GNSS極化掩星技術研究進展及相關應用綜述

本文引用格式：，.GNSS極化掩星技術研究進展及相關應用綜述［J］.藝術科技，2025，38（11）：242-246.

中圖分類號：P228.4；P407；P714文獻標識碼：A文章編號：1004-9436（2025）11-0242-05

隨著衛星導航技術的迭代發展，GNSS系統的應用已從傳統定位、導航與授時領域拓展至氣象監測、地球科學、交通運輸等多元場景。隨著GNSS星座的建設與發展，目前GNSS遙感技術可劃分為4個分支，即GNSS延遲（GNSSDelay）技術、GNSS反射（GNSSRefectometry）技術、GNSS無線電掩星（RadioOccultation，RO）技術和極化無線電掩星技術。

傳統的GNSS掩星技術是20世紀末發展起來的一種借助地球邊緣的臨邊效應，利用GNSS對地球大氣進行探測的新技術，可以獲得全球覆蓋、高精度和高垂直分辨率的大氣彎曲角、折射率等廓線參數，為數值天氣預報模型提供海量的觀測數據[1]。目前，傳統GNSS掩星技術已取得前所未有的發展，但在降水和云層微物理結構的探測方面存在一定局限。為解決這一問題，科學家進行了一系列理論和實驗研究。2010年，西班牙的EstlCardellach團隊提出了GNSS極化掩星技術，提出利用低軌道地球觀測衛星接收到GNSS極化信號探測強降雨的概念[2]3841。與傳統掩星技術使用右旋圓極化接收天線有所不同，極化掩星使用的是兩個線極化接收天線，再通過得到的水平極化分量和垂直極化分量的相位差反演降水率、雨滴大小和冰晶形態等信息。這一技術的應用顯著提升了對強降水事件的預報精度，尤其在極端天氣中展示了巨大的應用潛力，這已被Padullés等人在實驗中得到進一步證實[3]635。因此，需深入開展GNSS 極化掩星技術的研究，提升對降水的數值模擬精度以及增強天氣預報的準確性。

1掩星技術介紹

1.1傳統掩星技術的工作機制

GNSS掩星技術主要是通過低軌道地球觀測衛星接收來自全球定位系統、北斗等GNSS星座傳輸的信號來進行探測。全球導航衛星系統主要發射L波段的信號，可以穿透厚云層和強降水來實現連續觀測。在GNSS信號從衛星發射源傳播至低軌道地球觀測衛星的過程中，電磁信號穿過大氣層，大氣介質中的垂直梯度會使信號彎曲并產生延遲，通過接收低軌道地球觀測衛星上的GNSS信號，并測量其相位變化，可以推導出大氣的折射角度，并進一步通過反演方法計算出大氣折射率剖面（見圖1）。

1.2極化掩星技術的工作機制

在降水過程中，水凝物的存在會使電磁波在傳播過程中產生不同的折射和散射效應，部分直徑較大的雨滴底部受流體靜壓和空氣動力壓的作用逐漸扁平，形成上圓下扁的漢堡包狀。當GNSS信號穿過雨滴時，沿較長的水平軸和較短的垂直軸所經歷的傳播延遲不同，導致極化波垂直與水平極化分量之間存在相位差[4]。在實驗中，代表接收機垂直極化與水平極化端口之間的相位差 ΔΦ 可用式（1）表示。

ΔΦ=Φ_?h-Φ_?ν

其中， 分別表示水平和垂直極化信號的相位。在降水區域， ΔΦ 通常為正值且增大，表明雨滴的存在和降水強度的增加。

相位差 ΔΦ 又可以表示為在整個RO射線路徑上每個點前向散射得到的差分相位延遲 K_dp 對雨區內射線路徑長度L的積分，公式為：

差分相位延遲 K_dp 的大小取決于雨滴譜以及每個 D 直徑大小的雨滴在水平極化（H）和垂直極化（V）下的前向散射幅度（ ），公式如下：

其中， ? 代表取實部， N（D） 為雨滴等效直徑的概率密度分布函數， D 為雨滴的等效球形直徑，單位為毫米， λ 為L1波段的波長。

雨滴等效直徑的概率密度分布函數表示為：

N（D）=N₀D^μe^-ΛD

式（4）中， N（D） 表示每單位體積每直徑間隔的雨滴下落的數量，單位為 mm^-1m^-3 N_o 為歸一化參數，單位為 mm^-1-μm^-3 Ψ_Λ 為坡度參數，單位為 mm^-1 . μ 為形狀參數，無量綱。

雨滴譜的分布與降雨強度存在對應關系，通過建立極化相移與降雨強度的直接關系模型，可以反演降雨強度的過程。

2PRO國內外發展現狀和趨勢

2.1 ROHP-PAZ項目

ROHP-PAZ實驗是一個由西班牙科學與創新部資助的國際研究項目。這項實驗的主要目的是驗證GNSS極化無線電掩星PRO技術在探測和定量化強降水事件中的潛力。該實驗通過GNSS極化掩星數據獲得高精度的垂直熱力學剖面，尤其適用于強降雨事件的實時監測和預報應用。掩星信號得到的降水云中大氣溫壓濕廓線的信息，對于研究降水云系的結構和發展過程具有十分重要的意義。

2009年，西班牙科學與創新部批準將GNSSPRO有效載荷安裝在西班牙PAZ衛星上[2]3841。PAZ衛星是西班牙的第一顆地球觀測和偵察衛星，于2018年2月22日成功發射。這顆衛星配備了合成孔徑雷達作為其主要且唯一的遙感載荷，能夠全天候、晝夜不間斷地提供高分辨率圖像，是國際上首臺雙極化掩星接收機（見圖2）。

ROHP-PAZ實驗使用了 IGOR+ 先進GNSS接收機和一款專為雙極化無線電掩星設計的天線。與其他接收機不同，IGOR+ 接收機能夠精確測量信號在傳輸過程中的相位和振幅，適用于低地球軌道衛星的精確定軌和無線電GNSS掩星數據采集；而天線基于以往的RO任務設計，進行了雙極化功能的擴展，具有兩個線性端口（V極化和H極化），并特別優化了極化隔離效果。

2.2云遙極化掩星計劃

為積極響應我國氣象衛星及其應用發展規劃，天津云遙宇航科技有限公司開展了GNSS極化掩星技術相關軟硬件一體化解決方案工作。

云遙氣象星座是公司在建核心工程，星座包括12個太陽同步軌道，每個軌道面6顆衛星，合計72顆衛星；6個低傾角軌道，每個軌道面3顆衛星，合計18顆衛星（見圖3）。目前，公司已完成31顆太陽同步軌道衛星與3顆低傾角軌道衛星的在軌部署及聯合地面監測處理，每天可生產18000余條電離層線產品和34000余條大氣廓線產品，相關產品均已向用戶提供業務化數據服務。

圖2PAZ衛星全局示意圖[5]190 圖3云遙氣象星座示意圖

為驗證極化掩星的降水探測能力，云遙設計了具備常規掩星與極化掩星觀測能力的載荷。云遙雙極化GNSS掩星接收系統由GNSS掩星接收機、導航定位天線、前向大氣掩星天線、后向水平和垂直極化掩星天線、前置放大器及后處理反演軟件組成（見圖4）。該載荷極化于2025年入軌執行觀測任務。

圖4云遙極化掩星載荷結構

2.3降雨遙感技術的研究進展

為了驗證基于極化反演技術的降雨遙感的可行性，EstelCardellach[5]190研究團隊開展了一系列研究，包括理論分析、算法研究和數據處理等。通過標準RO的延伸，發現兩個線性極化H和V端口間存在相位延遲差異 ΔΦ ；基于掩星廓線與熱帶測雨衛星三維降雨產品，模擬了 ΔΦ 觀測值的垂直剖面能力，研究結果證明了極化掩星PRO在強降水事件中的潛在應用價值。

2016年，Padullés等人[3]635設計出雙極化天線，進行了長期的地面實驗，對GNSS掩星信號進行了反演，分析了來自5個發射機的數據。圖5展示了2014年5月和6月對PRNG22的兩次觀測結果，其中 ΔΦ_s（?） （黑線）在降雨事件中顯著偏離無雨條件下的標準差范圍（藍色和灰色等高線）。結果顯示，降雨情景明顯影響極化觀測，測量的極化特征可由水成物引起的 K_dp 解釋，這為水成物在GNSS信號遮擋下誘導極化特征提供了首個實證支持。并且在同一年，引入二維層析成像方法來改進技術性能，將一維可觀測值△Φ映射到理想雨細胞的二維觀測平面，成功區分了相似觀測特征下的不同雨細胞位置[6]。

2018年，EstelCardellach等人[7]進一步提出了一種基于概率反演的方法，利用全球降水測量（GlobalPrecipitationMeasurement，GPM）降水產品來構建先驗查找表（LUT）數據庫。在研究過程中，通過合成對應于GNSSRO剖面與TRMM觀測共定位的實際事件PRO數據，對所構建的LUT性能展開全面評估。評估結果表明，參考LUT與合成數據的實際雨量統計值的偏差值小于 ±1mm/hr ，這一結果有力地證明了基于GPM的概率反演工具在實際應用中的適用性。Tomás等人[8]則研究了GNSS信號的極化效應對無線電掩星信號傳播的影響，評估了阻礙降水信息提取的系統性因素，成功地將水凝物信息與其他干擾因素分離開來。

圖5對PRNG22兩次觀測的偏差進行校正后的穩定相位差 ΔΦ_s（ε） （黑線），無雨天氣下的標準偏差范圍（藍色和灰色等高線）[3]635

2019年，在PAZ衛星發射之后，Cardellach等人[9]1024分析了ROHP-PAZ實驗的早期數據。這是首次從低軌衛星獲取雙極化GNSS掩星信號。圖6展示了ROHP-PAZ與GPMDPR降水產品的匹配結果：左圖顯示GPM雷達地面最大柱狀雨率與PAZ射線軌跡的空間對應，右圖顯示ROHP-PAZ觀測到的差分相移與GPM垂直降水結構（中圖）高度一致，證實了極化相移對強降水垂直特征的捕捉能力。Padullés等人[10]則對2018—2019年的PAZ數據進行了深入分析，校準了可能影響PRO觀測結果的系統性因素。結果表明，它們對最終可觀測值的影響可以忽略不計，利用大量無雨和低電離層活動的觀測數據進行的在軌校準，成功地用于修正所有收集到的觀測數據。

圖6ROHP-PAZ與GPMDPR降水產品部分匹配的結果及極化相移情況[9]1024

2019年，F.JosephTurk等人[12]提出利用近地軌道衛星星座收集的PRO測量數據來分析強降水內部和周圍環境中水汽剖面，增強雨影響數據的同化效果。同年，Murphy等人[13]對一個大氣河流事件使用了兩種不同微物理參數化方案模型，采用數值實驗方法模擬了航空極化差分相位延遲觀測剖面。結果表明，來自飛機的PRO觀測資料可能有助于驗證和改進數值天氣預報中微物理過程的表征。

2021年，F.JosephTurk等人[14」分析了來自強降水掩星（ROHP）技術演示任務兩年收集的二級數據，發現ROHP能夠探測到射線路徑平均凝結水含量的閾值水平，對平均冰相水成物非球形度提出了可能的推斷，并于2022年研究了極化掩星觀測對流區及其附近的水汽和溫度關系[15]。他們提出了一種利用小衛星星座捕捉對流區域不同剖面的方法，通過模擬不同衛星軌道配置，驗證了極化無線電掩星技術在監測強降水和大氣濕度結構方面的有效性。

2023年，Padullés等人[16]利用衛星觀測數據，發現在全球范圍內，在很大范圍內的高度層都存在水平取向的粒子。2024年，Padullés等人[17]發布了用于科學研究的PAZ極化無線電掩星數據集。該數據集整合了PRO觀測和標準無線電掩星產品的垂直剖面數據，不僅有助于科學家更好地理解云和降水的垂直結構，還可用于全球降水任務的輔助驗證，顯著提高PRO技術的水平分辨率。

2024年， Paz 等人[18]1118利用美國下一代氣象雷達（Next GenerationWeatherRadars，NEXRAD）的雙極化天氣雷達數據驗證了PAZ衛星獲取的PRO數據的精度。研究從NEX-RAD和PAZ數據集中提取的差分相移延遲和回波頂高值進行比較（見圖7）。結果表明，在 Z?20dBZ 和 Z?10dBZ 兩種閾值下，兩者具有良好的一致性。這一驗證進一步證明了PRO技術可以有效分析降水微物理特征，尤其是在強降水期間的水成物垂直分布。

圖7針對 Z?20dBZ 和 Z?10dBZ 兩種閥值情況對比NEXRAD和PAZ數據集中獲取的回波頂高度值[81]118

2.4國內GNSS極化掩星團隊研究進展

近年來，我國學者在GNSS極化掩星技術PRO領域取得了顯著進展，尤其是在降雨監測方面的研究推動了該技術的發展。安豪學者率先對GNSS極化相移監測降雨強度進行了研究，構建了正演模型和反演算法，使用中國科學院的載荷設備進行了外場實驗驗證。如圖8所示，利用TSVD法和L曲線準則對單峰和雙峰雨團結構進行反演，結果顯示反演值與原始雨團結構高度吻合，驗證了GNSS極化相移與實際降水狀況密切相關。此外，安豪對影響測量過程的重要因素進行了初步研究，證明了該技術在降雨監測中的潛力[19]。

圖8TSVD法和L曲線準則下，對（a）單峰一、（b）單峰二、（c）雙峰三各類型雨團結構的反演結果與原始值的對比情況[20]

隨后，安豪學者［21-22]進一步研究了我國北斗系統信號在監測降雨強度方面的應用潛力。通過數值模擬，其分析了北斗信號與降雨強度之間的關系。結果顯示，北斗信號對降雨強度具有較強的敏感性。這項研究為北斗系統在氣象領域的應用提供了重要的理論支持。同時，蘇豆豆等人[23]對GNSS-PRO技術進行了深入分析，結合全球降水日變化規律，提出了基于GNSS信號的強降雨事件探測方案，并利用數值模型驗證了GNSS-PRO技術在反演強降雨率方面的可行性。

2023年，針對極化掩星信號中周跳對降水反演精度的影響，安豪團隊[24]系統分析了地基試驗中雙極化載波相位數據的特性，提出通過動態優化求差次數閾值，解決了傳統算法人為設定參數導致的適應性不足的問題。2024年，陳錚等人[25]針對北斗系統在氣象監測中的應用瓶頸，建立了雨強-北斗極化相移關系模型，提出基于二分法的雨強反演算法，為交通基礎設施防洪預警提供了新工具。

3極化掩星技術存在的問題

極化掩星技術在研究和應用過程中面臨一些挑戰。目前使用的反演算法主要基于標準掩星RO反演技術，數據處理過程需耗費大量時間和計算資源。由于不同衛星的觀測軌道和傳感器差異，數據的校準和處理變得更加復雜。為應對這些問題，目前研究者開發了一些基于GNSS的極化掩星數據處理算法，但這些算法的通用性和準確性仍需進一步驗證。

在觀測精度方面，現有研究表明，極化掩星技術可以檢測到降水系統的垂直結構，但要進一步提高測量的空間分辨率和時間精度，仍需更多的觀測實驗。為進一步提高極化掩星技術的觀測精度，學者們提出了一些改進方法，如結合外部數據或層析技術以提升空間分辨能力。這些方法有望將極化掩星的觀測精度提升至納秒級別，但仍需進行更多的觀測試驗和數據分析，才能設計出切實可行的解決方案。

4結語

本文介紹了近年來國內外極化掩星技術在氣象監測和極端天氣事件中的應用與研究進展。自2010年提出以來，PRO技術在捕捉降水率、雨滴大小和冰晶形態等方面表現出巨大潛力。通過首次在PAZ衛星上搭載極化掩星接收器，實現了對全球強降水事件的探測與驗證。我國在這一領域的追趕速度尤為顯著，以天津云遙宇航為代表的商業航天企業，通過自主研發GNSS掩星探測載荷，構建了全球規模最大的40顆掩星星座。與傳統掩星技術相比，PRO技術通過水平和垂直極化信號的相位差反演水凝物的微物理特性，為改進強降水和極端天氣事件的預報提供了全新手段。

本文也討論了當前極化掩星技術研究中面臨的挑戰。在數據處理與反演模型方面，現有的電離層和對流層延遲校正模型尚不完善，尤其是在復雜的天氣條件下，仍需開發一些驗證有效的數據處理算法。在觀測精度方面，針對衛星軌道差異與傳感器特性導致數據校準難度大的問題，雖然可以結合外部數據和層析技術提升分辨率，但仍需更多觀測試驗支撐。

目前，PRO技術已在強降水和極端天氣事件中展現出優勢，隨著更多PRO觀測設備的投用，極化掩星技術有望在高時空分辨率的降水觀測、全球天氣預報和氣候變化監測等方面發揮重要作用，成為智慧氣象時代的核心基礎設施。

參考文獻：

[1]Kuo Y H， Wee TK， Sokolovskiy S， et al. Inversion and error estimation of GPS radio occultation data［J]. Journal of the Meteorological Society of Japan，2004，82 （5）： 507.

[2]Cardellach E， Rius A， Cerezo F， et al. Heavy rain detection with polarimetric GNSS Radio-Occultations [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2010， 48 （11）： 3841.

[3]Padullé s R， Cardellach E， De La Torre Ju á rez M， et al. Atmospheric polarimetric efects on GNSS radio occultations： The ROHP-PAZ field campaign[J].Atmospheric Chemistry and Physics，2016，16 （2）：635.

[4］安豪，嚴衛，杜曉勇，等.GNSS大氣海洋遙感技術研究進 展［J].全球定位系統，2021，46（6）：1.

[ 5]Cardellach E，Tom á s S， Oliveras S，et al. PAZ LEO polarimetric GNSS radio - occultation experiment： Sensitivity to precipitation events［J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2014，53 （1）： 190.

[6]Padullé sR， Cardellach E， Rius A. Untangling rain structure from polarimetric GNSS Radio Occultation observables：A 2D tomographic approach［J]. European Journal of Remote Sensing，2016， 49 （1）： 571.

[7]Cardellach E，Padull ésR， Tom á s S，et al.Probability of intense precipitation from polarimetric GNSS radio occultation observations[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，2018，144 （1）： 206.

[8]Tom á s S，Padull é s R， Cardellach E.Separability of systematic effects in polarimetric GNSS radio occultations for precipitation sensing［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2018，56 （8）： 4633.

[9] Cardellach E， Oliveras S， Rius A， et al. Sensitivity of PAZ LEO polarimetric GNSS radio-occultation experiment to precipitation events[J].Geophysical Research Letters，2019，46 （2）：1024.

[10]Padullé s R， Cardellach E， Wang K N， et al. Assessment of global navigation satellite system （GNSS） radio occultation refractivity under heavy precipitation［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2018，18 （19）： 11697.

[11]Padull é s R，Ao C O，Turk FJ，et al. Calibration and validation of thePolarimetric Radio Occultation and HeavyPrecipitation experiment aboard the PAZ satellite ［J].Atmospheric Measurement Techniques，2020，13 （3）： 1299.

[12]Turk FJ，Padull ésR，AoCO，et al.Benefits of aclosely-spaced satellite constellation of atmospheric polarimetric radio occultation measurements [J] .Remote Sensing，2019，11 （12）： 2399.

[13]Murphy Jr MJ， Haase JS，Padull é s R，et al. The potential for discriminating microphysical processes in numerical weather forecasts using airborne polarimetric radio occultations [J]. Remote Sensing，2019，11 （13）： 2268.

[14]Turk FJ， Padull é sR， Cardellach E， et al. Interpretation ofthe precipitation structure contained in polarimetric radio occultation profiles using passive microwave satellte observations [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2021， 38 （9）： 1727.

[15]Turk F J，Padullé sR， Morabito D D，et al. Distinguishing convective - transition moisture-temperature relationships with a constellation of polarimetric radio occultation observations in and near convection[J].Atmosphere，2022，13 （2）：259.

[16]Padullé s R，Cardellach E，Turk FJ.On the global relationship between polarimetric radio occultation differential phase shift and ice water content [J]. Atmospheric Chemistry and Physics， 2023，23 （4）： 2199.

[17]Padull é s R， Cardellach E，Paz A，et al. Earth system science data discussions related to polarimetric radio occultation [J]. Earth System Science Data Discussions，2024，1（1）： 1.

[18]Paz A，Padull é sR， Cardellach E.Evaluating the Polarimetric Radio Occultation Technique Using NEXRADWeather Radars [J] .Remote Sensing， 2024，16 （7）： 1118.

[19］安豪，嚴衛，黃云仙，等.GNSS信號雨致極化效應監測降 雨理論分析［C］//中國氣象學會年會論文集.北京：中 國氣象學會，2016：2.

[20］安豪.全球導航衛星信號極化相移監測降雨強度技術研 究［D].長沙：國防科技大學，2017：46.

[21］安豪，嚴衛，卞雙雙，等.GNSS極化掩星信號反演雨團垂 直結構方法[J].地球物理學進展，2021，36（6）：1349.

[22］安豪，嚴衛，卞雙雙，等.GNSS大氣海洋遙感技術研究進 展［J].國防科技大學學報，2021，43（1）：47.

[23］蘇豆豆.全球降水日變化規律與GNSS-PRO降雨探測 技術研究［D］.北京：中國科學院大學，2021：55.

[24］安豪，卞雙雙，杜曉勇.基于GNSS極化掩星信號的降水 觀測數據周跳處理算法分析[J].全球定位系統，2023， 48（ 1）： 77.

[25］陳錚.雨強的北斗極化相移反演方法及洪峰預報應用研 究［D].重慶：重慶交通大學，2024：44.