北斗卫星导航系统在气象行业的应用.pdf

10.indd 422023/10/11 14:3943卫星应用2023 年第 10 期导航天地Satellite Navigation传输与发布，并解决边远地区的通信空白和恶劣天气影响等问题。GNSS/MET作为一种新兴的学科，其研究和应用对于提升气象预报精准度、提高气象防灾减灾能力有重要意义1-2。北斗系统为中国自主建设运行的全球卫星导航系统，是继 GPS 和 GLONASS 之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗系统自提供服务以来，已在交通运输、农林渔业、水文监测和公共安全等领域得到广泛应用，产生了显著的经济效益和社会效益，其在气象领域也得到了蓬勃发展。中国气象局在2019 年发布的气象观测技术发展引领计划（20202035 年）（以下简称引领计划）中明确指出，要发展地基、空基和星载北斗 GNSS 掩星与反射测量等空天地一体化气象观测技术。2020年7月，北斗三号正式开通，北斗系统开始向全世界提供连续稳定服务，为 GNSS/MET 发展带了新的契机：气象行业应用逐步国产自主化，业务安全和行业信息化、智能化水平得到显著提升。集合 GPS、GLONASS、北斗和Galileo多系统的GNSS正向多频、多模的方向发展，气象行业应用迅速从 GPS 向北斗体制转变3，GNSS/MET 在行业内已经开始向北斗体制的北斗 GNSS/MET 转变。中国气象局积极推动北斗系统在气象行业的应用，随着北斗系统的建设，先后实施了“基于北斗导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用示范工程”（以下简称为北斗应用示范工程）、“北斗地基增强系统研制建设气象行业应用”等重大项目；还推动了北斗系统在气象行业由理论研究向业务化应用，先后建设完成了北斗高空气象探空系统、全球卫星定位气象水汽观测国家级处理平台、北斗海风海浪探测系统、北斗气象预警发布系统等业务化平台4。随着多类型导航卫星接收机研发和 GNSS观测网的升级与加密，北斗系统在气象行业发挥着巨大的应用前景，越来越多的研究与应用在国际上实现了从技术追赶到技术引领。本文就北斗系统近年来在中国气象行业的发展和应用情况进行综合论述，包括基于北斗系统的气象高空探测、水汽电离层气象探测、反射信号气象探测和气象通信传输等领域。二、北斗系统高空气象探测应用1996 年，中国气象局下发气象综合探测系统高空气象探测系统和地面观测系统发展规划（19962020 年），指出卫星导航探空系统是未来我国常规高空气象探测的主导技术体制，我国GPS 探空系统开始有了长足的发展，2010 年世界气象组织在我国举行的第 8 次国际探空对比中，中国相关单位研发的 GPS 探空系统相关技术指标位列前茅。在“北斗应用示范工程”等重大项目的支撑下，中国气象局不断推动 GNSS 高空探测由 GPS 体制向北斗体制转变，基于中国自有技术研发实现了完全国产化、自主知识产权的北斗探空系统，弥补了我国导航探空系统的空白，截至 2020 年，国内 4 个型号的北斗探空仪已取得气象业务列装许可。北斗探空系统将我国探空整体技术提升到国际先进水平行列，它还兼容 GPS 导航定位信息，一致性指标超过基于 GPS 技术的其他国产探空系统，其高空探测综合精度也明显优于现业务应用的 L 波段雷达电子探空仪系统。北斗探空系统应用领域广泛，可以用于常规气象预报、高空气象探测、海洋气候研究等，也是海监船、远洋科考船等出海工作的必备设备。与飞机、雷达等其他高空气象探测手段相比，探空系统中的探空仪能直接“接触”大气信息，其获得的数据通常被认为最准确，也因此被当作其他高空气象探测系统的校准系统，GNSS 探空系统构成如图 1 所示。中国气象局积极推动北斗探空系统走向业务化应用，先后在北京、锡林浩特、武汉、阳江和海口进行业务试运行，为北斗探空业务体制建设打下坚实基础；在那曲、申扎、改则建设自动北斗气象探空系统，在锡林浩特、长沙、福州建设全自动北斗气象探空系统，极大地减轻了台站高空观测员的劳动10.indd 432023/10/11 14:39442023 年第 10 期卫星应用导航天地Satellite Navigation强度。此外，北斗探空系统还参与中国援非项目建设，在苏丹、喀麦隆使用北斗探空系统，同时将北斗探空系统推广出口至印度、马来西亚、印尼、韩国、苏丹、喀麦隆等国家，应用前景广泛。图 1 GNSS 探空系统示意图 2 搭载了“春分 1 号”芯片的低功耗、微型化新型北斗导航探空仪中国气象局在北斗系统高空探测技术上不断创新应用，从 2016 开始，牵头组织开展了新型北斗智能探空系统的研制，攻克了平漂零压气球、多通道双向通信接收设备等探空装备的重点难点技术，解决了平流层测温和下降段测风、平漂轨迹预测和观测资料质量控制等业务应用的关键问题，开发了“春分 1 号”探空仪专用卫星导航系统级芯片，创新性提出了内外两个探空气球嵌套的模式。原有探空模式施放一个气球开展大气垂直探测，获取一段（上升段）气象观测资料；而新型北斗智能探空系统采用双球可实现一次放球获取“上升-平漂-下降”三段式探空观测数据，打破了上百年的高空观测模式，实现了低成本加密探空目标，为探空技术转型升级提供了“中国方案”。“春分 1 号”芯片的信号捕获效率高，数据可用率达 99%以上，水平和垂直定位精度分别达 0.8m 和 1.3m，不低于国际主流芯片，为实现国内探空仪的标准化、智能化、可扩展化和国际化奠定基础，目前已实现成果转化，应用到了新型北斗导航探空仪中，量产突破 10 万片/年。图 2 为搭载了“春分 1 号”芯片的低功耗、微型化新型北斗导航探空仪。三、北斗系统水汽电离层气象探测应用大气水汽含量是表征极端天气事件和气候变化的重要参数，对其进行有效监测和科学分析是实现各类灾害性天气事件精准预报的关键，目前的监测方法主要有探空气球、大气水汽辐射计、遥感卫星、GNSS等。电离层是空间天气监测的重要组成部分，对保障天基和地基技术系统的正常运行至关重要，目前的监测方法主要有电离层测高仪、GNSS 等。GNSS 探测水汽和电离层是环境遥感技术的一次里程碑，能弥补当前业务中水汽和电离层探测方法的局限，满足连续、高精度、高时空分辨率的水汽和电离层监测需求5-6，是将导航定位中的“误差”转为“信息”的一种手段。“误差”是指 GNSS 信号在地球大气中传播时会受到大气折射率影响，电磁波信号产生弯曲、时延和强度减弱，从而引起对流层和电离层延迟，这种延迟是卫星导航和精密定位中的主要误差源，采用各种算法尽力消除；“信息”是指通过地基和空基 GNSS 观测可以提取出这两种延迟，进而通过经验模型能反演得到大气水汽、电离层总电子含量和电子分布等参数。当前业务中主要依靠地基 GNSS/MET 站网进行水汽和电离层监测，中国气象局多年来联合不同机构建立起国家GNSS/MET基准站网和区域GNSS/MET基准站网，从 2008 年至今，站网规模已扩大了 13 倍。同时，还在各省气象局建立起数据处理中心，用于收集区域 GNSS/MET 基准站的观测数据，进行统一处理生10.indd 442023/10/11 14:3945卫星应用2023 年第 10 期导航天地Satellite Navigation成省级水汽和电离层产品，并将收集的原始观测数据实时传输至国家 GNSS/MET 数据综合处理中心。截至 2020 年，中国气象局共计能接收 1164 个地基GNSS 基准站观测资料，其中进入数值模式同化的台站达到 922 个。气象行业的 GNSS 水汽遥感经历了最初探测垂直方向大气可降水量（PWV）到获取垂直方向水汽廓线，再到获取实时水汽分布，并且由 GPS 水汽探测转向北斗水汽探测的不同阶段，水汽产品精度和可靠性逐步提升，产品的业务化应用也逐步扩展。建立起了北斗水汽业务系统，该系统秉承自主创新、自主可控原则，软件算法全部国产，产品精度与解算效率达国际同类产品先进水平，实现准业务运行，具备随时切换 GPS 水汽业务的能力，改变目前业务依靠美国GPS系统和GMAIT数据处理软件的历史，已在台风监测、暴雨监测、梅雨监测和数值模式预报中得到业务应用。气象部门的北斗水汽探测行业化应用，也是对我国北斗产业化的一个重要支撑，全国 GNSS/MET 站网需要用国产北斗接收机逐步更换进口设备，同时，还推动国产北斗高精度接收机的研制技术发展。中国气象局空间天气监测预警中心利用地基GNSS/MET 监测网，实时监测并发布我国电离层空间变化状况，为我国卫星发射、在轨卫星安全、载人航天活动安全、地面技术安全、导航、通信等应用部门和国家安全服务，也为科研部门提供观测数据。同样地，气象行业对电离层的 GNSS 监测也随着北斗 GNSS 站网的发展而向北斗模式转变。此外，发展北斗电离层监测系统还可以改善北斗接收机的定位效果，促进其性能改善，推进北斗应用产业的更大发展。以北斗系统 PPP-B2b 信号正式向用户播发为契机，中国气象局还创新研制完成北斗气象专用水汽处理芯片模组，该模组将原始观测数据采样、数据质控、水汽产品解算、观测质量管理等功能微型集成化，实现了地基导航水汽观测芯片化，产品时效和频次较 GPS 水汽技术指标提升 12 倍，由 1 小时提升到 5 分钟，具世界领先水平。模组在不依赖外界计算资源的前提下，还实现从必须组网解算到可以单站独立解算的技术突破，极大提升地基水汽业务能力和业务效率，降低业务建设和运行成本，提高业务系统稳定性和可靠性。目前，水汽处理芯片模组已内嵌于 GNSS 接收机（图 3），实现单站水汽实时解算，并在宝山、河池、海口等地进行了业务观测试验，分钟级水汽产品的完整率超过98%，准确率与国际主流解算算法（GAMIT 软件解算）相比均方根误差在 2mm 以内。未来，在该模组的基础上还将继续集成电离层参数解算模块，实现单站水汽电离层参数一体化探测与数据处理，并逐步向业务化应用推进。图 3 内嵌了水汽芯片处理模组的 GNSS 接收机（左）和室外天线（右）10.indd 452023/10/11 14:39462023 年第 10 期卫星应用导航天地Satellite Navigation图 4 地基 GNSS 反射信号测量示意图 5“尤特”台风过境时监测到的有效波高（上）和风速（下）四、北斗系统反射信号气象应用GNSS 卫星向地球播发无线电信号，其中部分信号会被地球表面反射，反射信号与直射信号的极化特征变化与反射面直接相关，通过测量 GNSS 反射信号延迟，结合接收机天线位置、介质参数及反射面属性信息，可以确定反射表面的粗糙度和特性，即 GNSS 反射测量（GNSS-R），如图 4 所示。GNSS-R 遥感技术可以用于海洋、陆地及冰川雪地探测，如海面测高、海风探测、积雪深度探测、土壤湿度探测、海冰监测等。相较而言，GNSS-R 探测不受云、雾等天气影响，能同时接收多个 GNSS卫星信号且观测范围广，还能作为微小卫星的载荷实现低成本多星组网。作为一种新兴的探测手段，GNSS-R 探测在气象领域中有广阔的应用前景7。依托“北斗示范应用工程”，中国气象局研发了北斗海风海浪探测系统，为近海气象服务提供了新方法，缓解了海洋观测资料特别是风场资料缺乏的不足，能有效增强海上气象灾害的监测预报服务能力。该系统已在山东威海和广东阳江开展示范应用，在台风监测中发挥了重要作用。该系统成功监测到“尤特”台风经过时的海浪和海风，并对台风进行预警，其获取的有效波高及海面风场数据如图5所示。为了实现气象业务中广域、全海岸组网观测，中国气象局创新研发了岸基北斗反射信号海风海浪探测模组，攻克多项关键技术，实现北斗和 GPS 双系统协同观测，集成北斗卫星导航信号实时处理、观测站位置实时定位、海面风速和有效波高实时反演及数据传输等功能一体，并将反演产品的时间分辨率提升至分钟级，低成本、低功耗的特点可实现快速灵活部署，目前已开展业务观测应用试验，有望为我国海洋气象观测技术升级转型和高质量发展提供坚实支撑。积雪深度是基本气候变量，目前气象业务中主要通过地面实测、被动微波和主动微波的方式获取，其中，实测的时间分辨率低，微波探测容易受到太阳辐射和云雾影响而精度不高。基于 GNSS 反射信号信噪比的测高技术，可以获得更大探测面积和时间连续的积雪深度数据。针对北斗三号导航系统轨道特点、运行周期、卫星信号强度等特性，中国气象局设计了专用数据处理和积雪深度探测的建模方案，并研发了 GNSS-R 积雪深度探测模组，能同时兼容GPS、GLONASS和Galileo等全球导航卫星系统，为积雪深度探测提供了新型设备，提高了积雪探测能力，并推动北斗系统反射信号陆表特征探测业务化应用，目前已在新疆阿勒泰和黑龙江佳木斯开展10.indd 462023/10/11 14:3947卫星应用2023 年第 10 期导航天地Satellite Navigation了应用试验，最终攻克了地形、植被、土壤穿透、初始高设定、模型自动切换等关键技术，为核心算法的工程化奠定了基础。五、北斗系统通信传输气象应用短报文通信是北斗系统最具特色的服务之一，起源于北斗一号，北斗三号进行了升级扩展，通信能力大幅提升，并且对设备要求低，在一些 4G 信号无法保证通信的区域，北斗系统可以做到稳定持续地传输数据。利用北斗系统的这一优势，中国气象局组织开发了北斗气象数据传输系统和北斗气象预警发布系统8-9，其传输链路如图 6 所示。图 6 北斗气象通信传输链路示意北斗气象数据传输系统的核心是北斗气象通信终端：其数据端至数据库的整条链路基于卫星网络通信，完全“内网”运行，数据安全得以保证；具备双向通信能力，可实现远程命令下发、参数修改等；能适配目前气象行业标准范围内所有厂家的自动气象站设备，可实现气象数据的解析处理、标准格式的文件生成；终端的功耗低、待机时间长，适合太阳能供电且环境适应性强。目前该系统已广泛应用于偏远地区气象站、无人区自动气象站（图 7）、海岛和山洪地质灾害等特殊地区气象站的数据传输，为气象部门准确、及时地收集观测数据作出了巨大贡献，在气象防灾减灾中发挥了重要作用。例如，在 2017 年 8 月四川九寨沟发生7.0 级地震后，建设的 15 个重点区域站气象北斗传输系统工作正常，国家站数据传输和应急消息发送正常，北斗通信链路成为当时唯一与外界联通的通信链路。图 7 北斗无人气象站北斗气象预警发布系统由中国气象局自主建设，能在国、省、市三级部署预警发布平台，各级可以独立运行并提供一站式全方位服务，解决了常规通信手段覆盖不到的偏远地区气象预警信息的发布问题，对指定区域进行预警信息的精细化发布服务，实现气象预警信息对边远山区、远海等的覆盖及预警信息传输“最后一公里”，最大程度地减少国家以及人民生命和财产损失，增强社会公众防灾10.indd 472023/10/11 14:39482023 年第 10 期卫星应用导航天地Satellite Navigation减灾的能力。目前已在湖北省建立 1 个省级发布平台、2 个市级发布平台、若干个预警终端，为下一步气象预警发布软件平台的建设和业务示范应用打下了基础。六、结束语气象行业对北斗系统的应用探索仍然在不断深入，对标“监测精密、预报精准、服务精细”，综合气象观测业务发展“十四五”规划主要任务中第一条即为“强化天气观测能力”，其中包括“升级和建设探空观测”，明确指出发展北斗导航探空及优化探空体制：在现有高空气象观测站增加北斗导航探空功能，将边远或艰苦区域高空气象观测站升级为全自动北斗导航探空系统。还包括“升级完善地基水汽观测站”，即在国家级气象观测站升级和建设北斗导航水汽观测系统，进一步完善地基水汽观测能力，时间分辨率达到分钟级，平均站间距减少至 50 80km。在完善北斗气象传输体制上，中国气象局也做了相应规划，如改进编码规则、增强传输模组间抗干扰能力和提升无线通信过程的安全策略等。为了推动气象观测技术发展，引领计划对北斗GNSS/MET未来发展亦作出了系列规划，包括：更新和加密地基北斗 GNSS 观测网，实时获取对流层和电离层参数并应用于数值天气预报模式同化和空间天气监测预警；发展 GNSS-R 遥感技术，研制基于飞机、无人机、低轨卫星等平台的空基以及地基的北斗反射信号接收机，开展海洋、土壤湿度、植物生长量等测量；开展多源水汽融合组网技术，集成北斗 GNSS 水汽观测、探空气象观测、地基微波辐射观测等技术，研制多源融合大气观测产品；研究北斗 GNSS 无线电掩星探测技术，实现多样化参考文献1 金双银，王新志.GNSS 气象学原理与应用M.北京：气象出版社，2019.2 焦明连.GNSS 气象探测技术及其应用J.测绘科学，2008，33（S1）：149-150.3 成方林，冯林强，张翼飞，等.“北斗”导航系统在海洋水文、气象监测系统中的应用J.海洋技术，2004，23（3）：70-73.4 涂满红.“北斗”卫星导航系统在气象领域的应用J.国际太空，2013（4）：20-22.5 张克非，李浩博，王晓明，等.地基 GNSS 大气水汽探测遥感研究进展和展望J.测绘学报，2022，51（7）：1172-1191.6 楼益栋，周要宗，张卫星，等.地基 BDS/GNSS 水汽精细处理及应用研究综述J.测绘地理信息，2022，47（5）：1-11.7 杨东凯，张其善.GNSS 反射信号处理基础与实践M.北京：电子工业出版社，2012.8 宋溱,庞波波,翁艳云,等.北斗短报文在全球海上遇险与安全通信领域的应用与展望 J.中国航海，2022，45（4）：65-69，77.9 孟宪伟，范晓东.北斗卫星通信在自动气象站数据传输中的应用J.卫星应用，2014（3）：32-34.卫星气象遥感等。随着北斗 GNSS 的不断完善和发展，以及更加先进的接收机研发与更新，GNSS 信号的遥感应用将能适应更多场景，极大地丰富气象研究数据源，能推动构建实时无缝隙的全球三维立体气象要素场，在气象行业将有更为丰硕的成果。10.indd 482023/10/11 14:39