GPS北斗兼容的星载掩星探测技术
GNSS无线电掩星大气探测技术具备全球覆盖、高垂直分辨率、高精度、全天候、长期稳定和无须定标等优点，是目前提高数值天气预报准确度、空间天气探测和预报能力的重要探测手段。
当一颗星体在运动过程中掩盖了另外一颗星体，从观测者的角度看，就形成了掩星现象。掩星能够帮助天文学家和天文爱好者者发现新的星体，极具科学价值。同样，类似的现象发生在全球卫星导航系统（GNSS）信号观测中，也有巨大的研究和应用价值。
因此，全球定位系统（GPS）星座建成后，GNSS无线电掩星探测技术应运而生，并迅速成为国际新兴的卫星遥感技术之一，以及数值天气预报、全球气候监测和空间天气观测的重要手段。一些国家和地区竞相发展自己的GNSS掩星探测计划，例如美国和中国台湾合作的COSMIC II星座、美国的CICERO星座、欧洲的MetOp-C以及我国的FY3-D星等都是近期准备发射的计划。
世界气象组织在2025年发展规划中已明确提出每天要实现一万次掩星探测事件，这就需要开展百星级别的掩星探测任务，但到目前为止，掌握掩星大气探测技术的国家为数并不多，而中国科学院国家空间科学中心研发的GPS北斗（BDS）兼容的掩星大气探测载荷，成功使我国跻身此列，具备了核心科技竞争力和国际影响力。风云三号系列卫星（共6颗）已经或即将搭载的GNOS掩星探测仪已被列入世界气象组织掩星探测载荷矩阵。
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多系统兼容的GNSS掩星探测技术是GNSS遥感领域未来的主要方向之一，可以成倍增加掩星事件数量，提高全球的空间与时间观测覆盖率。研究团队的星载GPS北斗掩星探测技术即顺应了这一大发展趋势，其在低轨卫星（LEO）上搭载掩星探测仪，接收被大气及电离层弯曲和延时的GPS北斗导航信号，通过反演获取大气温、湿、压和电离层电子密度等参数廓线。该技术具有全球覆盖、高垂直分辨率、高精度、全天候、长期稳定和无须定标等优点，是目前提高数值天气预报准确度、空间天气探测和预报能力的重要探测手段。
GPS北斗兼容的星载掩星探测系统由星上探测分系统与地面数据处理分系统两部分组成。以FY3-C掩星探测系统为例，其星载GNOS掩星探测仪由3副天线、3台射频单元和1台处理单元组成。
定位天线接收GPS北斗双频导航信号，用于掩星探测仪精密定轨；掩星天线接收穿过大气及电离层的双频掩星信号；各射频单元主要功能是低噪声放大及下变频处理；处理单元主要功能是定位及掩星信号捕获、跟踪、解算，以及双频载波相位、伪距等观测量的测量。地面数据处理分系统由数据预处理和产品反演子系统组成。数据预处理子系统包括基于GPS北斗双频信号的LEO精密定轨和电离层、大气附加相位解算等功能。
北斗一期区域定位系统由14颗卫星组成（FY3C GNOS探测仪只接收这14颗北斗卫星的信号）。根据北斗卫星系统星座空间的分布特点，同时可观测到大于5颗星的区域仅位于亚太地区，不能满足卫星全轨道大于4颗北斗导航卫星观测的条件。研究团队研发的风云三号气象卫星C星GPS北斗兼容的掩星探测仪在国际上首次在轨实现了基于北斗系统的双频LEO高精度实时定位，而且突破了部分轨道观测数据简动力学定轨技术，仅使用单独的北斗观测数据，在国际上首次实现星载LEO北斗双频事后精密定轨，精度达到30厘米（3D RMS）。
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对流层底部（海拔高度10千米以下），尤其是低纬度热带地区的大气含有丰富的水汽，因此有着复杂的垂直结构。掩星信号进入这个区域后，大气多普勒频移和振幅信号的波动均剧烈地增加，掩星信号的频谱产生扩展。由于在对流层底部存在掩星信号幅度的衰减和多普勒频率快速变化的双重因素，因此一般的锁相环不能正常工作，需要一种更稳定的跟踪技术来处理通过潮湿对流层的掩星信号。
基于大气模式的开环跟踪技术正是解决上述问题的有效途径，它使用GPS北斗/LEO预报轨道和大气折射率气候预报的多普勒模型对信号进行跟踪，与传统的锁相环不同，它在观测信号和控制模型之间没有反馈（只用模型控制信号），所以不受信号变动的影响，结合100赫兹的高采样率就可以具备跟踪多重相位和幅度（由大气多路径引起）的能力，而且可以更方便地探测上升掩星事件。
基于这样的思路，研究团队突破了基于大气模式的L1C/A信号开环跟踪技术，并在风云三号气象卫星掩星探测仪上实现了国内的首次在轨应用，验证结果表明，基于大气模式的L1C/A信号开环跟踪技术对10千米以下信号的跟踪能力达到了国际先进水平。
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掩星探测技术对天线也提出了多重要求：天线带宽要覆盖所有的范围，其最大增益指向在卫星本体坐标系下俯仰角为27.3度；此外，在一轨约90分钟时间内，卫星舱外温度变化范围为-90～90摄氏度，而且会受到空间粒子事件的干扰，星载环境十分恶劣。
为此，研究团队通过深入研究，突破了宽带偏波束天线技术，并在风云三号气象卫星C星上得到在轨应用，在星上资源十分有限的情况下节省了天线重量，满足了卫星安装条件。此外，天线设计满足了星载恶劣环境下高可靠性和长寿命的要求，自2013年9月23日卫星升空至今，天线和掩星探测仪一直工作良好。
星载高动态L2P（Y）半无码跟踪灵敏度也是星载掩星探测技术的重点。GPS双频接收机中对L2P（Y）信号的跟踪通常采用半无码跟踪方法，但由于半无码方法本身具有平方损耗，因此获得的L2P（Y）信号载噪比较低，在高动态条件下更是难以实现稳定跟踪。研究团队研发的双频GPS接收机动态辅助L2P（Y）码跟踪的方法可以有效降低载波跟踪环路的相位颤动，消除L2P（Y）载波跟踪动态，从而提高高动态环境下的跟踪灵敏度。风云三号气象卫星C星的在轨应用测试结果表明，高动态下L2P（Y）跟踪灵敏度可以达到13分贝赫兹，达到了国际先进水平。
在研发过程中，最关键的挑战是如何突破GPS北斗兼容的电离层和大气掩星探测关键技术，进而在风云三号气象卫星C星上实现在轨应用。在轨测试结果表明，研究团队成功做到了这一点，并在国际上首次在轨实现了GPS北斗电离层和大气掩星探测及参数的反演：其掩星探测仪载波相位精度为有码时≤1毫米、无码时≤2毫米，折射率反演精度10 ～ 30千米、优于1%，电离层掩星电子峰值密度反演精度优于20%，均处于国际先进水平。在5～ 25千米高度范围内，北斗与GPS内符合精度大气折射率优于2%，温度优于2开尔文，湿度优于1.5克/千克，压强优于2%，电离层峰值密度优于15.6%；北斗与GPS掩星反演精度基本一致。
GPS北斗兼容的星载掩星探测技术自2013年9月首次成功应用于风云三号气象卫星C星以来，C星掩星探测数据被同化到中国气象局自主研发的全球数值天气预报模式GRAPES中，有效地改善了分析和预报效果，在我国天基大气探测业务体系中发挥了重要作用。下一步，风云三号系列后续所有卫星都将搭载研究团队研制的掩星探测仪系列产品。
到目前为止，除在轨运行的风云三号C星外，另有11颗卫星已定制了中国科学院国家空间中心研制的GPS北斗兼容的星载掩星探测仪，更多的卫星型号任务正在论证中。但GPS北斗兼容的星载掩星探测技术的应用领域并不局限于此，其高动态导航定位、精密定轨技术成果在航天、航空等领域也大有可为，北斗导航空间领域应用的新篇章即将就此掀开。
孙越强：研究员，中国科学院国家空间中心空间环境探测研究室主任。
杜起飞：研究员，GNOS掩星探测仪总师。
柳聪亮：助理研究员，本文通讯作者。
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