GNSS大气海洋遥感技术研究进展

安豪，严卫，杜晓勇，卞双双

（ 1. 西安测绘研究所, 西安 710054；2. 国防科技大学 气象海洋学院, 长沙 410073 ）

0 引 言

近年来，随着卫星导航精密定位技术的发展，主要包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和中国北斗卫星导航系统(BDS)在内的全球卫星导航系统(GNSS)迅猛建设和日臻成熟. GNSS能提供全天候、全时段精准的定位导航和授时(PNT)服务，率先在军事领域得到了广泛应用，还在工业、农业、交通运输业、科学研究等人类社会和生活的方方面面发挥着不可估量的作用[1-2].

在GNSS高精度导航定位中，大气层和地表环境的干扰会导致定位产生误差. 至今，这些干扰仍然是高精度定位中不易解决的问题. 然而，科学家在进行消除干扰研究时，从逆问题的角度出发，创造性地将大气延迟、地表反射等误差源作为有价值的信号源，开展了遥感探测大气和地表环境要素的研究，极大地拓展了GNSS的应用领域. 由于GNSS信号丰富、全球覆盖、成本低廉等独特优势，迅速掀起了一波又一波研究热潮，取得了大量的创新性研究成果，部分研究成果已在相关业务上发挥重要作用[2-3].

经过二十多年的发展，利用GNSS信号可探测多项大气海洋要素，比如大气温湿廓线、大气可降水量(PWV)、电离层电子密度、海面高度、海面风场等，逐渐形成了GNSS大气海洋遥感技术[2]. 概括起来，该技术主要有四个分支：GNSS延迟信号( GNSS-D)技术、GNSS反射测量(GNSS-R)技术、GNSS无线电掩星(GNSS-RO)技术、GNSS极化掩星(GNSS-PRO)技术[4].

1 GNSS-D技术

1.1 基本原理

GNSS-D技术是指利用大气层对GNSS导航定位的干扰信息，即延迟项，获得GNSS信号路径与大气相关信息的技术. 图1中由于不同高度不同大气折射率的存在，GNSS信号在大气层传播过程中不会沿直线传播而发生了弯曲，从而使信号产生了时间延迟.这种延迟可分为中性层延迟和电离层延迟，由于中性层延迟一般发生在对流层，故也称对流层延迟[5]. 对流层延迟主要与大气中可降水量相关，电离层延迟主要与电离层电子密度含量(TEC)相关，故可利用GNSS信号对PWV和TEC进行探测.

图1 GNSS-D信号传播示意图

1.2 研究进展

1.2.1 GNSS PWV探测

地基GNSS探测PWV的概念最早由美国BEVIS等[6]在1992年提出. 随后，许多试验如GPS/STORM、GPS-WIS94、WWAVE、CLAM[7-9]等陆续开展，证实了该技术的可行性，与传统探空、水汽辐射计手段相比，其精度差别不大. GPS 地基观测网的布设为水汽的分布研究提供了条件，不少专家开展了水汽层析反演试验、层析模型、三维和四维层析方法等研究，取得了较好的成果[10-11].

毛节泰[12]、李成才等[13]开展了一系列理论研究和可行性试验. 此后，多次外场试验在不同的区域开展，比如国家卫星气象中心和北京大学等单位先后在北京地区、安徽地区，中国科学院上海天文台在上海地区，充分验证了技术的可行性，评估了所获PWV的精度[1，14]. 不少专家基于地基GPS监测网进行层析水汽的试验，研究不同的层析算法，重构出水汽区域信息[15-16]. 近年来，也有关于BDS信号提取PWV的研究[17-18]. 经过二十多年发展，相关研究取得了十分显著的成果，形成了一门新兴交叉学科—地基GNSS气象学.

GNSS是一种获取大气水汽产品的有效方法，可以提供高时空分辨率的大气水汽数据，且该数据已广泛应用于区域数值天气预报中. 目前，上海、武汉、香港等地区的地基GNSS水汽监测网已正式运行，所获实时PWV精度可达1～2 mm. 从应用情况看，依然无法达到让人十分满意的效果，仍有一些科学问题亟待研究，比如水汽分布的实时获取、对流层延迟计算模型的适用性、水汽产品的区域同化、四维水汽层析算法的精度提高、多源数据(BDS/GPS)的组合观测，移动平台(船载)水汽反演算法等.

1.2.2 地基GNSS电离层探测

伴随着GPS系统的建设，利用地基GPS信号对电离层信息进行探测和建模成为热点研究方向之一.LANYI等[19]在1988年最早提出，并开展了相关探测与建模，初步论证了其可行性. 1993年，MANNUCCI等[20]在利用GPS数据获取全球TEC的基础上，开展了建模研究. 此后，许多专家也从事该领域研究，重点解决建模精度问题[21-22]. 为解决区域特征获取问题，相关领域专家利用电离层层析技术，重构出区域电子密度分布信息[23-24]，并得到广泛应用. 国际GNSS服务(IGS)于1998年成立，旨在基于GPS数据监测全球TEC变化的工作，并提供专门的电离层服务和产品. 目前，全球有7个IGS电离层联合分析中心(中国两个)，主要向IGS提交各自的电离层产品文件，用于全球电离层监测及建模[25].

国内对这一研究的起步稍晚，主要集中于不同大小区域电离层模型的构建、层析算法的研究等.1999年，刘经南院士[26]采用多项式构建了区域性电离层模型；2001年张小红等[27]利用多项式拟合方法，研究了小区域电离层模型的构建问题；柳景斌等[28]研究了时空分布均匀且精度较高的中国区域电离层球冠谐分析模型；任晓东[29]分析了多GNSS系统数据融合及建模问题. 与电离层分布大范围、高精度观测紧密相关的二维、三维和四维层析算法研究问题也得到了许多学者的关注[30-32]，突破的关键技术具有较强的应用价值. 目前，随着我国BDS的全面建成，BDS信号的电离层监测与产品应用、不同产品数据融合也是值得深入研究的方向.

2 GNSS-R技术

2.1 基本原理

GNSS-R技术是基于GNSS反射信号提取反射体信息的技术，是GNSS信号的又一创新应用，其研究机理是采用同一GNSS接收机同时接收直射信号和经反射体的反射信号，并通过分析反射信号在波形、强度、频率、相位、极化等方面的变化特征，反演出反射体相关信息，如图2所示. 该概念由欧空局专家MARTIN-NEIRA[33]于1993年首先提出，得到了国内外研究人员的广泛关注，先后开展了不同参数反演的理论研究. 从试验研究到应用研究，经历了地基、海基、空基、天基研究，发展了海面参数遥感到陆面参数遥感. 因此，这里从海面参数遥感和陆面参数遥感两个方面进行分析.

图2 GNSS-R信号传播示意图

2.2 研究进展

2.2.1 海面参数遥感

国内外研究人员重点开展了海面高度、海面风场、有效波高、海冰和海洋盐度等海表信息的理论、算法和试验研究. 为验证GNSS-R信号提取海面风场的可能性，从20世纪90年代中期开始，美国国家航空航天局(NASA) 先后开展了地基、空基试验，不断优化专门的接收机和算法，达到了试验目的[34-35]. 欧空局专家MARTIN-NEIRA等也多次开展Zeeland桥试验，用于验证海面测高的可行性. 随后，为研究监测海面风场、有效波高、海面高度的可行性，美国NASA与科罗拉多大学、欧空局、德国GFZ、西班牙IEEC与Starlab等机构在诸多接收机研制和数据处理算法研究的基础上，利用海岸、热气球、高塔、飞机、飞船、桥梁等进行了多次试验[36-39]. 在海冰监测、海洋盐度反演也进行了理论和试验研究[40-41]. 目前，该技术的研究主要聚焦在星载试验，比较著名的有英国发射的全球首个用于海面波高和风场反演试验的Tech-Demonsat-1卫星[39]、NASA于2016年发射的用于热带气旋探测及其海面风场业务化运行的CYGNSS星座[42]、欧空局用于验证海面测高和风场反演试验的GEROS-ISS项目[43].

国内机构和专家也跟紧国外相关研究，主要进行了海面测高、海面风场的仿真分析、硬件研制、算法研究和验证试验. 2003年杨东凯等[44]利用自制接收机，开展了机载试验，用于验证GPS-R测风和测高的可能性. 随后，符养[45]和王迎强[46]等研究了一种新的风场反演方法，并通过机载试验验证了其有效性.2006 年，国内首次岸基GNSS-R海洋遥感试验—CORE试验在厦门海岸开展，并获得了有效波高[47].为充分验证GPS-R测风的算法，中国科学院国家空间科学中心也在渤海地区开展机载试验[48]. 近年来，该技术研究的重点在如何改进数据处理算法提高海面测高、海面风速的精度上[49-50]. 国内对于在GNSSR监测海冰尚处于起步阶段，主要借助于国内外试验数据验证可行性[51-52]. 随着我国BDS的建设，出现了利用BDS反射信号提取相关参数的研究，主要在利用BDS信号获取潮位、海面波浪高度和海平面变化等方面取得了不少研究成果[53-55]. 对于星载试验，2019年我国发射了首颗载有GNSS-R载荷的“捕风一号A/B”两颗试验小卫星，主要用于海面风场的反演研究，也可监测冰川、积雪厚度、土壤湿度等[56]；2021年7月5日发射的风云系列卫星FY-3E上，也增加了GNSS-R海面风场探测功能[57].

2.2.2 陆面参数遥感

对于GNSS-R陆面参数的遥感，目前主要在反演土壤湿度和积雪深度. 反射表面的介电常数是影响GNSS-R信号的特性，而介电常数和土壤湿度、积雪深度有关联，可用GNSS-R信号反演土壤湿度、积雪深度. MASTERS等[58]开展了塔基试验对GNSS-R反演土壤含水量进行研究. 为验证反演土壤湿度可行性，美国NASA和科罗拉多大学于2002年开展首次机载试验[59]，并持续开展多次试验. 许多国家和地区相继开展试验进行研究，2007—2008年法国先后进行两次机载试验，2005—2008年澳大利亚开展四次机载试验[60]，2009、2011年欧空局先后开展两次地基和机载试验[61]，英国 TechDemonsat-1卫星GNSS-R数据反演土壤湿度研究[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测量技术、美国LARSON等[64]研究的多路径信号提取土壤湿度技术. 对于积雪深度研究起步相对较晚，2009年开始，美国专家结合实际暴风雪进行了探索研究[65]，并推导出利用GNSS信噪比提取积雪深度的机理和数据处理方法[66-67]；西班牙专家利用长期地基试验，进一步研究了干涉模式信息测量技术和相关反演算法[68].

国内相关机构和专家利用国外试验数据开展了土壤湿度反演的机理研究[69]，开展了地基试验：武汉大学与中国科学院武汉植物研究所联合开展了多次地基试验[70]；随后，中国气象局、中国科学院国家空间科学中心、中国科学院遥感与数字地球研究所、清华大学、北京大学、北京航空航天大学等单位也先后多次开展了地基试验[71-72]，初步得出在平坦地表时，反演结果与土壤湿度计实测结果一致性较好，但对于粗糙地表还需深入的研究. 其中，2014年在河南郑州开展的GNSS-R机载试验，得出了土壤湿度的估算方法，具有重要的参考价值[73]. 武汉大学进行了基于BDS反射信号的反演算法和试验研究，验证了BDS信号反演土壤湿度的可行性[74].

对于积雪深度，邵礼明等[75]利用欧空局在南极洲的GNSS-R干雪试验数据，探索了可行性；李彬彬等[76]在美国科罗拉多大学试验数据的基础上，进行了积雪深度的反演研究；中国科学院上海天文台的金双根等[77]证明了L2P 的信噪比数据能够有效反演雪深；刘智康等[78]在北极黄河站开展了地基试验，所得雪深变化特征与实测值较一致；王力福等[79]利用新疆阿勒泰地区GPS监测站数据，对积雪深度进行了反演，表明地基GNSS气象监测站的又一潜在应用价值. 目前，积雪深度的反演精度需进一步的提高，一方面可从反演算法入手；另一方面可考虑在不同导航系统、不同卫星、不同频段反演结果的融合上下功夫.

3 GNSS-RO技术

3.1 基本原理

该技术通常将接收机装在低轨道地球卫星(LEO)上，并在掩星条件下对GNSS信号进行接收，由于受到电离层电子和中性大气的折射效应影响，GNSS信号在大气层中的传播路径发生了弯曲，使得信号产生了延迟，利用相关算法解算这些延迟可获取路径上的大气和电离层参数信息如图3所示.

图3 GNSS-RO信号传播示意图

3.2 研究进展

上世纪80年代，伴随着GPS星座的发展，已有学者针对掩星技术探测大气相关理论进行预先研究，为后续利用GPS掩星探测积累了技术[80]. 为验证其可行性， KURSINSKI等[81]利用美国Microlab-1卫星成功接收的掩星数据反演出大气信息. 随后，一系列GPS掩星项目研究先后在不同国家和地区展开，比如丹麦的Orsted、德国的CHAMP、阿根廷的SACC、美国与德国合作的GRACE、美国与中国台湾合作的COSMIC、COSMIC-2、欧空局的Metop-A、Metop-B、Metop-C和我国的FY-3C、FY-3D、FY-3E以及欧洲气象卫星组织的第二代极轨卫星(EPS-SG)计划等，其中应用较为广泛的是COSMIC星座[82]. 近年来，微纳卫星上搭载GNSS掩星气象探测载荷成为研究的热点. 美国计划在低轨部署 “持续地球无线电掩星群计划” (CICERO)星座，其首颗星已于2017年发射，目前正在组网建设中；一些商业气象公司也启动了掩星项目，比如Spire Global、GeoOptics、PlanetiQ都在推进自己的LEO卫星星座，用于获取GNSS掩星数据，以提供更精准的气象数据服务[83].

我国对该技术的研究从地基掩星开始. 2003 年，北京应用气象研究所联合多家单位在五台山开展了我国首次山基试验，填补了国内的空白[48]. 随后，多个机构分别在湖北药姑山和九宫山[84]、河北雾灵山[85]开展了山基试验，充分研究了相关设备和算法的可行性. 2013年，我国FY-3C卫星上搭载了国际首台BDS/GPS兼容的掩星探测仪，成功得到大量掩星数据及反演产品，在数值天气预报和气候监测中发挥了重要作用[86]. 2017年发射的FY-3D卫星和2021年发射的FY-3E卫星继续搭载了该载荷[87]. 2018年发射的“张衡一号”电磁监测试验卫星，也搭载了可接收GPS和BDS掩星信号的载荷[88]. 还有一些微纳卫星项目，比如2020年1月发射了天津大学研制的国内首个商业GNSS掩星探测载荷、南京信息工程大学计划的“南信大一号”GNSS大气海洋遥感试验卫星项目等.

近年来，国内外对GNSS大气参数掩星探测的研究较多，且相对成熟. 目前的研究重点集中在误差分析[89]、气候应用[90]、数据同化[91]方面. 对于GNSS电离层掩星探测，大致集中在几个方面：消除局部球对称假设的影响、LEO卫星高度以上的电子含量的影响等误差源剔除[92]，提高反演精度为主的反演算法研究[93]，联合地基天基探测结果对电离层层析成像的算法研究[94]和研究电离层模型、全球电离层同化模型、电离层运行机制、监测空间天气异常等[95]为主的应用研究.

4 GNSS-PRO技术

4.1 基本原理

目前，国际上对GNSS-PRO的研究还很少. 最早由西班牙研究人员CARDELLACH等[4]于2010年提出利用LEO卫星接收GNSS-PRO信号探测强降雨的概念，其基本原理是右旋圆极化的GNSS信号在穿过雨区时，受到非球形雨滴的影响，水平极化分量和垂直极化分量的相位会发生偏移，在掩星条件下接收该偏移量进而获取降雨信息具体如图4所示. 在Radio-Occultation and Heavy Precipitation with PAZ项目支持下，该团队研制出专门的GNSS双极化掩星接收机，并搭载在2018年2月22日发射的西班牙地球观测极轨卫星 PAZ上.

图4 低轨卫星接收GNSS-PRO信号监测强降雨原理示意图[4]

图5中PAZ 卫星上的GNSS-PRO 载荷是国际上首台双极化掩星接收机，可同时接收穿过降水云团的掩星信号和极化信号. 因此，该项目不仅可获得常规掩星所得大气温压湿廓线，还探究利用GNSSPRO 载荷监测强降雨的能力. 掩星信号得到的降水云中大气温压湿廓线信息，对于降水云系的结构和发展过程研究具有十分重要的意义；极化信号反演的降水信息将为天基降水探测提供新的手段，对全球降水观测具有重要作用.

4.2 研究进展

自该新概念提出以来，为充分验证其可行性，CARDELLACH研究团队在理论分析、算法研究、数据处理、试验验证等方面开展了大量的研究. 2014年，将42万多条COSMIC掩星廓线与TRMM卫星雨强信息对比得出，掩星观测极化相移与强降雨的相关性较好[96]. 因此，研制了专门的微带天线，开展了长期的地基试验，针对性地研究了各种误差源及影响因素的处理方案，并利用实测数据，验证了该思路的可行性[97]. 还提出了一种概率反演算法用于降雨强度的反演，并利用GPM降水产品说明了其有效性[98]. 对于PAZ卫星试验数据，通过处理和对比分析，得出了降水云中的大气温湿压廓线，成功获得强降水中的极化相移观测值以及降水云的垂直结构[99]，进一步说明了其潜在的应用价值. 但是，目前还没有看到降雨强度的定量反演结果.

国防科技大学气象海洋学院团队对相关理论和试验进行了研究. 基于GNSS信号穿过雨区后极化特性(交叉极化分辨率、极化相移)发生变化的物理特性，分别建立了交叉极化分辨率和极化相移随雨强变化的正演模型，利用数值模拟了两种模型反演雨强的可行性[100-103]. 在此研究基础上，该团队研制了专门的用于接收GNSS双极化信号的圆锥喇叭天线，图6为GNSS双极化降雨监测系统，并于2015年和2016年在南京溧水开展了长期地基试验，逐一解决了质量控制、失锁、周跳、硬件效应、电离层、中性大气、初值不确定、多路径效应等问题，获得雨致极化相移观测值，充分验证了该新概念的可行性，为后续天基试验研究奠定了基础[104].

图6 外场试验中GNSS双极化降雨监测系统的户外天线部分[104]

5 结束语

GNSS大气海洋遥感是20世纪末发展起来的新兴研究领域，其非常精妙地将遥感探测、大气海洋空间科学与卫星导航定位技术相结合，大大拓展了GNSS的应用范围，极大地发挥了其应用价值. 由于GNSS信号有全球性、全天候、全天时、稳定性、免费、时空分辨率高、抗干扰性强等优势，在大气海洋遥感领域的应用一直是许多国内外专家研究的焦点.目前，由我国自主发展、独立运行的BDS已完成全球组网，为GNSS大气海洋遥感技术的发展带来了新的机遇，将有力的促进该领域的研究及应用. 虽然该遥感技术经历了三十多年的发展，取得了一系列研究成果和成功的应用，但仍存在一些值得进一步研究的地方：

1)高精度产品生成方面. 目前，GNSS-D和GNSSRO技术已基本成熟，在全球地基观测站网和众多卫星载荷的接收下，积累了海量的数据，反演出了较高精度的产品. 但是，三维、四维水汽和电离层参数分布等产品的精度还需进一步的提高，可在模型构建、资料同化、层析算法等方面进行深入研究；也可借助人工智能技术，充分挖掘大数据的特征，以得到更多更高精度的产品.

2)更先进接收系统方面. 不同领域不同需求的GNSS接收机系统已基本实现，但从未来发展需求的角度看，随着GNSS星座的不断发展，多频、多模、更多通道的GNSS接收机需加快发展；多功能集成的接收机需重点研制，比如集定位、GNSS-RO和GNSS-R、GNSS-PRO等功能于一体；小型化、智能化的接收机具有巨大的应用前景，比如可搭载于微纳卫星上，具备星上实时处理功能等.

3)新方向深入研究方面. 目前，GNSS-R技术的地表遥感理论体系和方法研究正在逐步完善，星载试验验证还处于初步研究阶段，故在海面要素监测、土壤湿度提取、冰雪参数遥感等方面有许多科学和技术问题值得进一步的研究. GNSS-PRO技术处于探索研究阶段，但其显示出深远的科学意义和潜在的应用价值. 因此，其相关理论、算法、星载试验和应用方面都需要研究.

4)深挖掘应用潜力方面. 在应用领域上，电离层产品可用于地震监测与短临预报，GNSS-R技术可用于监测海面溢油、海洋涡流、海上目标以及提取大气波导、植被信息等. 在应用方式上，随着多个GNSS应用卫星星座的建设，多卫星多载荷协同观测、星地多手段综合监测已成为可能，这样可实现更大范围、更高精度甚至实时准实时的环境要素监测，进一步提高对大气海洋环境的认知.