从科研到应用：GNSS-R技术在风云卫星中的创新与实践

  如今，导航慢慢的变成了人们日常出行必不可少的工具。无论是开车、骑车、步行，甚至乘坐公交和地铁，人们几乎离不开导航系统。随着城市发展日新月异，导航让我们找到目的地，慢慢的变成了生活中不可或缺的工具。然而，你或许不知道，导航卫星除了用于定位和导航，还在遥感领域发挥着及其重要的作用。顾名思义，遥感就是“遥远的感知”，通俗地说，卫星通过种种传感器收集、处理从远距离目标反射或辐射的电磁波信息，从而探测和识别地面物体。

  全球导航卫星系统反射信号遥感（GlobalNavigationSatelliteSystem－reflectometry，GNSS－R），正是一种利用卫星导航系统的反射信号来进行地球观测的技术。简单来说，这种技术的工作原理是借助现有的导航卫星，比如我国的北斗导航系统，美国的GPS等，获取它们发射的无线电信号在地表或海面的反射，然后通过一系列分析这些反射信号来提取出地物的信息，如海面风速、土壤湿度等。中国科学院国家空间科学中心黄飞雄副研究员，他主要研究方向正是这一领域。目前，他已经提出并实现了新的反演方法和应用体制，并在天气预报中发挥了重要作用。

  黄飞雄于2010年考入武汉大学测绘工程专业，本科毕业后前往美国普渡大学攻读硕士与博士学位。在攻读博士期间，他师从美国著名专家JamesGarrison教授，首次接触到GNSS－R技术，并对其产生了浓厚兴趣，从此开启了GNSS－R科研之旅。

  2016年，美国航空航天局（NASA）发射了旋风卫星导航系统（CYGNSS），作为全球GNSS－R领域内的首个卫星星座飞行任务，CYGNSS是一个用于提高飓风预报准确性的包含8颗微小卫星的星座系统，旨在对热带气旋、台风以及飓风整个寿命周期中的眼壁内和眼壁附近的海洋表面风进行频繁测量。黄飞雄被导师推荐加入到该卫星的科研团队，与全世界的科学家共同开展研究，并且参加研讨会，积累了丰富的科研经验。2019年，黄飞雄获得欧洲气象卫星应用组织的访问科学家项目资助，前往荷兰皇家气象研究所进行访问，师从气象领域著名专家AdStoffelen教授，在此期间，他不断学习先进的知识和技术，积累了宝贵的气象领域知识。

  在美国期间，黄飞雄对于GNSS－R技术深入钻研，取得了一系列创新性的科研成果，他依托CYGNSS卫星任务，提出了基于时延多普勒图的新反演体制和新应用，其中基于时延多普勒图序列的卡尔曼滤波海面风场反演算法将该技术传统的条带式一维观测提升为120km宽刈幅二维观测，大幅拓宽了观测范围。此外，他还在国际上首次提出了直接同化时延多普勒图的概念，相比同化风速，数据使用率从8％提升至90％，对数值天气预报取得了更好的效果。

  2020年12月，黄飞雄博士毕业后，立即回国加入了中科院国家空间科学中心空间环境探测北京市重点实验室。当时，由国家空间科学中心自主研制的风云三号E星全球导航卫星掩星探测仪II型（GNOS－II），在国际上首次实现了北斗／GNSS掩星、北斗／GNSS－R一体化遥感探测，单载荷可同时获取电离层、大气层、海洋和陆表参数的立体数据。风云三号E星与黄飞雄在美国参与研究的CYGNSS最大不同之处在于，除了GPS还能同时接收我国的北斗导航卫星和欧盟伽利略卫星的信号。而黄飞雄要负责的正是该卫星的北斗／GNSS－R地面数据处理系统建设。

  与之前科研不同，黄飞雄在这里依托国家重大卫星工程建设项目，不仅要研究算法，还要将算法实实在在地应用到实际的卫星上，解决具体的工程问题。针对不同导航系统的信号体制差异及接收机星地环境差异引起的定标偏差、存在多源信号干扰等难点，他提出了基于导航信号体制的静态定标与在轨交叉定标技术、基于自动增益控制的星上实时干扰修正等技术，国际首次实现了北斗、GPS、伽利略三系统在轨数据的长期稳定定标及一致性。对于观测量与风速非线性关系而导致的风速偏差，高风速信噪比低、缺乏有效对比数据等难点，他提出了基于模式预报场的风速偏差修正，开发了专为台风与高风速设计的半经验反演模型，实现了GNSS－R全球风速精度优1.5m／s，其中北斗与伽利略的风速反演均为国际首次；实现了台风风速反演高于50m／s，成功描绘台风风场结构。

  以上算法均应用于了风云卫星业务化地面应用系统，黄飞雄为此编写了一套完整的从原始卫星数据到海面风速产品的全自主研发处理软件。风云三号E星的GNSS－R产品已于2022年6月正式对外发布，数据的精度、稳定性、时效性均达到设计指标并满足业务应用需求。海面风速产品于2023年6月正式业务化同化于中国气象局数值天气预报，并取得中性偏正结果，这也是国际上同类技术产品的首次业务化应用。此外，风云三号E星的GNSS－R海面风速产品也可用于台风监测，应用于了中国气象局的台风会商，与其他观测数据一起为台风定位定强提供参考，比如在2023年的超强台风“玛娃”和“卡努”的监测和预报中发挥了重要作用。

  2023年4月和8月，我国风云三号G星和F星相继发射，GNSS－R技术实现了星座组网探测。黄飞雄作为GNSS－R数据的地面应用系统负责人，顺利完成了两颗卫星的在轨测试，目前两颗星都顺利进入了业务化运行阶段。

  北斗作为我国自主研发和建设的GNSS系统，经过数十年的发展，从当初的GPS一家独大，到现在变成GPS、北斗、GLONASS、伽利略等多系统共存，可谓取得了长足的进步。如今我国的GNSS系统，已经具备提供全方位、全天候、高精度、高速率定位导航服务的能力。北斗／GNSS－R以及其所推动的外源助动遥感技术将在科学技术进步和实用化方面发挥越来越巨大的作用。

  谈及未来规划，黄飞雄表示，他将继续发展和优化GNSS－R海洋遥感的反演方法及应用，开展新一代新体制的载荷设计，提高反演精度、增加探测要素，提升应用能力。同时，积极推动科研成果的落地应用，让GNSS－R技术与风云卫星实实在在地为民生和经济提供帮助。（文／苗燕）

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