中国科学院国家空间科学中心特别研究助理黄飞雄 风云三号冲青天 北斗导航显身手.pdf

2024 年第 1 期17中国高新科技TECHNOLOGY TALENT|科研达人从武汉大学到美国普渡大学，从美国到荷兰皇家气象研究所，再到中国科学院国家空间科学中心，他的足迹画了一个巨大的图案 一颗中国心，一颗钱学森、李四光、邓稼先那样的中国心。他的奋斗目标是为发展祖国的气象、海洋科研事业建立卓越的功勋。他，就是中国科学院国家空间科学中心特别研究助理黄飞雄。埋首穷经结硕果自1990年以来，由于天气中尺度模式及同化技术的发展，人类对台风路径的预报提高了约 50%，然而同期对台风强度的预报却近乎停滞。其主要原因之一在于缺少台风内核的观测数据，而目前主流的卫星遥感手段对内核的观测往往被眼壁和内雨带的强降水遮挡。此外，目前主流的极轨卫星重访时间较长，往往不能充分捕捉台风生命周期中时间尺度较短的信息，如快速增强阶段。全球导航卫星反射遥感（GNSS-R）是一种相对较新的遥感技术，它巧妙地将导航卫星信号（如中国的北斗、美国的 GPS 等）视作一种“机会信号”，利用其在海洋表面的反射信号测量海面风速。该技术具有不受降雨影响、可探测台风中心大风的优势，同时由于其无须主动反射信号，成本较低，可以组成卫星星座组网观测，对台风实现高时空分辨率的采样。自 2014 年从武汉大学本科毕业后，黄飞雄来到美国普渡大学攻读硕士与博士学位，师从 GNSS-R 领域先驱 James Garrison 教授。普渡大学曾造就中国两弹元勋邓稼先、世界首位登月人阿姆斯特朗，被誉为“美国航空航天之母”。本科阶段黄飞雄的专业方向是大地测量与导航，而在这里他首次接触 GNSS-R 技术，彼时该领域还处于萌芽阶段，“原来导航卫星除了定位和导航，还能用于遥感”，这激起了他的研究乐趣，开启了在新方向上的探索。2016 年，美国 NASA 发射了该领域内的首个卫星星座CYGNSS 任务，黄飞雄顺利加入该卫星的科学团队，与全世界的科学家共同开展研究，定期参加研讨会，积累了丰富的科研经验。2019 年，他获得欧洲气象卫星应用组织的访问科学家奖，在荷兰皇家气象研究所进行访问，师从气象领域著名专家Ad Stoffelen教授，学习和积累了宝贵的气象领域知识。读博期间，黄飞雄依托 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的宽刈幅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的刈幅二维成像观测，大幅拓宽了观测范围；国际首次提出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。学成归国，为国家科技发展贡献力量成为他当时内心的唯一想法。中国科学院国家空间科学中心特别研究助理黄飞雄风云三号冲青天 北斗导航显身手 文周玮朱琳黄飞雄，2014 年本科毕业于武汉大学测绘工程专业，于 2019 年夏季在荷兰皇家气象研究所进行访问，2020 年获美国普渡大学航空航天工程专业博士学位，2021 年起在中国科学院国家空间科学中心担任特别研究助理。曾获国家空间科学中心“九章人才”引进计划、中国科学院特别研究助理资助项目、欧洲气象卫星应用组织访问科学家奖，入选第九届中国科协青年人才托举工程项目。发表 SCI 论文 16 篇，其中第一作者 8 篇，第一发明人申请/授权中国发明专利 2 件。承担国家自然科学基金青年基金、风云卫星应用先行计划等项目。曾加入 NASA CYGNSS 卫星科学团队，现为我国风云卫星 GNSS-R 海面风速产品科学算法主要负责人。曾担任 IEEE JSTARS 期刊客座编辑，现担任 IEEE TGRS 等本领域近 10 种 SCI 期刊审稿人，在国内外学术会议报告 20 多次。主要从事海洋微波遥感、数据同化等研究。人物档案 2024 年第 1 期18中国高新科技科研达人|TECHNOLOGY TALENT矢志不渝照初心2020 年底博士毕业后，黄飞雄直接踏上了回国的班机，接受了中科院国家空间科学中心抛来的橄榄枝。彼时，中国的首个业务化 GNSS-R 卫星风云三号 E 星正蓄势待“发”，而黄飞雄所在的由孙越强研究员领导的天基空间环境探测北京市重点实验室正负责该卫星的 GNSS-R 载荷研制及数据处理。于是，他立刻投入到该卫星地面应用系统的开发中。风云三号 E 星与之前美国 CYGNSS 任务的最大区别在于，除了 GPS，它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。从 2021 年 7 月风云三号 E 星顺利发射，到2022年6月北斗/GNSS-R海面风速产品正式业务化发布，黄飞雄及其团队开发的全自主研发的地面应用系统实现了稳定的业务化运行。由于不同导航系统具有不同的轨道和信号类型，同时星地环境存在差异，他提出了基于导航卫星信号体制的定标及交叉定标算法，在国际上首次实现了北斗、GPS、伽利略三系统的交叉定标一致性，可用数据量提高至单系统的 3 倍，定标精度与国际同类载荷相当；开发了多系统 GNSS-R 风速反演模型及质量控制方法，实现了风云三号 E 星全球风速精度优于 1.5m/s，台风风速反演高于 50m/s，且北斗与伽利略的风速反演均为国际首次。相关成果发表于 IEEE TGRS 等国际著名 SCI 期刊。黄飞雄的研究不仅提升了全球海面风数据高精度高时空分辨率的获取能力，还提升了我国北斗导航系统的应用能力。由于导航卫星的反射信号功率远低于通信卫星和雷达，受干扰影响严重，且干扰类型多样，因而射频干扰成为影响GNSS-R 产品精度的一个主要因素，而国际上在这方面的研究还几乎处于一片空白。黄飞雄通过对多种观测量进行深入分析，发现影响 GNSS-R 数据的干扰源主要来自星基导航增强系统和地基 L 波段通讯信号。通过进一步分析，他提出了一种基于星上模拟自动增益控制的射频干扰修正算法，大幅降低了干扰的影响，使受影响区域的风速误差从 2.78m/s 降至 1.59m/s。如今，风云三号 E 星的北斗/GNSS-R 海面风速产品已经业务化应用于中国气象局数值天气预报模式，并取得了中性偏正的结果。相比于之前的其他科学卫星，此为国际上同类产品首次得到业务化的应用。同时，由于具有探测台风中心大风的特点，该产品可用于台风监控，已应用于中国气象局的台风会商。在每一次的台风会商中，预报员会综合各个卫星产品的资料判断台风的路径和强度，黄飞雄开发的风速产品在 2023 年强台风“卡努”、超强台风“玛娃”的预报中均发挥了重要作用。“阅云山万里，沉气度万千”，黄飞雄和他的团队锐意进取在我国海洋遥感及北斗导航事业的最前沿。2023 年 4 月和 8 月，风云三号 F 星和 G 星分别发射，它们将和 E 星形成组网观测，提供时空分辨率更高的观测数据，但这对黄飞雄而言还远远不够，他将继续发展北斗/GNSS-R 遥感技术，提升其应用能力，为我国的北斗导航领域，以及气象、海洋，特别是极端天气监控做出更大贡献。