北斗衛星導航系統再氣象行業的應用

文|王雅萍1，2 涂滿紅2 繆明榕3 楊森4 1.甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心2.中國氣象局氣象探測中心3.江蘇省南通市氣象局4.福建省大氣探測技術保障中心

傳輸與發布，并解決邊遠地區的通信空白和惡劣天氣影響等問題。GNSS/MET 作為一種新興的學科，其研究和應用對于提升氣象預報精準度、提高氣象防災減災能力有重要意義[1-2]。

北斗系統為中國自主建設運行的全球衛星導航系統，是繼GPS 和GLONASS 之后的第三個成熟的衛星導航系統。北斗系統自提供服務以來，已在交通運輸、農林漁業、水文監測和公共安全等領域得到廣泛應用，產生了顯著的經濟效益和社會效益，其在氣象領域也得到了蓬勃發展。中國氣象局在2019 年發布的《氣象觀測技術發展引領計劃（2020—2035 年）》（以下簡稱《引領計劃》）中明確指出，要發展地基、空基和星載北斗GNSS 掩星與反射測量等空天地一體化氣象觀測技術。2020 年7 月，北斗三號正式開通，北斗系統開始向全世界提供連續穩定服務，為GNSS/MET 發展帶了新的契機：氣象行業應用逐步國產自主化，業務安全和行業信息化、智能化水平得到顯著提升。集合GPS、GLONASS、北斗和Galileo多系統的GNSS正向多頻、多模的方向發展，氣象行業應用迅速從GPS 向北斗體制轉變[3]，GNSS/MET 在行業內已經開始向北斗體制的北斗GNSS/MET 轉變。

中國氣象局積極推動北斗系統在氣象行業的應用，隨著北斗系統的建設，先后實施了“基于北斗導航衛星的大氣海洋和空間監測預警應用示范工程”（以下簡稱為北斗應用示范工程）、“北斗地基增強系統研制建設氣象行業應用”等重大項目；還推動了北斗系統在氣象行業由理論研究向業務化應用，先后建設完成了北斗高空氣象探空系統、全球衛星定位氣象水汽觀測國家級處理平臺、北斗海風海浪探測系統、北斗氣象預警發布系統等業務化平臺[4]。隨著多類型導航衛星接收機研發和GNSS觀測網的升級與加密，北斗系統在氣象行業發揮著巨大的應用前景，越來越多的研究與應用在國際上實現了從技術追趕到技術引領。本文就北斗系統近年來在中國氣象行業的發展和應用情況進行綜合論述，包括基于北斗系統的氣象高空探測、水汽電離層氣象探測、反射信號氣象探測和氣象通信傳輸等領域。

二、北斗系統高空氣象探測應用

1996 年，中國氣象局下發《氣象綜合探測系統高空氣象探測系統和地面觀測系統發展規劃（1996—2020 年）》，指出衛星導航探空系統是未來我國常規高空氣象探測的主導技術體制，我國GPS 探空系統開始有了長足的發展，2010 年世界氣象組織在我國舉行的第8 次國際探空對比中，中國相關單位研發的GPS 探空系統相關技術指標位列前茅。在“北斗應用示范工程”等重大項目的支撐下，中國氣象局不斷推動GNSS 高空探測由GPS 體制向北斗體制轉變，基于中國自有技術研發實現了完全國產化、自主知識產權的北斗探空系統，彌補了我國導航探空系統的空白，截至2020 年，國內4 個型號的北斗探空儀已取得氣象業務列裝許可。北斗探空系統將我國探空整體技術提升到國際先進水平行列，它還兼容GPS 導航定位信息，一致性指標超過基于GPS 技術的其他國產探空系統，其高空探測綜合精度也明顯優于現業務應用的L 波段雷達電子探空儀系統。

北斗探空系統應用領域廣泛，可以用于常規氣象預報、高空氣象探測、海洋氣候研究等，也是海監船、遠洋科考船等出海工作的必備設備。與飛機、雷達等其他高空氣象探測手段相比，探空系統中的探空儀能直接“接觸”大氣信息，其獲得的數據通常被認為最準確，也因此被當作其他高空氣象探測系統的校準系統，GNSS 探空系統構成如圖1 所示。中國氣象局積極推動北斗探空系統走向業務化應用，先后在北京、錫林浩特、武漢、陽江和?？谶M行業務試運行，為北斗探空業務體制建設打下堅實基礎；在那曲、申扎、改則建設自動北斗氣象探空系統，在錫林浩特、長沙、福州建設全自動北斗氣象探空系統，極大地減輕了臺站高空觀測員的勞動強度。此外，北斗探空系統還參與中國援非項目建設，在蘇丹、喀麥隆使用北斗探空系統，同時將北斗探空系統推廣出口至印度、馬來西亞、印尼、韓國、蘇丹、喀麥隆等國家，應用前景廣泛。

圖1 GNSS 探空系統示意

中國氣象局在北斗系統高空探測技術上不斷創新應用，從2016 開始，牽頭組織開展了新型北斗智能探空系統的研制，攻克了平漂零壓氣球、多通道雙向通信接收設備等探空裝備的重點難點技術，解決了平流層測溫和下降段測風、平漂軌跡預測和觀測資料質量控制等業務應用的關鍵問題，開發了“春分1 號”探空儀專用衛星導航系統級芯片，創新性提出了內外兩個探空氣球嵌套的模式。原有探空模式施放一個氣球開展大氣垂直探測，獲取一段（上升段）氣象觀測資料；而新型北斗智能探空系統采用雙球可實現一次放球獲取“上升-平漂-下降”三段式探空觀測數據，打破了上百年的高空觀測模式，實現了低成本加密探空目標，為探空技術轉型升級提供了“中國方案”?！按悍? 號”芯片的信號捕獲效率高，數據可用率達99%以上，水平和垂直定位精度分別達0.8m 和1.3m，不低于國際主流芯片，為實現國內探空儀的標準化、智能化、可擴展化和國際化奠定基礎，目前已實現成果轉化，應用到了新型北斗導航探空儀中，量產突破10 萬片/年。圖2 為搭載了“春分1 號”芯片的低功耗、微型化新型北斗導航探空儀。

三、北斗系統水汽電離層氣象探測應用

大氣水汽含量是表征極端天氣事件和氣候變化的重要參數，對其進行有效監測和科學分析是實現各類災害性天氣事件精準預報的關鍵，目前的監測方法主要有探空氣球、大氣水汽輻射計、遙感衛星、GNSS 等。電離層是空間天氣監測的重要組成部分，對保障天基和地基技術系統的正常運行至關重要，目前的監測方法主要有電離層測高儀、GNSS 等。GNSS 探測水汽和電離層是環境遙感技術的一次里程碑，能彌補當前業務中水汽和電離層探測方法的局限，滿足連續、高精度、高時空分辨率的水汽和電離層監測需求[5-6]，是將導航定位中的“誤差”轉為“信息”的一種手段?！罢`差”是指GNSS 信號在地球大氣中傳播時會受到大氣折射率影響，電磁波信號產生彎曲、時延和強度減弱，從而引起對流層和電離層延遲，這種延遲是衛星導航和精密定位中的主要誤差源，采用各種算法盡力消除；“信息”是指通過地基和空基GNSS 觀測可以提取出這兩種延遲，進而通過經驗模型能反演得到大氣水汽、電離層總電子含量和電子分布等參數。當前業務中主要依靠地基GNSS/MET 站網進行水汽和電離層監測，中國氣象局多年來聯合不同機構建立起國家GNSS/MET 基準站網和區域GNSS/MET 基準站網，從2008 年至今，站網規模已擴大了13 倍。同時，還在各省氣象局建立起數據處理中心，用于收集區域GNSS/MET 基準站的觀測數據，進行統一處理生成省級水汽和電離層產品，并將收集的原始觀測數據實時傳輸至國家GNSS/MET 數據綜合處理中心。截至2020 年，中國氣象局共計能接收1164 個地基GNSS 基準站觀測資料，其中進入數值模式同化的臺站達到922 個。

氣象行業的GNSS 水汽遙感經歷了最初探測垂直方向大氣可降水量（PWV）到獲取垂直方向水汽廓線，再到獲取實時水汽分布，并且由GPS 水汽探測轉向北斗水汽探測的不同階段，水汽產品精度和可靠性逐步提升，產品的業務化應用也逐步擴展。建立起了北斗水汽業務系統，該系統秉承自主創新、自主可控原則，軟件算法全部國產，產品精度與解算效率達國際同類產品先進水平，實現準業務運行，具備隨時切換GPS 水汽業務的能力，改變目前業務依靠美國GPS系統和GMAIT數據處理軟件的歷史，已在臺風監測、暴雨監測、梅雨監測和數值模式預報中得到業務應用。氣象部門的北斗水汽探測行業化應用，也是對我國北斗產業化的一個重要支撐，全國GNSS/MET 站網需要用國產北斗接收機逐步更換進口設備，同時，還推動國產北斗高精度接收機的研制技術發展。

中國氣象局空間天氣監測預警中心利用地基GNSS/MET 監測網，實時監測并發布我國電離層空間變化狀況，為我國衛星發射、在軌衛星安全、載人航天活動安全、地面技術安全、導航、通信等應用部門和國家安全服務，也為科研部門提供觀測數據。同樣地，氣象行業對電離層的GNSS 監測也隨著北斗GNSS 站網的發展而向北斗模式轉變。此外，發展北斗電離層監測系統還可以改善北斗接收機的定位效果，促進其性能改善，推進北斗應用產業的更大發展。

以北斗系統PPP-B2b 信號正式向用戶播發為契機，中國氣象局還創新研制完成北斗氣象專用水汽處理芯片模組，該模組將原始觀測數據采樣、數據質控、水汽產品解算、觀測質量管理等功能微型集成化，實現了地基導航水汽觀測芯片化，產品時效和頻次較GPS 水汽技術指標提升12 倍，由1 小時提升到5 分鐘，具世界領先水平。模組在不依賴外界計算資源的前提下，還實現從必須組網解算到可以單站獨立解算的技術突破，極大提升地基水汽業務能力和業務效率，降低業務建設和運行成本，提高業務系統穩定性和可靠性。目前，水汽處理芯片模組已內嵌于GNSS 接收機（圖3），實現單站水汽實時解算，并在寶山、河池、?？诘鹊剡M行了業務觀測試驗，分鐘級水汽產品的完整率超過98%，準確率與國際主流解算算法（GAMIT 軟件解算）相比均方根誤差在2mm 以內。未來，在該模組的基礎上還將繼續集成電離層參數解算模塊，實現單站水汽電離層參數一體化探測與數據處理，并逐步向業務化應用推進。

圖3 內嵌了水汽芯片處理模組的GNSS 接收機（左）和室外天線（右）

四、北斗系統反射信號氣象應用

GNSS 衛星向地球播發無線電信號，其中部分信號會被地球表面反射，反射信號與直射信號的極化特征變化與反射面直接相關，通過測量GNSS 反射信號延遲，結合接收機天線位置、介質參數及反射面屬性信息，可以確定反射表面的粗糙度和特性，即GNSS 反射測量（GNSS-R），如圖4 所示。GNSS-R 遙感技術可以用于海洋、陸地及冰川雪地探測，如海面測高、海風探測、積雪深度探測、土壤濕度探測、海冰監測等。相較而言，GNSS-R 探測不受云、霧等天氣影響，能同時接收多個GNSS衛星信號且觀測范圍廣，還能作為微小衛星的載荷實現低成本多星組網。作為一種新興的探測手段，GNSS-R 探測在氣象領域中有廣闊的應用前景[7]。

圖4 地基GNSS 反射信號測量示意

依托“北斗示范應用工程”，中國氣象局研發了北斗海風海浪探測系統，為近海氣象服務提供了新方法，緩解了海洋觀測資料特別是風場資料缺乏的不足，能有效增強海上氣象災害的監測預報服務能力。該系統已在山東威海和廣東陽江開展示范應用，在臺風監測中發揮了重要作用。該系統成功監測到“尤特”臺風經過時的海浪和海風，并對臺風進行預警，其獲取的有效波高及海面風場數據如圖5所示。為了實現氣象業務中廣域、全海岸組網觀測，中國氣象局創新研發了岸基北斗反射信號海風海浪探測模組，攻克多項關鍵技術，實現北斗和GPS 雙系統協同觀測，集成北斗衛星導航信號實時處理、觀測站位置實時定位、海面風速和有效波高實時反演及數據傳輸等功能一體，并將反演產品的時間分辨率提升至分鐘級，低成本、低功耗的特點可實現快速靈活部署，目前已開展業務觀測應用試驗，有望為我國海洋氣象觀測技術升級轉型和高質量發展提供堅實支撐。

圖5 “尤特”臺風過境時監測到的有效波高（上）和風速（下）

積雪深度是基本氣候變量，目前氣象業務中主要通過地面實測、被動微波和主動微波的方式獲取，其中，實測的時間分辨率低，微波探測容易受到太陽輻射和云霧影響而精度不高。基于GNSS 反射信號信噪比的測高技術，可以獲得更大探測面積和時間連續的積雪深度數據。針對北斗三號導航系統軌道特點、運行周期、衛星信號強度等特性，中國氣象局設計了專用數據處理和積雪深度探測的建模方案，并研發了GNSS-R 積雪深度探測模組，能同時兼容GPS、GLONASS和Galileo等全球導航衛星系統，為積雪深度探測提供了新型設備，提高了積雪探測能力，并推動北斗系統反射信號陸表特征探測業務化應用，目前已在新疆阿勒泰和黑龍江佳木斯開展了應用試驗，最終攻克了地形、植被、土壤穿透、初始高設定、模型自動切換等關鍵技術，為核心算法的工程化奠定了基礎。

五、北斗系統通信傳輸氣象應用

短報文通信是北斗系統最具特色的服務之一，起源于北斗一號，北斗三號進行了升級擴展，通信能力大幅提升，并且對設備要求低，在一些4G 信號無法保證通信的區域，北斗系統可以做到穩定持續地傳輸數據。利用北斗系統的這一優勢，中國氣象局組織開發了北斗氣象數據傳輸系統和北斗氣象預警發布系統[8-9]，其傳輸鏈路如圖6 所示。

圖6 北斗氣象通信傳輸鏈路示意

北斗氣象數據傳輸系統的核心是北斗氣象通信終端：其數據端至數據庫的整條鏈路基于衛星網絡通信，完全“內網”運行，數據安全得以保證；具備雙向通信能力，可實現遠程命令下發、參數修改等；能適配目前氣象行業標準范圍內所有廠家的自動氣象站設備，可實現氣象數據的解析處理、標準格式的文件生成；終端的功耗低、待機時間長，適合太陽能供電且環境適應性強。目前該系統已廣泛應用于偏遠地區氣象站、無人區自動氣象站（圖7）、海島和山洪地質災害等特殊地區氣象站的數據傳輸，為氣象部門準確、及時地收集觀測數據作出了巨大貢獻，在氣象防災減災中發揮了重要作用。例如，在2017 年8 月四川九寨溝發生7.0 級地震后，建設的15 個重點區域站氣象北斗傳輸系統工作正常，國家站數據傳輸和應急消息發送正常，北斗通信鏈路成為當時唯一與外界聯通的通信鏈路。

圖7 北斗無人氣象站

北斗氣象預警發布系統由中國氣象局自主建設，能在國、省、市三級部署預警發布平臺，各級可以獨立運行并提供一站式全方位服務，解決了常規通信手段覆蓋不到的偏遠地區氣象預警信息的發布問題，對指定區域進行預警信息的精細化發布服務，實現氣象預警信息對邊遠山區、遠海等的覆蓋及預警信息傳輸“最后一公里”，最大程度地減少國家以及人民生命和財產損失，增強社會公眾防災減災的能力。目前已在湖北省建立1 個省級發布平臺、2 個市級發布平臺、若干個預警終端，為下一步氣象預警發布軟件平臺的建設和業務示范應用打下了基礎。

六、結束語

氣象行業對北斗系統的應用探索仍然在不斷深入，對標“監測精密、預報精準、服務精細”，《綜合氣象觀測業務發展“十四五”規劃》主要任務中第一條即為“強化天氣觀測能力”，其中包括“升級和建設探空觀測”，明確指出發展北斗導航探空及優化探空體制：在現有高空氣象觀測站增加北斗導航探空功能，將邊遠或艱苦區域高空氣象觀測站升級為全自動北斗導航探空系統。還包括“升級完善地基水汽觀測站”，即在國家級氣象觀測站升級和建設北斗導航水汽觀測系統，進一步完善地基水汽觀測能力，時間分辨率達到分鐘級，平均站間距減少至50 ～80km。在完善北斗氣象傳輸體制上，中國氣象局也做了相應規劃，如改進編碼規則、增強傳輸模組間抗干擾能力和提升無線通信過程的安全策略等。

為了推動氣象觀測技術發展，《引領計劃》對北斗GNSS/MET 未來發展亦作出了系列規劃，包括：更新和加密地基北斗GNSS 觀測網，實時獲取對流層和電離層參數并應用于數值天氣預報模式同化和空間天氣監測預警；發展GNSS-R 遙感技術，研制基于飛機、無人機、低軌衛星等平臺的空基以及地基的北斗反射信號接收機，開展海洋、土壤濕度、植物生長量等測量；開展多源水汽融合組網技術，集成北斗GNSS 水汽觀測、探空氣象觀測、地基微波輻射觀測等技術，研制多源融合大氣觀測產品；研究北斗GNSS 無線電掩星探測技術，實現多樣化衛星氣象遙感等。

隨著北斗GNSS 的不斷完善和發展，以及更加先進的接收機研發與更新，GNSS 信號的遙感應用將能適應更多場景，極大地豐富氣象研究數據源，能推動構建實時無縫隙的全球三維立體氣象要素場，在氣象行業將有更為豐碩的成果。