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GNSS极化掩星技术研究进展及相关应用综述

本文引用格式：，.GNSS极化掩星技术研究进展及相关应用综述［J］.艺术科技，2025，38（11）：242-246.

中图分类号：P228.4；P407；P714文献标识码：A文章编号：1004-9436（2025）11-0242-05

随着卫星导航技术的迭代发展，GNSS系统的应用已从传统定位、导航与授时领域拓展至气象监测、地球科学、交通运输等多元场景。随着GNSS星座的建设与发展，目前GNSS遥感技术可划分为4个分支，即GNSS延迟（GNSSDelay）技术、GNSS反射（GNSSRefectometry）技术、GNSS无线电掩星（RadioOccultation，RO）技术和极化无线电掩星技术。

传统的GNSS掩星技术是20世纪末发展起来的一种借助地球边缘的临边效应，利用GNSS对地球大气进行探测的新技术，可以获得全球覆盖、高精度和高垂直分辨率的大气弯曲角、折射率等廓线参数，为数值天气预报模型提供海量的观测数据[1]。目前，传统GNSS掩星技术已取得前所未有的发展，但在降水和云层微物理结构的探测方面存在一定局限。为解决这一问题，科学家进行了一系列理论和实验研究。2010年，西班牙的EstlCardellach团队提出了GNSS极化掩星技术，提出利用低轨道地球观测卫星接收到GNSS极化信号探测强降雨的概念[2]3841。与传统掩星技术使用右旋圆极化接收天线有所不同，极化掩星使用的是两个线极化接收天线，再通过得到的水平极化分量和垂直极化分量的相位差反演降水率、雨滴大小和冰晶形态等信息。这一技术的应用显著提升了对强降水事件的预报精度，尤其在极端天气中展示了巨大的应用潜力，这已被Padullés等人在实验中得到进一步证实[3]635。因此，需深入开展GNSS极化掩星技术的研究，提升对降水的数值模拟精度以及增强天气预报的准确性。

1掩星技术介绍

1.1传统掩星技术的工作机制

GNSS掩星技术主要是通过低轨道地球观测卫星接收来自全球定位系统、北斗等GNSS星座传输的信号来进行探测。全球导航卫星系统主要发射L波段的信号，可以穿透厚云层和强降水来实现连续观测。在GNSS信号从卫星发射源传播至低轨道地球观测卫星的过程中，电磁信号穿过大气层，大气介质中的垂直梯度会使信号弯曲并产生延迟，通过接收低轨道地球观测卫星上的GNSS信号，并测量其相位变化，可以推导出大气的折射角度，并进一步通过反演方法计算出大气折射率剖面（见图1）。

1.2极化掩星技术的工作机制

在降水过程中，水凝物的存在会使电磁波在传播过程中产生不同的折射和散射效应，部分直径较大的雨滴底部受流体静压和空气动力压的作用逐渐扁平，形成上圆下扁的汉堡包状。当GNSS信号穿过雨滴时，沿较长的水平轴和较短的垂直轴所经历的传播延迟不同，导致极化波垂直与水平极化分量之间存在相位差[4]。在实验中，代表接收机垂直极化与水平极化端口之间的相位差ΔΦ可用式（1）表示。

ΔΦ=Φ?h-Φ?ν

其中，分别表示水平和垂直极化信号的相位。在降水区域，ΔΦ通常为正值且增大，表明雨滴的存在和降水强度的增加。

相位差ΔΦ又可以表示为在整个RO射线路径上每个点前向散射得到的差分相位延迟Kdp对雨区内射线路径长度L的积分，公式为：

差分相位延迟Kdp的大小取决于雨滴谱以及每个D直径大小的雨滴在水平极化（H）和垂直极化（V）下的前向散射幅度（），公式如下：

其中，?代表取实部，N（D）为雨滴等效直径的概率密度分布函数，D为雨滴的等效球形直径，单位为毫米，λ为L1波段的波长。

雨滴等效直径的概率密度分布函数表示为：

N（D）=N0Dμe-ΛD

式（4）中，N（D）表示每单位体积每直径间隔的雨滴下落的数量，单位为mm-1m-3No为归一化参数，单位为mm-1-μm-3ΨΛ为坡度参数，单位为mm-1.μ为形状参数，无量纲。

雨滴谱的分布与降雨强度存在对应关系，通过建立极化相移与降雨强度的直接关系模型，可以反演降雨强度的过程。

2PRO国内外发展现状和趋势

2.1ROHP-PAZ项目

ROHP-PAZ实验是一个由西班牙科学与创新部资助的国际研究项目。这项实验的主要目的是验证GNSS极化无线电掩星PRO技术在探测和定量化强降水事件中的潜力。该实验通过GNSS极化掩星数据获得高精度的垂直热力学剖面，尤其适用于强降雨事件的实时监测和预报应用。掩星信号得到的降水云中大气温压湿廓线的信息，对于研究降水云系的结构和发展过程具有十分重要的意义。

2009年，西班牙科学与创新部批准将GNSSPRO有效载荷安装在西班牙PAZ卫星上[2]3841。PAZ卫星是西班牙的第一颗地球观测和侦察卫星，于2018年2月22日成功发射。这颗