FY-3D 卫星的北斗掩星分布特征与误差特性*

刘 艳 孟祥广 ,, 白伟华 ,, 孙越强 ,, 廖 蜜 韩 英

1(中国气象局地球系统数值预报中心 北京 100081)

2(中国科学院国家空间科学中心 北京 100190)

3(中国气象局国家卫星气象中心 北京 100081)

4(北京石油化工学院数理系 北京 102617)

0 引言

全球导航卫星系统（GNSS）掩星（Radio Occultation，RO）探测是一种新型的地球大气探测技术，可以长期稳定、经济地获得地球大气的三维结构。GNSS 发射的电磁波信号经过大气层时，由于受到电离层和大气介质折射的影响，信号传播路径会发生弯曲，导致低轨卫星（LEO）接收到的信号出现延迟。通过信号延迟可以推算得到大气折射指数以及电离层的电子密度[1]。掩星观测具有高精度、高垂直分辨率、全天候、全球覆盖、无系统偏差等优势，因此其对于数值天气预报、全球气候变化以及空间天气的长期监测至关重要[2]。

最早的地球大气掩星探测项目可追溯到1995 年美国Microlab-1 卫星上的GPS/MET（Global Positioning System/Meteorology）掩星试验，该试验从理论与实践两方面证明了掩星技术可以精确探测地球大气[3,4]，并促进了其他掩星探测计划的发展，例如德国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年中国台湾与美国合作的COSMIC（Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate）项目由6 颗低轨卫星组成星座，资料量显著增加且可近实时获取，开始了掩星探测技术在数值天气预报中的业务应用[8]。继COSMIC 之后，欧盟气象卫星METOP[9,10]和中国风云气象卫星也开始搭载掩星载荷[11-13]。2019 年发射的COSMIC-2 卫星是COSMIC 的后续计划，由6 颗LEO 卫星组成低纬度星座，同时接收GPS 和GLONASS 的信号，并达到了迄今为止掩星载荷的最高信噪比，可以更有效探测大气低层信息，提高数据精度[14,15]。

风云气象卫星自2013 年9 月发射的FY-3C 卫星开始搭载掩星载荷GNOS（GNSS Occultation Sounder），该载荷可实现北斗（BDS）和GPS 掩星的同时探测。继FY-3C 之后，所有风云极轨卫星都计划搭载GNOS 载荷。目前在轨的有FY-3C 和2017年11 月发射的FY-3D 两颗卫星。自GNOS 开始提供数据以来，利用GNOS 数据开展了各种研究，包括数据质量的评估和算法改进[16-21]以及科学研究等[22,23]。GNOS 的GPS 掩星数据已在中国气象局[13]和国外主要数值预报中心业务中应用[24]。

但是与GPS 掩星相比，GNOS 北斗掩星只有一些初步的结果[17,18,23]，无论研究还是应用都严重滞后，因此需要加强北斗掩星的研究。北斗导航系统的轨道与其他导航卫星系统的轨道不相同，是国际上唯一由中地球轨道（MEO）、同步静止轨道（GEO）及倾斜同步轨道（IGSO）三种轨道组成的混合星座导航系统。这些特有的空间几何结构会对掩星事件的分布以及精密定轨造成影响。FY-3C 和FY-3D 发射时，北斗导航卫星系统尚未满星座运行，GNOS 接收的是北斗二代导航卫星信号，该导航系统主要在亚太地区上空运行，会造成很多区域观测不到参考星，影响掩星数据的精度。因此，需要结合掩星数据反演过程，研究北斗掩星数据精度是否与其他GNSS 掩星数据精度一致，这是北斗掩星数据能否被广泛应用的前提。目前北斗导航卫星系统已于2020 年实现全球覆盖，FY-3E 及其后续卫星将接收北斗三代导航卫星信号，也需要研究北斗掩星数据的误差特征，为GNOS探测器的改进提供参考依据。

本文利用FY-3D 的GNOS 北斗掩星数据以及ECMWF 的第5 代再分析资料ERA5 作为精度评估的第三方数据，分析GNOS 的BDS 掩星数据精度以及误差特征。

1 GNOS 载荷与反演方法

GNOS 是搭载于风云气象卫星上的掩星探测仪器，由中国科学院国家空间科学中心研制，是国际上首台北斗与GPS 双卫星导航系统兼容的星载掩星探测仪[13]。该载荷由3 副天线、3 台射频单元和1 台数据处理单元组成，其采用了低噪声射频前端技术，高动态、高灵敏度信号捕获跟踪技术，以及相位中心稳定天线技术等多种技术手段。在设计上充分考虑GPS 与BDS 信号的差异，兼顾了中性大气和电离层的探测需求，探测范围覆盖了800 km 直到近地面的高度区间[12,13]。GNOS 大气掩星的数据处理包括以下步骤。

步骤1获取导航卫星的精密星历和精密钟差等辅助数据，利用GNOS 定位观测数据和上述辅助数据，进行低轨卫星LEO 精密定轨，得到LEO 精密轨道和GNOS 接收机精密钟差。

步骤2利用步骤1 的数据以及大气层掩星数据，消除掩星信号观测链上的各种误差，提取出大气层附加相位量。

步骤3利用大气层附加相位数据，使用ROPP软件[25]反演得到各级大气掩星数据，包括大气弯曲角、折射率以及温度和气压等。

GNOS 的GPS 掩星探测采用先进的开环追踪技术，极大地改善了对流层低层的探测问题，但是北斗掩星由于接收B1 I 频段的码速率比较大，导致接收机内部使用的多普勒模型不能满足通过北斗B1 I 伪距码跟踪北斗B1 I 的精度，因此GNOS 的北斗掩星探测目前仍使用闭环跟踪技术。

2 数据与方法

论文使用的数据为国家卫星气象中心*http://satellite.nsmc.org.cn/PortalSite/Data/Satellite.aspx2018 年1－3 月FY-3D 的GNOS 北斗掩星折射率数据。第三方评估数据来自欧洲中期天气预报中心ECMWF第5 代再分析资料ERA5，比较FY-3D 的北斗掩星折射率与ERA5 计算的折射率之间的差异。折射率计算公式为

其中，P为气压（单位hPa），T 为温度（单位K），e为水气压（单位hPa）。根据式（1），利用ERA5 资料的温度、湿度和压力场数据计算得到折射率。

评估方法是分析FY-3D 的北斗折射率数据与ERA5 计算的折射率数据的平均偏差和标准差。由于折射率的数据量级从地面的400N左右随高度指数递减，到50 km 时只有零点几个单位N，因此平均偏差均采用ERA5 计算的折射率进行归一化处理，即分析的平均值和标准差，No表示观测折射率，Nb表示ERA5 计算的折射率。

由于掩星数据与ERA5 再分析资料的时空分辨率不同，为能够比较，需要进行时空匹配。时间匹配方法是，将ERA5 分析时间前后3 h 内的掩星数据都归为当前时间内的观测数据，空间匹配是以双线性插值方法将掩星周围4 个点的ERA5 资料插值到掩星观测点上。最后，将观测值与ERA5 计算的折射率在垂直方向做lgN插值，分别插值到400 m 间隔的高度上。ERA5 数据的最高高度约在50 km，因此本文分析0～50 km 范围内北斗数据的精度和统计特征。

由于电磁波信号出错等原因，可能存在错误的掩星数据或者离模拟值很远的离群观测，因此采用GRAPES 模式对风云卫星GPS 掩星同样的质量控制方法来剔除错误和离群数据。首先，在背景场检查中，如果掩星廓线归一化后的平均偏差有超过100%的数据，则剔除整根廓线；其次，如果整根廓线的平均偏差超过了20%的观测达到12%以上，则剔除整根廓线；最后，将掩星廓线中平均偏差超过10%以上观测标志为缺测。

对于任何匹配的样本，可以利用如下公式计算其平均偏差和标准差，即

式中，下标i代表第i对匹配的掩星，n代表匹配的样本总数，表示平均偏差，σ表示平均标准差。

3 结果分析

3.1 掩星事件分布及数量

掩星事件发生在GNSS 与LEO 卫星之间的切点位置。FY-3D 轨道高度在830 km 以上，轨道倾角接近98.7°。北斗二代卫星导航系统由5 颗GEO、5 颗IGSO 和4 颗MEO 卫星组成，并主要位于亚太地区上空，这些特点决定了北斗掩星事件的分布特征。图1 给出了BDS 掩星事件分布情况。由图1 可以看出，由于GEO 卫星位于赤道上空，相对地面保持静止不动，因此GEO-LEO 掩星事件主要分布在纬度60°－90°南北极区范围内，并沿卫星轨道呈弧形带状分布。IGSO 卫星在中国上空呈8 字形运行，IGSO卫星的分布和运行状况造成IGSO-LEO 掩星事件在低纬度地区形成一小一大两个空洞，并且东半球的掩星事件多于西半球的掩星事件。MEO 卫星轨道高度与GPS 的卫星轨道高度类似，掩星分布与GPS 的掩星分布类似，全球均匀分布。FY-3D 的GNOS 接收机有6 个北斗掩星通道，其与FY-3D 卫星的轨道特点以及北斗轨道的空间结构共同决定了北斗掩星的数量（见表1）。由表1 可见：约70%的掩星事件发生在东半球，30%的掩星事件发生在西半球；GEO、IGSO 和MEO 这三类掩星中以IGSO 掩星数量最多，约占40%。图2 给出的是2018 年1－3 月间GNOS 北斗掩星数量的时间演变，FY-3D 平均每天接收约170 次北斗掩星事件。

图2 FY-3D 卫星每天的北斗掩星数量Fig.2 Numbers of Beidou RO in FY-3D satellite

表1 不同轨道的GNOS 北斗掩星数量和占比Table 1 Number and proportion of GNOS Beidou RO in different orbits

图1 2018 年1 月1 日至3 月31 日期间FY-3D 卫星北斗掩星事件的水平分布（蓝点为静止轨道掩星，红点为倾斜轨道掩星，绿点为中地球轨道掩星）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 探测的最低高度

掩星能够探测到的最低深度是考查其探测性能的一个重要指标。由于受水气影响，在对流层低层会引进多路径传播误差、接收机追踪误差以及超折射误差等各种误差，因此在4 km 以下掩星的探测能力受限，能够穿过复杂大气到达近地面的廓线比例降低。图3 给出了掩星资料按其所在经纬度位置分别划分到10°×10°格点上后，统计得到的各格点上GNOS 探测到的平均最低高度。从图3 可看到，BDS 掩星探测的最低高度普遍在4 km 之上，原因是GNOS 北斗掩星附加相位的追踪采用闭环方法，其主要缺点是不容易跟踪到对流层低层信号，尤其是在大气边界层以下。南北两极高纬度地区的探测深度大都能到达4 km 以下，这可能与高纬地区的水气少、反演过程受影响少有关。从图3 中还发现一个现象，太平洋上空北斗掩星的探测高度普遍高于其他海域，并且南半球太平洋上探测的高度又是最高的，该现象值得进一步研究。

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

3.3 与ERA5 计算折射率的比较

利用第3 节的质量控制方法，给出如图4 所示质量控制前（红线）/后（黑线）的折射率廓线。由图4 可以看出，被剔除掉的廓线大部分是14 km 以下和30 km 以上出现了异常的廓线，14 km 以下的异常廓线主要因为信号探测不到更低的高度，导致反演出异常，而30 km 以上的异常廓线主要与电离层影响有关。图4 中质量控制前共有13098 根廓线，质量控制后有12539 根廓线，剔除率约为4.3%。质量控制后上升掩星有7008 根，下降掩星有5531 根，其各自所占比例分别约为56%和44%，其中上升掩星的剔除率为4%，下降掩星的剔除率为5%。以下数据精度分析和误差统计特征都是基于质量控制后的数据得到的。

图4 质量控制前（红色）/后（黑色）的折射率数据Fig.4 Refractivity before (red) and after (black)quality control

图5 所示为北斗掩星折射率与ERA5 计算的折射率相比，其平均偏差和标准差。可以看到，在掩星观测的核心区域，即8～35 km 高度范围内，北斗折射率与ERA5 折射率非常一致，平均偏差在0 附近，标准偏差在1.0%以内，反映了掩星观测无偏的特点。在8 km 高度以下范围，平均偏差最大值约为3.8%，标准差最大值约为6%；在35 km 高度以上，平均偏差在2%以内，标准差在6%以内。北斗掩星的标准差比GPS 掩星的略高0.5%～1%，但是统计特征非常一致，表明地球大气的掩星探测不依赖于特定的卫星导航系统。从图5 中还可以看到，参与统计的廓线有12500 多根，但在高度15 km 以下和42 km 以上区域，BDS 掩星的数量下降很快。15 km 以下的问题与BDS 掩星没有使用开环跟踪技术有关，闭环方法很难追踪到大气低层信号，并且容易出现系统性的负折射率偏差；而42 km 以上的问题，与大气稀薄，折射指数本身量级很小，数据反演过程（例如电离层的影响、优化估计模型的选择等）的误差容易被放大，导致数据质量下降有关。

图5 观测总数（黑实线）以及折射率观测与ERA5再分析资料计算的折射率平均偏差（红虚线）和标准差（红实线）。O 表示观测折射率，B 表示ERA5 计算的折射率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

北斗卫星有三种轨道，其中GEO 和IGSO 卫星分布在亚太地区上空，卫星高度相对较高，且运行速度较慢，MEO 卫星轨道高度与GPS 相似。北斗系统特有的空间几何结构和运行特点会对精密定轨造成影响。为进一步分析北斗卫星不同轨道对折射率反演的影响，分别统计了MEO、IGSO 和GEO 这三类掩星与ERA5 计算的折射率的平均偏差和标准差（见图6）。MEO 与IGSO 掩星的统计特征比较一致，GEO 掩星在35 km 以上的偏差大于IGSO 和MEO掩星，可能与GEO 是静止卫星，精密定轨难度最大有关[22]，但是这三类掩星的标准差都比较接近。在35 km 高度以下，GEO 掩星的偏差和标准差明显小于IGSO 和MEO 掩星。

图6 GEO、IGSO 和MEO 掩星与ERA5 再分析资料计算的折射率的平均偏差（虚线）和标准差（实线）Fig.6 Mean bias (dashed line) and standard deviation(solid line) of GEO，IGSO and MEO refractivity compared with ERA5 reanalysis

图7 给出的是区分了上升掩星和下降掩星后，掩星折射率观测值与ERA5 折射率偏差的平均值和标准差。对大样本而言，上升掩星和下降掩星的统计特征应该是一致的。从图7 中可发现，GEO 上升和下降掩星在高层出现了分叉，MEO 和IGSO 没有系统性偏差，但这三类掩星在低层都是下降掩星的偏差小于上升掩星，而在高层下降掩星的偏差大于上升掩星。这个结果与掩星观测的几何过程有关，下降（上升）掩星在高层（低层）跟踪有一个从捕获到跟踪的稳定过程，而在低层（高层）则是下降（上升）掩星由跟踪到失锁的过程，因此下降掩星的观测数据质量在低层好于上升掩星，在高层上升掩星则好于下降掩星。

图7 上升掩星和下降掩星与ERA5 再分析资料计算的折射率的平均偏差（虚线）和标准差（实线）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

在不同的纬度带，由于水气条件不同，对掩星数据的反演精度也会造成影响。图8 以南北纬60°－90°代表高纬地区，30°N－30°S 代表低纬度地区，南北纬30°－60°代表中纬地区，划分了3 个区域，研究北斗折射率在这些纬度带的特点。从不同纬度带的统计特征看，35 km 以下区域有相似的误差结构，高纬度地区的标准差最小，中纬度地区次之，低纬度地区最高；在35 km 以上，高纬地区的偏差最大。

图8 不同区域的掩星观测与ERA5 计算折射率的平均偏差（虚线）和标准差（实线）（a）以及掩星数量（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 讨论与结论

GNOS 掩星载荷实现了北斗掩星的观测，对于拓展北斗导航卫星系统在气象和空间天气领域的应用，以及利用掩星技术摆脱对单一导航系统的依赖具有重要意义。通过对FY-3D 卫星的GNOS 北斗掩星折射率数据的分析，得到以下结论。

（1）受北斗导航卫星的轨道分布、北斗二代导航卫星未满星座运行以及FY-3D 轨道高度和倾角的共同影响，FY-3D 的GEO 掩星事件主要分布在南北两极的高纬度地区，IGSO 掩星事件在东西半球的低纬度地区分别形成一小一大两个空洞，尤其是在中国和大洋洲区域，MEO 掩星全球均匀分布。北斗掩星事件在东半球多于西半球。

（2）北斗掩星折射率数据精度在探测的核心区域，即12～32 km 高度范围内，与ERA5 再分析资料计算的折射率相比，平均偏差的标准差约为1.5%，在12 km 以下和35 km 以上，标准差从1.5%逐渐增大到6%。

（3）GEO 掩星数据的平均偏差在35 km 以上略大于IGSO 和MEO 掩星，但标准差比这两类掩星小。下降掩星在20 km 以上区域的标准差高于上升掩星，但20 km 以下区域小于上升掩星。

（4）高纬地区北斗掩星数据的标准差最小，中纬度区域次之，低纬度地区最大，在对流层中下层尤其明显。

从研究结果分析，风云卫星的北斗掩星数据精度较高，其数据精度和误差特征与GPS 掩星数据一致。目前北斗导航系统已实现全球满星座运行，GNOS 也可增加更多的北斗掩星通道，从而获得更多的北斗掩星数据，进一步提升北斗掩星数据的科学研究和应用价值。

由于北斗B1 I 的码速率是2 MHz，GPS L1/CA的码速率是1 MHz，北斗B1 I 伪距码长为GPS L1/CA 伪距码长的一半，目前接收机内部使用的多普勒模型仅能达到通过GPS L1/CA 伪距码跟踪L1 信号的精度，不能满足通过北斗B1 I 伪距码跟踪北斗B1 I 的精度，导致GNOS 的北斗掩星尚未实现开环跟踪技术，对4 km 以下大气的探测能力远低于GPS 掩星，这是将来需要进一步改进的地方。