(zhǔn)的氣象數(shù)據(jù)服務(wù)[83].

我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究從地基掩星開始. 2003 年，北京應(yīng)用氣象研究所聯(lián)合多家單位在五臺(tái)山開展了我國(guó)首次山基試驗(yàn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白[48]. 隨后，多個(gè)機(jī)構(gòu)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(yàn)，充分研究了相關(guān)設(shè)備和算法的可行性. 2013年，我國(guó)FY-3C衛(wèi)星上搭載了國(guó)際首臺(tái)BDS/GPS兼容的掩星探測(cè)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(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)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(hào)”電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星，也搭載了可接收GPS和BDS掩星信號(hào)的載荷[88]. 還有一些微納衛(wèi)星項(xiàng)目，比如2020年1月發(fā)射了天津大學(xué)研制的國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)GNSS掩星探測(cè)載荷、南京信息工程大學(xué)計(jì)劃的“南信大一號(hào)”GNSS大氣海洋遙感試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目等.

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)GNSS大氣參數(shù)掩星探測(cè)的研究較多，且相對(duì)成熟. 目前的研究重點(diǎn)集中在誤差分析[89]、氣候應(yīng)用[90]、數(shù)據(jù)同化[91]方面. 對(duì)于GNSS電離層掩星探測(cè)，大致集中在幾個(gè)方面：消除局部球?qū)ΨQ假設(shè)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(cè)結(jié)果對(duì)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(yùn)行機(jī)制、監(jiān)測(cè)空間天氣異常等[95]為主的應(yīng)用研究.

4 GNSS-PRO技術(shù)

4.1 基本原理

目前，國(guó)際上對(duì)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(hào)探測(cè)強(qiáng)降雨的概念，其基本原理是右旋圓極化的GNSS信號(hào)在穿過雨區(qū)時(shí)，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(huì)發(fā)生偏移，在掩星條件下接收該偏移量進(jìn)而獲取降雨信息具體如圖4所示. 在Radio-Occultation and Heavy Precipitation with PAZ項(xiàng)目支持下，該團(tuán)隊(duì)研制出專門的GNSS雙極化掩星接收機(jī)，并搭載在2018年2月22日發(fā)射的西班牙地球觀測(cè)極軌衛(wèi)星 PAZ上.

圖4 低軌衛(wèi)星接收GNSS-PRO信號(hào)監(jiān)測(cè)強(qiáng)降雨原理示意圖[4]

圖5中PAZ 衛(wèi)星上的GNSS-PRO 載荷是國(guó)際上首臺(tái)雙極化掩星接收機(jī)，可同時(shí)接收穿過降水云團(tuán)的掩星信號(hào)和極化信號(hào). 因此，該項(xiàng)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(cè)強(qiáng)降雨的能力. 掩星信號(hào)得到的降水云中大氣溫壓濕廓線信息，對(duì)于降水云系的結(jié)構(gòu)和發(fā)展過程研究具有十分重要的意義；極化信號(hào)反演的降水信息將為天基降水探測(cè)提供新的手段，對(duì)全球降水觀測(cè)具有重要作用.

4.2 研究進(jìn)展

自該新概念提出以來，為充分驗(yàn)證其可行性，CARDELLACH研究團(tuán)隊(duì)在理論分析、算法研究、數(shù)據(jù)處理、試驗(yàn)驗(yàn)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(qiáng)信息對(duì)比得出，掩星觀測(cè)極化相移與強(qiáng)降雨的相關(guān)性較好[96]. 因此，研制了專門的微帶天線，開展了長(zhǎng)期的地基試驗(yàn)，針對(duì)性地研究了各種誤差源及影響因素的處理方案，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)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(qiáng)度的反演，并利用GPM降水產(chǎn)品說明了其有效性[98]. 對(duì)于PAZ衛(wèi)星試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過處理和對(duì)比分析，得出了降水云中的大氣溫濕壓廓線，成功獲得強(qiáng)降水中的極化相移觀測(cè)值以及降水云的垂直結(jié)構(gòu)[99]，進(jìn)一步說明了其潛在的應(yīng)用價(jià)值. 但是，目前還沒有看到降雨強(qiáng)度的定量反演結(jié)果.

國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院團(tuán)隊(duì)對(duì)相關(guān)理論和試驗(yàn)進(jìn)行了研究. 基于GNSS信號(hào)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(qiáng)變化的正演模型，利用數(shù)值模擬了兩種模型反演雨強(qiáng)的可行性[100-103]. 在此研究基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)研制了專門的用于接收GNSS雙極化信號(hào)的圓錐喇叭天線，圖6為GNSS雙極化降雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并于2015年和2016年在南京溧水開展了長(zhǎng)期地基試驗(yàn)，逐一解決了質(zhì)量控制、失鎖、周跳、硬件效應(yīng)、電離層、中性大氣、初值不確定、多路徑效應(yīng)等問題，獲得雨致極化相移觀測(cè)值，充分驗(yàn)證了該新概念的可行性，為后續(xù)天基試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)[104].

圖6 外場(chǎng)試驗(yàn)中GNSS雙極化降雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的戶外天線部分[104]

5 結(jié)束語

GNSS大氣海洋遙感是20世紀(jì)末發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域，其非常精妙地將遙感探測(cè)、大氣海洋空間科學(xué)與衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)相結(jié)合，大大拓展了GNSS的應(yīng)用范圍，極大地發(fā)揮了其應(yīng)用價(jià)值. 由于GNSS信號(hào)有全球性、全天候、全天時(shí)、穩(wěn)定性、免費(fèi)、時(shí)空分辨率高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在大氣海洋遙感領(lǐng)域的應(yīng)用一直是許多國(guó)內(nèi)外專家研究的焦點(diǎn).目前，由我國(guó)自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的BDS已完成全球組網(wǎng)，為GNSS大氣海洋遙感技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，將有力的促進(jìn)該領(lǐng)域的研究及應(yīng)用. 雖然該遙感技術(shù)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(yīng)用，但仍存在一些值得進(jìn)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(shù)已基本成熟，在全球地基觀測(cè)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(jìn)一步的提高，可在模型構(gòu)建、資料同化、層析算法等方面進(jìn)行深入研究；也可借助人工智能技術(shù)，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(jìn)接收系統(tǒng)方面. 不同領(lǐng)域不同需求的GNSS接收機(jī)系統(tǒng)已基本實(shí)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(jī)需加快發(fā)展；多功能集成的接收機(jī)需重點(diǎn)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(jī)具有巨大的應(yīng)用前景，比如可搭載于微納衛(wèi)星上，具備星上實(shí)時(shí)處理功能等.

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

4)深挖掘應(yīng)用潛力方面. 在應(yīng)用領(lǐng)域上，電離層產(chǎn)品可用于地震監(jiān)測(cè)與短臨預(yù)報(bào)，GNSS-R技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)海面溢油、海洋渦流、海上目標(biāo)以及提取大氣波導(dǎo)、植被信息等. 在應(yīng)用方式上，隨著多個(gè)GNSS應(yīng)用衛(wèi)星星座的建設(shè)，多衛(wèi)星多載荷協(xié)同觀測(cè)、星地多手段綜合監(jiān)測(cè)已成為可能，這樣可實(shí)現(xiàn)更大范圍、更高精度甚至實(shí)時(shí)準(zhǔn)實(shí)時(shí)的環(huán)境要素監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高對(duì)大氣海洋環(huán)境的認(rèn)知.