中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)

關(guān)于發(fā)展GNSS-R技術(shù)拓展北斗導(dǎo)航應(yīng)用的幾點(diǎn)思考
北京大學(xué)
2020/05/24 12:40

      一、背景與意義
      全球?qū)Ш叫l(wèi)星(GNSS)已經(jīng)發(fā)展多年,目前以美國(guó)GPS,中國(guó)被斗,歐洲伽利略,俄羅斯格羅納斯為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座發(fā)展迅猛。中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)先后經(jīng)歷了北斗一號(hào)系統(tǒng)、北斗二號(hào)系統(tǒng)、北斗三號(hào)系統(tǒng)三個(gè)階段,目前北斗一號(hào)4顆試驗(yàn)衛(wèi)星已全部退役,從北斗二號(hào)首顆星起算,我國(guó)已發(fā)射54顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。隨著2020年3月9日19時(shí)55分,北斗系統(tǒng)第54顆導(dǎo)航衛(wèi)星的成功發(fā)射,以及計(jì)劃中2020年5月發(fā)射的北斗地球靜止軌道衛(wèi)星。北斗三號(hào)全球星座部署將全面完成。中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》顯示,2018年我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達(dá)3016億元,其中產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用占比為41.6%。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星不僅為導(dǎo)航定位提供了應(yīng)用,也為地球科學(xué)研究和遙感應(yīng)用提供了新的觀測(cè)手段。

      導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)遙感技術(shù)(GNSS Reflectometry,GNSS-R),是應(yīng)用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)開(kāi)展地球遙感的一種新型微波遙感探測(cè)技術(shù),技術(shù)要點(diǎn)是收發(fā)分離的雷達(dá),具有外源助動(dòng)、甚高時(shí)頻低成本、高探測(cè)精度等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),是“通導(dǎo)遙”一體化的最具代表性應(yīng)用之一。

      GNSS-R技術(shù)核心是收發(fā)分置的L波段被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)(圖1):通過(guò)低軌衛(wèi)星、平流層飛行器、無(wú)人機(jī)、地基站點(diǎn)等平臺(tái),接收、分析導(dǎo)航衛(wèi)星廣播的高時(shí)間分辨率L波段直射和反射信號(hào),用于地球物理要素探測(cè),如大氣參數(shù)遙感--測(cè)風(fēng);海洋參數(shù)遙感--鹽度、海面高度;表面參數(shù)遙感--海冰厚度、積雪深度、土壤濕度、植被含水量;目標(biāo)變化信息分類監(jiān)視:河湖水位、濕地變化、???軍事目標(biāo)等。GNSS-R技術(shù)充分使用了已有的GNSS星座作為發(fā)射源,建設(shè)成本低,硬件研制周期快,便于小型化和發(fā)揮規(guī)模效益,具有有效解決對(duì)地觀測(cè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用面臨的多項(xiàng)技術(shù)瓶頸問(wèn)題

      GNSS-R技術(shù)在氣象、水利、農(nóng)業(yè)、海洋、資源環(huán)境、應(yīng)急減災(zāi)等領(lǐng)域具有很大應(yīng)用價(jià)值。如面向全球天氣預(yù)報(bào)及航運(yùn)氣象服務(wù)發(fā)展海面2米風(fēng)場(chǎng)全天候探測(cè)能力、面向智慧農(nóng)業(yè)服發(fā)展土壤濕度高頻次精細(xì)觀測(cè)能力、面向?yàn)?zāi)害應(yīng)急管理發(fā)展河湖水位高精度準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力等。
圖1 GNSS-R遙感的技術(shù)理念
      經(jīng)過(guò)二十余年的理論技術(shù)積淀和近五年的飛速發(fā)展,GNSS-R多平臺(tái)、多要素綜合探測(cè)能力顯著提升。國(guó)外已在推動(dòng)以GPS為核心的地基GNSS-R探測(cè)技術(shù)走向業(yè)務(wù)應(yīng)用,同時(shí)正在大力發(fā)展星載GNSS-R探測(cè)技術(shù),如2014年歐空局ESA發(fā)射的技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星TechDemoSat-1、2016年美國(guó)宇航局NASA發(fā)射的熱帶氣旋跟蹤衛(wèi)星CYGNSS(8顆小衛(wèi)星組網(wǎng))、2017年日本發(fā)射的北極海冰監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星WNISAT-1R。2019年6月我國(guó)航天科技集團(tuán)五院航天東方紅衛(wèi)星有限公司主導(dǎo)研制的“捕風(fēng)一號(hào)”A、B星成功發(fā)射,衛(wèi)星搭載了五院西安分院研制的GNSS-R載荷,中國(guó)氣象局承擔(dān)完成了“捕風(fēng)一號(hào)”A、B星的地面接收系統(tǒng)處理建設(shè)任務(wù),成功穩(wěn)定處理生成科學(xué)產(chǎn)品,標(biāo)志著我國(guó)首次建立了全球GNSS-R衛(wèi)星觀測(cè)和信息獲取能力。

      GNSS-R小衛(wèi)星發(fā)射成本較低,通過(guò)實(shí)施星群組網(wǎng)觀測(cè)計(jì)劃,可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述地球物理要素的有限成本,甚高時(shí)間分辨率探測(cè),具有極高的應(yīng)用前景。我國(guó)在該領(lǐng)域的工作已經(jīng)起步,以捕風(fēng)一號(hào)為代表的試驗(yàn)系統(tǒng)與美國(guó)CYGNSS衛(wèi)星星座有3年的時(shí)間差距,但是從應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模和研究積累方面目前處于跟跑階段,亟需整合多方資源,組建平臺(tái)-載荷-模型-應(yīng)用團(tuán)隊(duì),實(shí)現(xiàn)GNSS-R小衛(wèi)星群與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)同步飛速發(fā)展,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從跟跑到并跑,并且在部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。

      二、技術(shù)與人才
      至2020年全球?qū)Ш叫l(wèi)星共有約150顆,持續(xù)為對(duì)地觀測(cè)無(wú)償提供全球覆蓋的L頻段微波信號(hào)源。作為導(dǎo)航衛(wèi)星地表反射信號(hào)的接收和使用端,目前國(guó)際上在理論模型、載荷研制、應(yīng)用試驗(yàn)等方面已達(dá)到較高的技術(shù)成熟度。歐洲和美國(guó)作為GNSS-R技術(shù)的兩大強(qiáng)勢(shì)區(qū)域,具有鮮明的發(fā)展特色,歐洲側(cè)重于概念的提出(如概念性的測(cè)高星座),美國(guó)側(cè)重于工程的實(shí)現(xiàn)(如首個(gè)在軌測(cè)風(fēng)星座CYGNSS)。同時(shí)也充分表明星載GNSS-R技術(shù)發(fā)展的一個(gè)共識(shí),即只有通過(guò)星座/編隊(duì)方式形成星群,才能最大程度挖掘該技術(shù)的潛在應(yīng)用價(jià)值

      我國(guó)在GNSS-R小衛(wèi)星群發(fā)展方面有兩大獨(dú)特優(yōu)勢(shì):一是,我國(guó)擁有自主北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),軌道多樣化的北斗衛(wèi)星無(wú)疑會(huì)對(duì)GNSS-R探測(cè)提供豐富的微波信號(hào)資源,通過(guò)合理高效利用將大大提高海陸地表物理要素探測(cè)的時(shí)空分辨率和精度;二是,我國(guó)擁有國(guó)外無(wú)法比擬的技術(shù)與人才儲(chǔ)備,包括北京大學(xué)、武漢大學(xué)、中科院遙感地球所、中科院上海天文臺(tái)等高??蒲性核⒑教?04所、804所、503所、中科院空間中心等載荷研制部門(mén)、和一批致力于商業(yè)航天與空間信息產(chǎn)業(yè)的實(shí)力企業(yè)。如能有效整合力量、統(tǒng)籌協(xié)調(diào),完善具有我國(guó)特色的政產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的協(xié)作機(jī)制,是完全可以形成極具實(shí)力的優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì),具備星群實(shí)施能力和適合中國(guó)實(shí)際的應(yīng)用模式。三是,我國(guó)具有完整的對(duì)地遙感衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用體系,借助我國(guó)大氣,海洋,陸地,高分等數(shù)據(jù)中心的建設(shè),遙感衛(wèi)星業(yè)務(wù)接收處理和產(chǎn)品應(yīng)用體系已系統(tǒng)化。在捕風(fēng)一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星地面及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)測(cè)試,中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心先后依托新疆和廣州站完成了衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)自動(dòng)接收,依托北京數(shù)據(jù)處理中心衛(wèi)星自動(dòng)自動(dòng)匯集,標(biāo)定,產(chǎn)品生成,依托大氣遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心完成數(shù)據(jù)軌道和標(biāo)準(zhǔn)化,這些工作為GNSS-R小衛(wèi)星星群的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)和服務(wù)支撐。

      三、現(xiàn)狀與問(wèn)題
      盡管實(shí)施GNSS-R小衛(wèi)星群具有切實(shí)意義,且我國(guó)已具備充足的技術(shù)和人才儲(chǔ)備,我們認(rèn)為,目前尚存在如下幾點(diǎn)大的問(wèn)題需要思考:

      1、科學(xué)目標(biāo)與技術(shù)體系分散 (國(guó)際問(wèn)題)
      星載GNSS-R技術(shù)理論上可實(shí)現(xiàn)十余種海陸地表物理要素的探測(cè)。針對(duì)不同要素的探測(cè),對(duì)載荷性能、衛(wèi)星星座或編隊(duì)飛行的需求差別較大;針對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用,統(tǒng)籌考慮現(xiàn)有對(duì)地觀測(cè)手段,對(duì)不同要素觀測(cè)需求的迫切程度不同;針對(duì)某些特定要素,如何實(shí)現(xiàn)一星多要素探測(cè)的高效利用,也尚需從科學(xué)目標(biāo)與技術(shù)能力的角度綜合考慮。

      2、科學(xué)研究到工程應(yīng)用缺乏階段目標(biāo) (國(guó)際國(guó)內(nèi)問(wèn)題)
星載GNSS-R硬件技術(shù)成熟度已初步具備向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化的水平,但是針對(duì)遙感信息提取,例如大氣參數(shù)(國(guó)際國(guó)內(nèi)部分實(shí)現(xiàn),如測(cè)風(fēng))、陸地探測(cè)(國(guó)際國(guó)內(nèi)均未實(shí)現(xiàn))業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景,仍缺少應(yīng)用導(dǎo)向的科學(xué)問(wèn)題凝練,缺乏應(yīng)用導(dǎo)向和科學(xué)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星星座/編隊(duì)的設(shè)計(jì)與實(shí)施、缺乏全面的衛(wèi)星/地面協(xié)同技術(shù)驗(yàn)證為科學(xué)研究到工程應(yīng)用的全鏈條完整過(guò)渡提供依據(jù)。

      3、資源力量分散 (國(guó)內(nèi)問(wèn)題)
技術(shù)和人才方面,我國(guó)高度重視北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè),通過(guò)863等計(jì)劃支持和捕風(fēng)一號(hào)試驗(yàn)系統(tǒng),建立了強(qiáng)大的星載GNSS-R資源儲(chǔ)備,但是在面向解決大科學(xué)問(wèn)題時(shí),存在嚴(yán)重的資源力量分散情形,高??蒲性核酁樽杂商剿鲗?dǎo)向甚至無(wú)經(jīng)費(fèi)支持,載荷單位存在相互競(jìng)爭(zhēng)和封閉式重復(fù)研制,用戶部門(mén)則存在業(yè)務(wù)需求交叉界定不清晰問(wèn)題等。資金方面,鑒于上述1、2問(wèn)題的存在,國(guó)家在過(guò)去十二五和十三五期間對(duì)該領(lǐng)域的支持力度不夠,由于型號(hào)管理特殊性,應(yīng)用部門(mén)在系列衛(wèi)星及地面系統(tǒng)獲得國(guó)家立項(xiàng)前,也難以具備開(kāi)展大規(guī)模系統(tǒng)研究和應(yīng)用技術(shù)研究的經(jīng)費(fèi)和資源支持。商業(yè)資本也尚未實(shí)現(xiàn)有效的整合利用。

      四、對(duì)未來(lái)發(fā)展的思考
      鑒于星載GNSS-R小衛(wèi)星群發(fā)展的迫切需要,以及現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)與人才保障狀況,建議充分利用和集成我國(guó)及國(guó)際高新技術(shù)成果,組織國(guó)內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)、平臺(tái)和載荷研制部門(mén)、地面系統(tǒng)研制部門(mén)、行業(yè)用戶、企業(yè)單位等多方優(yōu)勢(shì)機(jī)構(gòu),整合并提升現(xiàn)有資源,分步實(shí)施我國(guó)GNSS-R陸氣探測(cè)小衛(wèi)星群計(jì)劃。

      1、第一步:科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)體系的梳理與論證
      針對(duì)問(wèn)題1“科學(xué)目標(biāo)與技術(shù)體系分散”,盡快組織優(yōu)勢(shì)機(jī)構(gòu)形成工作組,進(jìn)行面向大氣和地表要素探測(cè)的星載GNSS-R科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)體系的梳理與論證,統(tǒng)籌考慮科學(xué)發(fā)展、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)、階段應(yīng)用目標(biāo)等,形成系統(tǒng)化的頂層分析報(bào)告,支持決策。

      2、第二步:典型要素探測(cè)星座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
      針對(duì)問(wèn)題2“科學(xué)研究到工程應(yīng)用缺乏階段目標(biāo)”,基于現(xiàn)有技術(shù)能力與需求迫切度,選取典型大氣、地表要素進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證星座的設(shè)計(jì)與實(shí)施。如,針對(duì)海面風(fēng)場(chǎng),在“捕風(fēng)一號(hào)”A、B星的成功基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展后續(xù)星座,應(yīng)用多星組網(wǎng)技術(shù)快速提高觀測(cè)的時(shí)空分辨率,為臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)急需的全球海面兩米風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)支撐;針對(duì)土壤濕度,規(guī)劃實(shí)施相應(yīng)的技術(shù)驗(yàn)證星并規(guī)劃后續(xù)星座,實(shí)現(xiàn)面向智慧農(nóng)業(yè)的土壤濕度高頻次精細(xì)觀測(cè)。

      3、第三步:海陸探測(cè)小衛(wèi)星群規(guī)劃與實(shí)施
      針對(duì)問(wèn)題3“資源力量分散”,基于上述1和2,進(jìn)一步凝練科學(xué)目標(biāo)、優(yōu)化載荷性能、提升反演能力,完成面向大氣、海洋、陸地多要素綜合探測(cè)的專用或通用小衛(wèi)星群規(guī)劃與實(shí)施。小衛(wèi)星群采用眾籌模式,充分利用國(guó)家部委、地方政府、優(yōu)勢(shì)企業(yè)、高校等的多方資金和技術(shù)支持,進(jìn)行星群發(fā)射與運(yùn)維。

      五、預(yù)期效益
      我國(guó)GNSS-R陸氣關(guān)鍵要素探測(cè)小衛(wèi)星群的規(guī)劃與實(shí)施,可以形成廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。作為對(duì)地觀測(cè)的新手段,可提供解決特定業(yè)務(wù)應(yīng)用的唯一或不可或缺的補(bǔ)充手段,大幅提升導(dǎo)航衛(wèi)星(北斗)數(shù)據(jù)增值應(yīng)用服務(wù)能力、對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的總體效能,以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資源的綜合開(kāi)發(fā)利用效率;依靠提升天氣預(yù)報(bào)、智慧農(nóng)業(yè)、應(yīng)急減災(zāi)、水資源開(kāi)發(fā)利用等多領(lǐng)域?qū)m?xiàng)技術(shù)能力,支持一帶一路區(qū)域的遙感信息應(yīng)用服務(wù),特別是提升應(yīng)對(duì)不可預(yù)料巨大災(zāi)難時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與應(yīng)變處置能力,為政府管理和民生改善提供新技術(shù)支持。GNSS-R小衛(wèi)星群的規(guī)劃實(shí)施預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)每年數(shù)百億元以上的經(jīng)濟(jì)效益;必將為我國(guó)小衛(wèi)星應(yīng)用和衛(wèi)星綜合觀測(cè)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展提供借鑒,推動(dòng)協(xié)同技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。