FY-3D 衛(wèi)星的北斗掩星分布特征與誤差特性*

劉 艷 孟祥廣 ,, 白偉華 ,, 孫越強 ,, 廖 蜜 韓 英

1(中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預報中心 北京 100081)

2(中國科學院國家空間科學中心 北京 100190)

3(中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心 北京 100081)

4(北京石油化工學院數(shù)理系 北京 102617)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）掩星（Radio Occultation，RO）探測是一種新型的地球大氣探測技術，可以長期穩(wěn)定、經(jīng)濟地獲得地球大氣的三維結(jié)構(gòu)。GNSS 發(fā)射的電磁波信號經(jīng)過大氣層時，由于受到電離層和大氣介質(zhì)折射的影響，信號傳播路徑會發(fā)生彎曲，導致低軌衛(wèi)星（LEO）接收到的信號出現(xiàn)延遲。通過信號延遲可以推算得到大氣折射指數(shù)以及電離層的電子密度[1]。掩星觀測具有高精度、高垂直分辨率、全天候、全球覆蓋、無系統(tǒng)偏差等優(yōu)勢，因此其對于數(shù)值天氣預報、全球氣候變化以及空間天氣的長期監(jiān)測至關重要[2]。

最早的地球大氣掩星探測項目可追溯到1995 年美國Microlab-1 衛(wèi)星上的GPS/MET（Global Positioning System/Meteorology）掩星試驗，該試驗從理論與實踐兩方面證明了掩星技術可以精確探測地球大氣[3,4]，并促進了其他掩星探測計劃的發(fā)展，例如德國CHAMP（CHAllenging Minisatellite Payload）[5]掩星、阿根廷SAC-C（Satellite de Aplicaciones Cientificas-C）[6]掩星以及美德合作的GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）[7]掩星等。2006年中國臺灣與美國合作的COSMIC（Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate）項目由6 顆低軌衛(wèi)星組成星座，資料量顯著增加且可近實時獲取，開始了掩星探測技術在數(shù)值天氣預報中的業(yè)務應用[8]。繼COSMIC 之后，歐盟氣象衛(wèi)星METOP[9,10]和中國風云氣象衛(wèi)星也開始搭載掩星載荷[11-13]。2019 年發(fā)射的COSMIC-2 衛(wèi)星是COSMIC 的后續(xù)計劃，由6 顆LEO 衛(wèi)星組成低緯度星座，同時接收GPS 和GLONASS 的信號，并達到了迄今為止掩星載荷的最高信噪比，可以更有效探測大氣低層信息，提高數(shù)據(jù)精度[14,15]。

風云氣象衛(wèi)星自2013 年9 月發(fā)射的FY-3C 衛(wèi)星開始搭載掩星載荷GNOS（GNSS Occultation Sounder），該載荷可實現(xiàn)北斗（BDS）和GPS 掩星的同時探測。繼FY-3C 之后，所有風云極軌衛(wèi)星都計劃搭載GNOS 載荷。目前在軌的有FY-3C 和2017年11 月發(fā)射的FY-3D 兩顆衛(wèi)星。自GNOS 開始提供數(shù)據(jù)以來，利用GNOS 數(shù)據(jù)開展了各種研究，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估和算法改進[16-21]以及科學研究等[22,23]。GNOS 的GPS 掩星數(shù)據(jù)已在中國氣象局[13]和國外主要數(shù)值預報中心業(yè)務中應用[24]。

但是與GPS 掩星相比，GNOS 北斗掩星只有一些初步的結(jié)果[17,18,23]，無論研究還是應用都嚴重滯后，因此需要加強北斗掩星的研究。北斗導航系統(tǒng)的軌道與其他導航衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道不相同，是國際上唯一由中地球軌道（MEO）、同步靜止軌道（GEO）及傾斜同步軌道（IGSO）三種軌道組成的混合星座導航系統(tǒng)。這些特有的空間幾何結(jié)構(gòu)會對掩星事件的分布以及精密定軌造成影響。FY-3C 和FY-3D 發(fā)射時，北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)尚未滿星座運行，GNOS 接收的是北斗二代導航衛(wèi)星信號，該導航系統(tǒng)主要在亞太地區(qū)上空運行，會造成很多區(qū)域觀測不到參考星，影響掩星數(shù)據(jù)的精度。因此，需要結(jié)合掩星數(shù)據(jù)反演過程，研究北斗掩星數(shù)據(jù)精度是否與其他GNSS 掩星數(shù)據(jù)精度一致，這是北斗掩星數(shù)據(jù)能否被廣泛應用的前提。目前北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)已于2020 年實現(xiàn)全球覆蓋，F(xiàn)Y-3E 及其后續(xù)衛(wèi)星將接收北斗三代導航衛(wèi)星信號，也需要研究北斗掩星數(shù)據(jù)的誤差特征，為GNOS探測器的改進提供參考依據(jù)。

本文利用FY-3D 的GNOS 北斗掩星數(shù)據(jù)以及ECMWF 的第5 代再分析資料ERA5 作為精度評估的第三方數(shù)據(jù)，分析GNOS 的BDS 掩星數(shù)據(jù)精度以及誤差特征。

1 GNOS 載荷與反演方法

GNOS 是搭載于風云氣象衛(wèi)星上的掩星探測儀器，由中國科學院國家空間科學中心研制，是國際上首臺北斗與GPS 雙衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的星載掩星探測儀[13]。該載荷由3 副天線、3 臺射頻單元和1 臺數(shù)據(jù)處理單元組成，其采用了低噪聲射頻前端技術，高動態(tài)、高靈敏度信號捕獲跟蹤技術，以及相位中心穩(wěn)定天線技術等多種技術手段。在設計上充分考慮GPS 與BDS 信號的差異，兼顧了中性大氣和電離層的探測需求，探測范圍覆蓋了800 km 直到近地面的高度區(qū)間[12,13]。GNOS 大氣掩星的數(shù)據(jù)處理包括以下步驟。

步驟1獲取導航衛(wèi)星的精密星歷和精密鐘差等輔助數(shù)據(jù)，利用GNOS 定位觀測數(shù)據(jù)和上述輔助數(shù)據(jù)，進行低軌衛(wèi)星LEO 精密定軌，得到LEO 精密軌道和GNOS 接收機精密鐘差。

步驟2利用步驟1 的數(shù)據(jù)以及大氣層掩星數(shù)據(jù)，消除掩星信號觀測鏈上的各種誤差，提取出大氣層附加相位量。

步驟3利用大氣層附加相位數(shù)據(jù)，使用ROPP軟件[25]反演得到各級大氣掩星數(shù)據(jù)，包括大氣彎曲角、折射率以及溫度和氣壓等。

GNOS 的GPS 掩星探測采用先進的開環(huán)追蹤技術，極大地改善了對流層低層的探測問題，但是北斗掩星由于接收B1 I 頻段的碼速率比較大，導致接收機內(nèi)部使用的多普勒模型不能滿足通過北斗B1 I 偽距碼跟蹤北斗B1 I 的精度，因此GNOS 的北斗掩星探測目前仍使用閉環(huán)跟蹤技術。

2 數(shù)據(jù)與方法

論文使用的數(shù)據(jù)為國家衛(wèi)星氣象中心*http://satellite.nsmc.org.cn/PortalSite/Data/Satellite.aspx2018 年1－3 月FY-3D 的GNOS 北斗掩星折射率數(shù)據(jù)。第三方評估數(shù)據(jù)來自歐洲中期天氣預報中心ECMWF第5 代再分析資料ERA5，比較FY-3D 的北斗掩星折射率與ERA5 計算的折射率之間的差異。折射率計算公式為

其中，P為氣壓（單位hPa），T 為溫度（單位K），e為水氣壓（單位hPa）。根據(jù)式（1），利用ERA5 資料的溫度、濕度和壓力場數(shù)據(jù)計算得到折射率。

評估方法是分析FY-3D 的北斗折射率數(shù)據(jù)與ERA5 計算的折射率數(shù)據(jù)的平均偏差和標準差。由于折射率的數(shù)據(jù)量級從地面的400N左右隨高度指數(shù)遞減，到50 km 時只有零點幾個單位N，因此平均偏差均采用ERA5 計算的折射率進行歸一化處理，即分析的平均值和標準差，No表示觀測折射率，Nb表示ERA5 計算的折射率。

由于掩星數(shù)據(jù)與ERA5 再分析資料的時空分辨率不同，為能夠比較，需要進行時空匹配。時間匹配方法是，將ERA5 分析時間前后3 h 內(nèi)的掩星數(shù)據(jù)都歸為當前時間內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，空間匹配是以雙線性插值方法將掩星周圍4 個點的ERA5 資料插值到掩星觀測點上。最后，將觀測值與ERA5 計算的折射率在垂直方向做lgN插值，分別插值到400 m 間隔的高度上。ERA5 數(shù)據(jù)的最高高度約在50 km，因此本文分析0～50 km 范圍內(nèi)北斗數(shù)據(jù)的精度和統(tǒng)計特征。

由于電磁波信號出錯等原因，可能存在錯誤的掩星數(shù)據(jù)或者離模擬值很遠的離群觀測，因此采用GRAPES 模式對風云衛(wèi)星GPS 掩星同樣的質(zhì)量控制方法來剔除錯誤和離群數(shù)據(jù)。首先，在背景場檢查中，如果掩星廓線歸一化后的平均偏差有超過100%的數(shù)據(jù)，則剔除整根廓線；其次，如果整根廓線的平均偏差超過了20%的觀測達到12%以上，則剔除整根廓線；最后，將掩星廓線中平均偏差超過10%以上觀測標志為缺測。

對于任何匹配的樣本，可以利用如下公式計算其平均偏差和標準差，即

式中，下標i代表第i對匹配的掩星，n代表匹配的樣本總數(shù)，表示平均偏差，σ表示平均標準差。

3 結(jié)果分析

3.1 掩星事件分布及數(shù)量

掩星事件發(fā)生在GNSS 與LEO 衛(wèi)星之間的切點位置。FY-3D 軌道高度在830 km 以上，軌道傾角接近98.7°。北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)由5 顆GEO、5 顆IGSO 和4 顆MEO 衛(wèi)星組成，并主要位于亞太地區(qū)上空，這些特點決定了北斗掩星事件的分布特征。圖1 給出了BDS 掩星事件分布情況。由圖1 可以看出，由于GEO 衛(wèi)星位于赤道上空，相對地面保持靜止不動，因此GEO-LEO 掩星事件主要分布在緯度60°－90°南北極區(qū)范圍內(nèi)，并沿衛(wèi)星軌道呈弧形帶狀分布。IGSO 衛(wèi)星在中國上空呈8 字形運行，IGSO衛(wèi)星的分布和運行狀況造成IGSO-LEO 掩星事件在低緯度地區(qū)形成一小一大兩個空洞，并且東半球的掩星事件多于西半球的掩星事件。MEO 衛(wèi)星軌道高度與GPS 的衛(wèi)星軌道高度類似，掩星分布與GPS 的掩星分布類似，全球均勻分布。FY-3D 的GNOS 接收機有6 個北斗掩星通道，其與FY-3D 衛(wèi)星的軌道特點以及北斗軌道的空間結(jié)構(gòu)共同決定了北斗掩星的數(shù)量（見表1）。由表1 可見：約70%的掩星事件發(fā)生在東半球，30%的掩星事件發(fā)生在西半球；GEO、IGSO 和MEO 這三類掩星中以IGSO 掩星數(shù)量最多，約占40%。圖2 給出的是2018 年1－3 月間GNOS 北斗掩星數(shù)量的時間演變，F(xiàn)Y-3D 平均每天接收約170 次北斗掩星事件。

圖2 FY-3D 衛(wèi)星每天的北斗掩星數(shù)量Fig.2 Numbers of Beidou RO in FY-3D satellite

表1 不同軌道的GNOS 北斗掩星數(shù)量和占比Table 1 Number and proportion of GNOS Beidou RO in different orbits

圖1 2018 年1 月1 日至3 月31 日期間FY-3D 衛(wèi)星北斗掩星事件的水平分布（藍點為靜止軌道掩星，紅點為傾斜軌道掩星，綠點為中地球軌道掩星）Fig.1 Horizontal distribution of Beidou RO events in FY-3D satellite from 1 January to 31 March in 2018 (Blue dots respresent GEO RO,red dots represent IGSO RO,and green dots represent MEO RO)

3.2 探測的最低高度

掩星能夠探測到的最低深度是考查其探測性能的一個重要指標。由于受水氣影響，在對流層低層會引進多路徑傳播誤差、接收機追蹤誤差以及超折射誤差等各種誤差，因此在4 km 以下掩星的探測能力受限，能夠穿過復雜大氣到達近地面的廓線比例降低。圖3 給出了掩星資料按其所在經(jīng)緯度位置分別劃分到10°×10°格點上后，統(tǒng)計得到的各格點上GNOS 探測到的平均最低高度。從圖3 可看到，BDS 掩星探測的最低高度普遍在4 km 之上，原因是GNOS 北斗掩星附加相位的追蹤采用閉環(huán)方法，其主要缺點是不容易跟蹤到對流層低層信號，尤其是在大氣邊界層以下。南北兩極高緯度地區(qū)的探測深度大都能到達4 km 以下，這可能與高緯地區(qū)的水氣少、反演過程受影響少有關。從圖3 中還發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，太平洋上空北斗掩星的探測高度普遍高于其他海域，并且南半球太平洋上探測的高度又是最高的，該現(xiàn)象值得進一步研究。

圖3 FY-3D 的北斗掩星探測到的平均最低高度Fig.3 Average minimum altitude detected by FY-3D’s Beidou occultation

3.3 與ERA5 計算折射率的比較

利用第3 節(jié)的質(zhì)量控制方法，給出如圖4 所示質(zhì)量控制前（紅線）/后（黑線）的折射率廓線。由圖4 可以看出，被剔除掉的廓線大部分是14 km 以下和30 km 以上出現(xiàn)了異常的廓線，14 km 以下的異常廓線主要因為信號探測不到更低的高度，導致反演出異常，而30 km 以上的異常廓線主要與電離層影響有關。圖4 中質(zhì)量控制前共有13098 根廓線，質(zhì)量控制后有12539 根廓線，剔除率約為4.3%。質(zhì)量控制后上升掩星有7008 根，下降掩星有5531 根，其各自所占比例分別約為56%和44%，其中上升掩星的剔除率為4%，下降掩星的剔除率為5%。以下數(shù)據(jù)精度分析和誤差統(tǒng)計特征都是基于質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)得到的。

圖4 質(zhì)量控制前（紅色）/后（黑色）的折射率數(shù)據(jù)Fig.4 Refractivity before (red) and after (black)quality control

圖5 所示為北斗掩星折射率與ERA5 計算的折射率相比，其平均偏差和標準差。可以看到，在掩星觀測的核心區(qū)域，即8～35 km 高度范圍內(nèi)，北斗折射率與ERA5 折射率非常一致，平均偏差在0 附近，標準偏差在1.0%以內(nèi)，反映了掩星觀測無偏的特點。在8 km 高度以下范圍，平均偏差最大值約為3.8%，標準差最大值約為6%；在35 km 高度以上，平均偏差在2%以內(nèi)，標準差在6%以內(nèi)。北斗掩星的標準差比GPS 掩星的略高0.5%～1%，但是統(tǒng)計特征非常一致，表明地球大氣的掩星探測不依賴于特定的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。從圖5 中還可以看到，參與統(tǒng)計的廓線有12500 多根，但在高度15 km 以下和42 km 以上區(qū)域，BDS 掩星的數(shù)量下降很快。15 km 以下的問題與BDS 掩星沒有使用開環(huán)跟蹤技術有關，閉環(huán)方法很難追蹤到大氣低層信號，并且容易出現(xiàn)系統(tǒng)性的負折射率偏差；而42 km 以上的問題，與大氣稀薄，折射指數(shù)本身量級很小，數(shù)據(jù)反演過程（例如電離層的影響、優(yōu)化估計模型的選擇等）的誤差容易被放大，導致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降有關。

圖5 觀測總數(shù)（黑實線）以及折射率觀測與ERA5再分析資料計算的折射率平均偏差（紅虛線）和標準差（紅實線）。O 表示觀測折射率，B 表示ERA5 計算的折射率Fig.5 Mean bias (red dashed line) and standard deviation (red solid line) of refractivity compared with ERA5 reanalysis,and the number (black solid line).O stands for observation refractivity,and B stands for the refractivity based on ERA5 reanalysis

北斗衛(wèi)星有三種軌道，其中GEO 和IGSO 衛(wèi)星分布在亞太地區(qū)上空，衛(wèi)星高度相對較高，且運行速度較慢，MEO 衛(wèi)星軌道高度與GPS 相似。北斗系統(tǒng)特有的空間幾何結(jié)構(gòu)和運行特點會對精密定軌造成影響。為進一步分析北斗衛(wèi)星不同軌道對折射率反演的影響，分別統(tǒng)計了MEO、IGSO 和GEO 這三類掩星與ERA5 計算的折射率的平均偏差和標準差（見圖6）。MEO 與IGSO 掩星的統(tǒng)計特征比較一致，GEO 掩星在35 km 以上的偏差大于IGSO 和MEO掩星，可能與GEO 是靜止衛(wèi)星，精密定軌難度最大有關[22]，但是這三類掩星的標準差都比較接近。在35 km 高度以下，GEO 掩星的偏差和標準差明顯小于IGSO 和MEO 掩星。

圖6 GEO、IGSO 和MEO 掩星與ERA5 再分析資料計算的折射率的平均偏差（虛線）和標準差（實線）Fig.6 Mean bias (dashed line) and standard deviation(solid line) of GEO，IGSO and MEO refractivity compared with ERA5 reanalysis

圖7 給出的是區(qū)分了上升掩星和下降掩星后，掩星折射率觀測值與ERA5 折射率偏差的平均值和標準差。對大樣本而言，上升掩星和下降掩星的統(tǒng)計特征應該是一致的。從圖7 中可發(fā)現(xiàn)，GEO 上升和下降掩星在高層出現(xiàn)了分叉，MEO 和IGSO 沒有系統(tǒng)性偏差，但這三類掩星在低層都是下降掩星的偏差小于上升掩星，而在高層下降掩星的偏差大于上升掩星。這個結(jié)果與掩星觀測的幾何過程有關，下降（上升）掩星在高層（低層）跟蹤有一個從捕獲到跟蹤的穩(wěn)定過程，而在低層（高層）則是下降（上升）掩星由跟蹤到失鎖的過程，因此下降掩星的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量在低層好于上升掩星，在高層上升掩星則好于下降掩星。

圖7 上升掩星和下降掩星與ERA5 再分析資料計算的折射率的平均偏差（虛線）和標準差（實線）Fig.7 Mean bias (dashed line) and standard deviation (solid line) of rising and setting refractivity compared with ERA5 reanalysis for GEO,IGSO and MEO,respectively

在不同的緯度帶，由于水氣條件不同，對掩星數(shù)據(jù)的反演精度也會造成影響。圖8 以南北緯60°－90°代表高緯地區(qū)，30°N－30°S 代表低緯度地區(qū)，南北緯30°－60°代表中緯地區(qū)，劃分了3 個區(qū)域，研究北斗折射率在這些緯度帶的特點。從不同緯度帶的統(tǒng)計特征看，35 km 以下區(qū)域有相似的誤差結(jié)構(gòu)，高緯度地區(qū)的標準差最小，中緯度地區(qū)次之，低緯度地區(qū)最高；在35 km 以上，高緯地區(qū)的偏差最大。

圖8 不同區(qū)域的掩星觀測與ERA5 計算折射率的平均偏差（虛線）和標準差（實線）（a）以及掩星數(shù)量（b）Fig.8 Mean bias (dashed line) and standard deviation (solid line) (a) of RO refractivity compared with ERA5 reanalysis and RO number (b) in low,middle and high latitudes,respectively

4 討論與結(jié)論

GNOS 掩星載荷實現(xiàn)了北斗掩星的觀測，對于拓展北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)在氣象和空間天氣領域的應用，以及利用掩星技術擺脫對單一導航系統(tǒng)的依賴具有重要意義。通過對FY-3D 衛(wèi)星的GNOS 北斗掩星折射率數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論。

（1）受北斗導航衛(wèi)星的軌道分布、北斗二代導航衛(wèi)星未滿星座運行以及FY-3D 軌道高度和傾角的共同影響，F(xiàn)Y-3D 的GEO 掩星事件主要分布在南北兩極的高緯度地區(qū)，IGSO 掩星事件在東西半球的低緯度地區(qū)分別形成一小一大兩個空洞，尤其是在中國和大洋洲區(qū)域，MEO 掩星全球均勻分布。北斗掩星事件在東半球多于西半球。

（2）北斗掩星折射率數(shù)據(jù)精度在探測的核心區(qū)域，即12～32 km 高度范圍內(nèi)，與ERA5 再分析資料計算的折射率相比，平均偏差的標準差約為1.5%，在12 km 以下和35 km 以上，標準差從1.5%逐漸增大到6%。

（3）GEO 掩星數(shù)據(jù)的平均偏差在35 km 以上略大于IGSO 和MEO 掩星，但標準差比這兩類掩星小。下降掩星在20 km 以上區(qū)域的標準差高于上升掩星，但20 km 以下區(qū)域小于上升掩星。

（4）高緯地區(qū)北斗掩星數(shù)據(jù)的標準差最小，中緯度區(qū)域次之，低緯度地區(qū)最大，在對流層中下層尤其明顯。

從研究結(jié)果分析，風云衛(wèi)星的北斗掩星數(shù)據(jù)精度較高，其數(shù)據(jù)精度和誤差特征與GPS 掩星數(shù)據(jù)一致。目前北斗導航系統(tǒng)已實現(xiàn)全球滿星座運行，GNOS 也可增加更多的北斗掩星通道，從而獲得更多的北斗掩星數(shù)據(jù)，進一步提升北斗掩星數(shù)據(jù)的科學研究和應用價值。

由于北斗B1 I 的碼速率是2 MHz，GPS L1/CA的碼速率是1 MHz，北斗B1 I 偽距碼長為GPS L1/CA 偽距碼長的一半，目前接收機內(nèi)部使用的多普勒模型僅能達到通過GPS L1/CA 偽距碼跟蹤L1 信號的精度，不能滿足通過北斗B1 I 偽距碼跟蹤北斗B1 I 的精度，導致GNOS 的北斗掩星尚未實現(xiàn)開環(huán)跟蹤技術，對4 km 以下大氣的探測能力遠低于GPS 掩星，這是將來需要進一步改進的地方。