GPS北鬥兼容的星載掩星探測技術

GNSS無線電掩星大氣探測技術具備全球覆蓋、高垂直解析度、高精度、全天候、長期穩定和無須定標等優點，是目前提高數值天氣預報準確度、空間天氣探測和預報能力的重要探測手段。

當一顆星體在運動過程中掩蓋了另外一顆星體，從觀測者的角度看，就形成了掩星現象。掩星能夠幫助天文學家和天文愛好者者發現新的星體，極具科學價值。同樣，類似的現象發生在全球衛星導航系統（GNSS）信號觀測中，也有巨大的研究和應用價值。

因此，全球定位系統（GPS）星座建成後，GNSS無線電掩星探測技術應運而生，並迅速成為國際新興的衛星遙感技術之一，以及數值天氣預報、全球氣候監測和空間天氣觀測的重要手段。一些國家和地區競相發展自己的GNSS掩星探測計劃，例如美國和中國臺灣合作的COSMIC II星座、美國的CICERO星座、歐洲的MetOp-C以及我國的FY3-D星等都是近期準備發射的計劃。

世界氣象組織在2025年發展規劃中已明確提出每天要實現一萬次掩星探測事件，這就需要開展百星級別的掩星探測任務，但到目前為止，掌握掩星大氣探測技術的國家為數並不多，而中國科學院國家空間科學中心研發的GPS北鬥（BDS）兼容的掩星大氣探測載荷，成功使我國躋身此列，具備了核心科技競爭力和國際影響力。風雲三號系列衛星（共6顆）已經或即將搭載的GNOS掩星探測儀已被列入世界氣象組織掩星探測載荷矩陣。

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多系統兼容的GNSS掩星探測技術是GNSS遙感領域未來的主要方向之一，可以成倍增加掩星事件數量，提高全球的空間與時間觀測覆蓋率。研究團隊的星載GPS北鬥掩星探測技術即順應了這一大發展趨勢，其在低軌衛星（LEO）上搭載掩星探測儀，接收被大氣及電離層彎曲和延時的GPS北鬥導航信號，通過反演獲取大氣溫、溼、壓和電離層電子密度等參數廓線。該技術具有全球覆蓋、高垂直解析度、高精度、全天候、長期穩定和無須定標等優點，是目前提高數值天氣預報準確度、空間天氣探測和預報能力的重要探測手段。

GPS北鬥兼容的星載掩星探測系統由星上探測分系統與地面數據處理分系統兩部分組成。以FY3-C掩星探測系統為例，其星載GNOS掩星探測儀由3副天線、3臺射頻單元和1臺處理單元組成。

定位天線接收GPS北鬥雙頻導航信號，用於掩星探測儀精密定軌；掩星天線接收穿過大氣及電離層的雙頻掩星信號；各射頻單元主要功能是低噪聲放大及下變頻處理；處理單元主要功能是定位及掩星信號捕獲、跟蹤、解算，以及雙頻載波相位、偽距等觀測量的測量。地面數據處理分系統由數據預處理和產品反演子系統組成。數據預處理子系統包括基於GPS北鬥雙頻信號的LEO精密定軌和電離層、大氣附加相位解算等功能。 

北鬥一期區域定位系統由14顆衛星組成（FY3C  GNOS探測儀只接收這14顆北鬥衛星的信號）。根據北鬥衛星系統星座空間的分布特點，同時可觀測到大於5顆星的區域僅位於亞太地區，不能滿足衛星全軌道大於4顆北鬥導航衛星觀測的條件。研究團隊研發的風雲三號氣象衛星C星GPS北鬥兼容的掩星探測儀在國際上首次在軌實現了基於北鬥系統的雙頻LEO高精度實時定位，而且突破了部分軌道觀測數據簡動力學定軌技術，僅使用單獨的北鬥觀測數據，在國際上首次實現星載LEO北鬥雙頻事後精密定軌，精度達到30釐米（3D RMS）。

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對流層底部（海拔高度10千米以下），尤其是低緯度熱帶地區的大氣含有豐富的水汽，因此有著複雜的垂直結構。掩星信號進入這個區域後，大氣都卜勒頻移和振幅信號的波動均劇烈地增加，掩星信號的頻譜產生擴展。由於在對流層底部存在掩星信號幅度的衰減和都卜勒頻率快速變化的雙重因素，因此一般的鎖相環不能正常工作，需要一種更穩定的跟蹤技術來處理通過潮溼對流層的掩星信號。

基於大氣模式的開環跟蹤技術正是解決上述問題的有效途徑，它使用GPS北鬥/LEO預報軌道和大氣折射率氣候預報的都卜勒模型對信號進行跟蹤，與傳統的鎖相環不同，它在觀測信號和控制模型之間沒有反饋（只用模型控制信號），所以不受信號變動的影響，結合100赫茲的高採樣率就可以具備跟蹤多重相位和幅度（由大氣多路徑引起）的能力，而且可以更方便地探測上升掩星事件。

基於這樣的思路，研究團隊突破了基於大氣模式的L1C/A信號開環跟蹤技術，並在風雲三號氣象衛星掩星探測儀上實現了國內的首次在軌應用，驗證結果表明，基於大氣模式的L1C/A信號開環跟蹤技術對10千米以下信號的跟蹤能力達到了國際先進水平。

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掩星探測技術對天線也提出了多重要求：天線帶寬要覆蓋所有的範圍，其最大增益指向在衛星本體坐標系下俯仰角為27.3度；此外，在一軌約90分鐘時間內，衛星艙外溫度變化範圍為-90～90攝氏度，而且會受到空間粒子事件的幹擾，星載環境十分惡劣。

為此，研究團隊通過深入研究，突破了寬帶偏波束天線技術，並在風雲三號氣象衛星C星上得到在軌應用，在星上資源十分有限的情況下節省了天線重量，滿足了衛星安裝條件。此外，天線設計滿足了星載惡劣環境下高可靠性和長壽命的要求，自2013年9月23日衛星升空至今，天線和掩星探測儀一直工作良好。

星載高動態L2P（Y）半無碼跟蹤靈敏度也是星載掩星探測技術的重點。GPS雙頻接收機中對L2P（Y）信號的跟蹤通常採用半無碼跟蹤方法，但由於半無碼方法本身具有平方損耗，因此獲得的L2P（Y）信號載噪比較低，在高動態條件下更是難以實現穩定跟蹤。研究團隊研發的雙頻GPS接收機動態輔助L2P（Y）碼跟蹤的方法可以有效降低載波跟蹤環路的相位顫動，消除L2P（Y）載波跟蹤動態，從而提高高動態環境下的跟蹤靈敏度。風雲三號氣象衛星C星的在軌應用測試結果表明，高動態下L2P（Y）跟蹤靈敏度可以達到13分貝赫茲，達到了國際先進水平。

在研發過程中，最關鍵的挑戰是如何突破GPS北鬥兼容的電離層和大氣掩星探測關鍵技術，進而在風雲三號氣象衛星C星上實現在軌應用。在軌測試結果表明，研究團隊成功做到了這一點，並在國際上首次在軌實現了GPS北鬥電離層和大氣掩星探測及參數的反演：其掩星探測儀載波相位精度為有碼時≤1毫米、無碼時≤2毫米，折射率反演精度10 ～ 30千米、優於1%，電離層掩星電子峰值密度反演精度優於20%，均處於國際先進水平。在5～ 25千米高度範圍內，北鬥與GPS內符合精度大氣折射率優於2%，溫度優於2開爾文，溼度優於1.5克/千克，壓強優於2%，電離層峰值密度優於15.6%；北鬥與GPS掩星反演精度基本一致。

GPS北鬥兼容的星載掩星探測技術自2013年9月首次成功應用於風雲三號氣象衛星C星以來，C星掩星探測數據被同化到中國氣象局自主研發的全球數值天氣預報模式GRAPES中，有效地改善了分析和預報效果，在我國天基大氣探測業務體系中發揮了重要作用。下一步，風雲三號系列後續所有衛星都將搭載研究團隊研製的掩星探測儀系列產品。

到目前為止，除在軌運行的風雲三號C星外，另有11顆衛星已定製了中國科學院國家空間中心研製的GPS北鬥兼容的星載掩星探測儀，更多的衛星型號任務正在論證中。但GPS北鬥兼容的星載掩星探測技術的應用領域並不局限於此，其高動態導航定位、精密定軌技術成果在航天、航空等領域也大有可為，北鬥導航空間領域應用的新篇章即將就此掀開。

孫越強：研究員，中國科學院國家空間中心空間環境探測研究室主任。

杜起飛：研究員，GNOS掩星探測儀總師。

柳聰亮：助理研究員，本文通訊作者。

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