白照廣，王崇羽，范東棟，孫紀(jì)文

航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094

1 引言

海面風(fēng)場(chǎng)是大氣、海洋各種運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)源，它與海洋中幾乎所有的海水運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)，是形成海面波浪的直接動(dòng)力，海面風(fēng)場(chǎng)調(diào)節(jié)海/氣之間的熱量、水汽和物質(zhì)交換，維持著區(qū)域與全球的氣候，更是氣象預(yù)報(bào)的必要參數(shù)[1]。傳統(tǒng)的海面風(fēng)探測(cè)手段，如海洋浮標(biāo)、船舶、海洋站等，觀測(cè)點(diǎn)少，觀測(cè)區(qū)域受限，難以實(shí)現(xiàn)大范圍和惡劣天氣條件下的實(shí)時(shí)有效觀測(cè)。為此，基于微波散射計(jì)[2]、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)[3]、導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)測(cè)量(global navigation satellite system-reflection，GNSS-R)[4]的星載海面風(fēng)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。

風(fēng)場(chǎng)相對(duì)于其他重要大氣要素(溫度、濕度和水汽含量)而言，存在精度提高、效率提升的迫切需求，應(yīng)用小衛(wèi)星平臺(tái)，對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行加密觀測(cè)，可彌補(bǔ)已有大衛(wèi)星觀測(cè)效率、觀測(cè)手段的不足。氣象和海洋等部門需要特殊軌道、新型觀測(cè)手段、快速部署的低成本和高性價(jià)比的小型衛(wèi)星星座來(lái)提升中低緯度加密觀測(cè)以獲得多源探測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效率和高精度探測(cè)的目標(biāo)[5]。

航天東方紅衛(wèi)星有限公司開展導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)測(cè)量GNSS-R技術(shù)、新型大氣成分探測(cè)技術(shù)等攻關(guān)工作，完成了新型小衛(wèi)星及其星座系統(tǒng)論證和設(shè)計(jì)。GNSS-R技術(shù)是通過(guò)接收目標(biāo)反射的導(dǎo)航信號(hào)來(lái)反演相應(yīng)目標(biāo)要素信息，該技術(shù)具有被動(dòng)接收、多信號(hào)源、全天候、資源(質(zhì)量/體積/功耗)占用小、成本低、可靠性高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)場(chǎng)、海面高度、有效波高、海水鹽度、冰川、積雪厚度、土壤濕度等氣象[6]、海洋和陸地領(lǐng)域多要素監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[7]，已成為國(guó)內(nèi)外遙感和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[8]。目前，國(guó)外已通過(guò)岸基、機(jī)載和星載等多種手段完成了GNSS-R技術(shù)的驗(yàn)證，并開始進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行階段，國(guó)內(nèi)已完成岸基、機(jī)載相關(guān)試驗(yàn)積累，急需星載驗(yàn)證，圖1為GNSS-R工作原理。

圖1 GNSS-R工作原理Fig.1 Working principle of GNSS reflection

航天東方紅衛(wèi)星有限公司配合航天科技集團(tuán)有限公司的海上發(fā)射任務(wù)，提出了星載GNSS-R技術(shù)衛(wèi)星方案，任務(wù)需求明確、技術(shù)得到突破、前期航空試驗(yàn)已有驗(yàn)證結(jié)果、低傾角發(fā)射等特點(diǎn)充分滿足首次海上發(fā)射的各項(xiàng)要求，采取了雙星組合探測(cè)的方案，型號(hào)名稱為“捕風(fēng)一號(hào)A/B衛(wèi)星”，簡(jiǎn)稱“捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星”，型號(hào)代號(hào)為“BF-1A/B”。BF-1衛(wèi)星成為中國(guó)首次海上發(fā)射衛(wèi)星。

BF-1衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)中國(guó)星載GNSS-R工程化實(shí)踐，完成演示驗(yàn)證和相關(guān)試驗(yàn)，挖掘其科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值，重點(diǎn)研究其在風(fēng)場(chǎng)測(cè)量方面的應(yīng)用潛力。項(xiàng)目由2顆技術(shù)狀態(tài)完全一致的衛(wèi)星在軌組成星座運(yùn)行，軌道高度約579 km、軌道傾角為45°，采用CZ-11 海射Y1運(yùn)載火箭進(jìn)行發(fā)射。

2 衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案

2.1 任務(wù)需求分析

中國(guó)氣象局《空天技術(shù)領(lǐng)域“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃建議報(bào)告》(2016)，瞄準(zhǔn)國(guó)家重大突發(fā)性天氣災(zāi)害(臺(tái)風(fēng)等)的應(yīng)急監(jiān)測(cè)與預(yù)警需求，建設(shè)、發(fā)展和完成中國(guó)臺(tái)風(fēng)高空探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)，獲取臺(tái)風(fēng)內(nèi)部第一手氣象要素資料，進(jìn)而提升中國(guó)對(duì)臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警能力。利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)可對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而反演臺(tái)風(fēng)風(fēng)速，即GNSS-R技術(shù)，該技術(shù)在臺(tái)風(fēng)風(fēng)速測(cè)量方面可作為現(xiàn)有手段的有益補(bǔ)充，可進(jìn)一步提高海面風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)精度。另外GNSS-R技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，能夠穿透臺(tái)風(fēng)眼壁的暴雨，收集風(fēng)暴內(nèi)核的數(shù)據(jù)，填補(bǔ)對(duì)臺(tái)風(fēng)眼區(qū)域的氣旋運(yùn)動(dòng)過(guò)程認(rèn)識(shí)的空白。

GNSS-R微波遙感技術(shù)屬于外源助動(dòng)遙感，兼有主動(dòng)遙感信噪比高、定位準(zhǔn)確、針對(duì)性強(qiáng)和被動(dòng)遙感設(shè)備簡(jiǎn)潔、方便，性價(jià)比高、系統(tǒng)維護(hù)成本低廉、穩(wěn)定安全、隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)。基本原理是利用GNSS星座作為多源L 波段微波外部發(fā)射源，通過(guò)星載GNSS接收機(jī)，獲取目標(biāo)物對(duì)GNSS電磁波的反射信號(hào)，分析其反射信號(hào)與 GNSS直接信號(hào)在強(qiáng)度、頻率、相位、極化方向等參數(shù)之間的變化，來(lái)反演目標(biāo)物的狀態(tài)。BF-1衛(wèi)星通過(guò)微納衛(wèi)星平臺(tái)搭載GNSS-R微波遙感器，應(yīng)用星載GNSS-R載荷獲取的數(shù)據(jù)，研制生產(chǎn)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)專題產(chǎn)品，在氣象領(lǐng)域開展業(yè)務(wù)化應(yīng)用，與氣象應(yīng)用主體業(yè)務(wù)高效銜接，以解決用戶的需求。

2.2 衛(wèi)星方案概述

BF-1衛(wèi)星采用CAST100衛(wèi)星平臺(tái)。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)為立方體構(gòu)型，采用分艙式設(shè)計(jì)方案，整星共設(shè)置兩個(gè)艙段，即有效載荷艙和平臺(tái)艙；機(jī)構(gòu)部分采用4個(gè)固定式太陽(yáng)翼和2個(gè)展開式太陽(yáng)翼，展開式太陽(yáng)翼每翼由太陽(yáng)翼基板和機(jī)構(gòu)部分組成，發(fā)射時(shí)折疊收攏壓緊，入軌展開后鎖定；堆棧組合體結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)全星電子線路板的集成，并提供承力。

衛(wèi)星熱控采用被動(dòng)為主、主動(dòng)熱控為輔的方案，以保證星上設(shè)備在各種環(huán)境條件和工作模式下正常工作。

衛(wèi)星姿態(tài)控制采用三軸穩(wěn)定、對(duì)地定向、偏置動(dòng)量控制設(shè)計(jì)方案。采用“星敏感器+陀螺”聯(lián)合定姿方式，并配置磁力矩器實(shí)現(xiàn)動(dòng)量輪卸載，實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。

衛(wèi)星采用體裝式太陽(yáng)電池陣+展開式太陽(yáng)電池陣，采用不調(diào)節(jié)母線和以集中供電為主的配電體制，為平臺(tái)和載荷提供一次母線+28 V，+5 V和±12 V三種電壓。

星務(wù)管理組件是整星信息系統(tǒng)的核心，采用分布式CAN+I2C總線網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)CAN+I2C總線，將星務(wù)主機(jī)與分布于星上的各組件有機(jī)地連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)星上信息交換和共享，實(shí)時(shí)地完成星上運(yùn)行管理、控制和任務(wù)調(diào)度。

星地測(cè)控采用X頻段擴(kuò)頻測(cè)控體制，遙控碼速率2 000 bit/s，遙測(cè)碼速率4 096 bit/s；采用GNSS/BD2雙模接收機(jī)提供實(shí)時(shí)定位信息，定位精度最高10 m(3個(gè)方向)。

②堤防(含穿堤建筑物)。南堤以南肩線為界，北堤堤外有調(diào)度河的至調(diào)度河北子堰外堤腳線征地紅線，無(wú)調(diào)度河的至北堤堤腳線外征地紅線。

對(duì)地?cái)?shù)傳采用X頻段，QPSK調(diào)制方式，固存容量64G，碼速率24 Mbit/s，通過(guò)相控陣天線右旋圓極化進(jìn)行對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸。

衛(wèi)星有效載荷為L(zhǎng)波段被動(dòng)雷達(dá)，通過(guò)接收導(dǎo)航星直達(dá)和反射信號(hào)進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)反演測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)海面風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的范圍為2～61.2 m/s。圖2為BF-1衛(wèi)星在軌示意，表1為BF-1衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)。

圖2 BF-1衛(wèi)星在軌示意Fig.2 On-orbit diagram of BF-1 satellite

表1 BF-1衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 觀測(cè)能力

考慮L波段被動(dòng)雷達(dá)對(duì)GNSS反射信號(hào)接收的信噪比和質(zhì)量，軌道高度不宜太高，BF-1衛(wèi)星軌道高度為579 km。中國(guó)周邊大部分海域緯度低于北緯41°，只要軌道傾角大于41°即可滿足對(duì)中國(guó)周邊海域的覆蓋；海上發(fā)射運(yùn)載火箭受發(fā)射地點(diǎn)選擇、航跡、落區(qū)等因素制約，選擇軌道傾角為45°，既能夠滿足對(duì)中國(guó)周邊海域的觀測(cè)需求，同時(shí)也能兼顧一帶一路沿線國(guó)家觀測(cè)需求。

L波段被動(dòng)雷達(dá)的波束指向分析還要考慮臺(tái)風(fēng)觀測(cè)的任務(wù)需求。臺(tái)風(fēng)核心區(qū)域的直徑約為300 km，其影響甚至可達(dá)2 200 km。BF-1星座在軌運(yùn)行示意如圖3所示。

圖3 BF-1星座在軌運(yùn)行Fig.3 On-orbit train diagram of BF-1 satellite constellation

既要保證臺(tái)風(fēng)核心區(qū)域的觀測(cè)，又要盡可能擴(kuò)大臺(tái)風(fēng)的觀測(cè)范圍。BF-1衛(wèi)星的觀測(cè)條帶的設(shè)計(jì)方法為：對(duì)于任一軌道高度，設(shè)計(jì)觀測(cè)條帶間的距離為300 km，衛(wèi)星需要能夠有效對(duì)臺(tái)風(fēng)核心區(qū)與臺(tái)風(fēng)影響范圍進(jìn)行觀測(cè)，在垂軌向波束寬度取44°的情況下，綜合鏡面反射點(diǎn)數(shù)的分布特點(diǎn)，最終確定GNSS-R反射信號(hào)接收天線的波束指向角為26°，接收機(jī)天線在衛(wèi)星兩側(cè)對(duì)稱安裝，波束覆蓋范圍和觀測(cè)能力如圖4所示。

圖4 反射信號(hào)接收機(jī)天線對(duì)地覆蓋示意Fig.4 Illustration of coverage of reflected signal receiving antenna

2.4 飛行程序與任務(wù)模式

根據(jù)用戶測(cè)量要素全、風(fēng)場(chǎng)測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高的使用需求及海上發(fā)射的任務(wù)特點(diǎn)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工作模式及任務(wù)模式，包括軌道控制模式、任務(wù)模式、安全模式等。設(shè)計(jì)的軌控工作模式包括：升軌模式、降軌模式、傾角調(diào)整模式。衛(wèi)星的飛行程序如圖5所示。安全模式包括姿態(tài)異常安全模式、能源安全模式、載荷安全模式、星務(wù)主機(jī)安全模式等，用于星上不同故障狀態(tài)時(shí)，衛(wèi)星可自主控制到安全運(yùn)行狀態(tài)下； 任務(wù)模式分別為時(shí)延-多普勒映射(delay-Doppler maps，DDM)記錄模式、DDM+原始數(shù)據(jù)記錄模式、原始數(shù)據(jù)記錄模式、邊記邊放模式、順序回放模式、按地址回放模式，可滿足任務(wù)需求。

圖5 BF-1飛行程序Fig.5 Flight procedure of BF-1 aatellite

3 衛(wèi)星任務(wù)特點(diǎn)

3.1 填補(bǔ)海面高精度風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)空白

傳統(tǒng)氣象衛(wèi)星以云頂測(cè)量等手段監(jiān)測(cè)風(fēng)速，難以高精度表征海表風(fēng)速，浮標(biāo)測(cè)風(fēng)數(shù)量少、離散，散射計(jì)測(cè)風(fēng)范圍有限，GNSS-R通過(guò)接收導(dǎo)航星反射信號(hào)可對(duì)風(fēng)速進(jìn)行精確測(cè)量[9]。BF-1衛(wèi)星定位為星載GNSS-R技術(shù)演示驗(yàn)證和科學(xué)試驗(yàn)，可以完成風(fēng)場(chǎng)內(nèi)核監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)氣旋中心熱動(dòng)力學(xué)探測(cè)的空白，高時(shí)空分辨率使得GNSS-R技術(shù)可以完成氣旋全壽命周期的監(jiān)測(cè)。GNSS-R技術(shù)還可以進(jìn)行海面浪高、海水鹽度和海冰厚度等要素的探測(cè)，探測(cè)要素豐富。在具備2～70 m/s范圍大風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的同時(shí)，風(fēng)速測(cè)量精度可以達(dá)2 m/s，優(yōu)于傳統(tǒng)手段。使其獲得的海面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)速)數(shù)據(jù)將試用于中國(guó)氣象局臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用體系。除此之外，還將在海浪、冰川、積雪、土壤濕度等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)反演試驗(yàn)工作，研究其應(yīng)用的可行性。

3.2 首次采用海上發(fā)射方案

BF-1衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)是中國(guó)首次采用海上發(fā)射方案，海上發(fā)射無(wú)傳統(tǒng)發(fā)射場(chǎng)和測(cè)控系統(tǒng)保障，如圖6所示，需對(duì)衛(wèi)星與發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)的接口及流程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

圖6 BF-1衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)與測(cè)控系統(tǒng)特點(diǎn)Fig.6 Characteristics of launch site and measurement and control system of BF-1 satellite

運(yùn)載火箭主動(dòng)段測(cè)控由安放在發(fā)射保障船上的移動(dòng)測(cè)控站完成，收到測(cè)控信號(hào)后一路傳輸至發(fā)射指揮船，一路通過(guò)中國(guó)衛(wèi)星通信集團(tuán)公司信號(hào)傳至北京。衛(wèi)星主動(dòng)段不加電，星箭分離后衛(wèi)星測(cè)控由航天馭星有限公司海外移動(dòng)測(cè)控站負(fù)責(zé)，收到信號(hào)后傳輸至北京數(shù)據(jù)中心，再經(jīng)運(yùn)控大廳傳輸至位于發(fā)射海域的移動(dòng)終端(基于互聯(lián)網(wǎng)VPN設(shè)備)，確保入軌測(cè)控任務(wù)的順利完成。

海上發(fā)射相對(duì)于陸地發(fā)射主要面臨了新流程、新環(huán)境和新?tīng)顟B(tài)。星箭一體化鐵路運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)及海上運(yùn)輸?shù)葘?duì)衛(wèi)星發(fā)射流程帶來(lái)了重大影響。海上發(fā)射衛(wèi)星面臨的新環(huán)境，相對(duì)以往更加惡劣：海邊測(cè)試廠區(qū)面臨雨水引發(fā)的高濕、高鹽分水汽侵?jǐn)_，在星箭組合體吊裝上船期間由于無(wú)法提供空調(diào)保障，就需要需嚴(yán)格控制操作時(shí)間；在發(fā)射船上，射前近小時(shí)空調(diào)停用、運(yùn)載起豎，海面的高濕、高鹽分水汽同樣會(huì)對(duì)衛(wèi)星有腐蝕影響；入軌點(diǎn)可具備的測(cè)控條件均與以往不同。為適應(yīng)于海上發(fā)射的新環(huán)境、新流程，必然導(dǎo)致衛(wèi)星出廠狀態(tài)、運(yùn)輸狀態(tài)與監(jiān)測(cè)、射前測(cè)試、發(fā)射歷程與飛行預(yù)案等呈現(xiàn)許多新?tīng)顟B(tài)。型號(hào)隊(duì)伍通過(guò)對(duì)“三新”細(xì)致分析，梳理每個(gè)環(huán)節(jié)可能存在的問(wèn)題，制定衛(wèi)星出廠前加注、運(yùn)輸力學(xué)跑車試驗(yàn)、全流程溫濕度監(jiān)測(cè)、發(fā)射前保障船工作等應(yīng)對(duì)措施，并進(jìn)行了有效控制，確保了海上首次發(fā)射衛(wèi)星的成功，并形成相應(yīng)文件，為衛(wèi)星海上發(fā)射積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。BF-1衛(wèi)星出廠及發(fā)射流程如圖7所示。

圖7 BF-1衛(wèi)星出廠及發(fā)射流程Fig.7 Delivery and launch process of BF-1 satellite

3.3 星地一體化數(shù)據(jù)反演

相比科學(xué)目標(biāo)和應(yīng)用目標(biāo)，衛(wèi)星研制、發(fā)射的工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)較易，但面向科學(xué)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)反演。傳統(tǒng)的做法是衛(wèi)星發(fā)射后，地面應(yīng)用系統(tǒng)相繼開展數(shù)據(jù)反演相關(guān)的一些模型和算法研究，這對(duì)于對(duì)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域的緊迫需求是不相適應(yīng)的，因此衛(wèi)星研制過(guò)程中同步開展地面數(shù)據(jù)反演工作研究，組織完成建模和算法設(shè)計(jì)，確?！靶l(wèi)星上天、數(shù)據(jù)落地、測(cè)試試用”一氣呵成，最大程度發(fā)揮衛(wèi)星應(yīng)用效能，即衛(wèi)星與數(shù)據(jù)處理反演算法同步開展，通過(guò)探討用戶產(chǎn)品服務(wù)模式，積累改進(jìn)提高的經(jīng)驗(yàn)與水平。

3.4 創(chuàng)新性的數(shù)據(jù)中心

創(chuàng)新性地建立了衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心，拓展公司業(yè)務(wù)能力，為解決后續(xù)自研項(xiàng)目“在軌測(cè)控難”“載荷數(shù)據(jù)落地難”的問(wèn)題，為后續(xù)“先行先試”項(xiàng)目論證提供支持，依托BF-1衛(wèi)星建立的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心，形成公司自研型號(hào)完整的在軌能力；同時(shí)也為促進(jìn)公司從衛(wèi)星集成商到衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)提供商的轉(zhuǎn)變，提升公司在衛(wèi)星工程大系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的能力，帶動(dòng)合作專業(yè)廠所向衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

4 在軌測(cè)試與性能比較

4.1 在軌測(cè)試與運(yùn)行情況

衛(wèi)星入軌后，進(jìn)行了1周的工程測(cè)試，衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷均工作正常，設(shè)備處于主份工作狀態(tài)。

入軌后20天，兩星建立45°相位間隔星座，兩星實(shí)現(xiàn)全軌道圈載荷工作，數(shù)據(jù)記錄、接收正確。

在后續(xù)在軌測(cè)試流程中，先后完成載荷性能測(cè)試評(píng)估、風(fēng)場(chǎng)反演精度評(píng)價(jià)、產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)與驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果表明，載荷性能穩(wěn)定，反演精度滿足設(shè)計(jì)要求。

捕風(fēng)衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)順利完成了L0、L1和L2級(jí)數(shù)據(jù)處理與生成。衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成了各級(jí)數(shù)據(jù)處理，原始數(shù)據(jù)接收成功率達(dá)99.9%以上，有效數(shù)據(jù)產(chǎn)品處理成功率優(yōu)于90%，利用大洋浮標(biāo)和再分析場(chǎng)完成了1級(jí)數(shù)據(jù)風(fēng)場(chǎng)等反演可用性評(píng)估，評(píng)估表明數(shù)據(jù)可用于風(fēng)速反演應(yīng)用，符合2 m/s或10%的風(fēng)速反演對(duì)資料處理精度的設(shè)計(jì)要求，具備海面風(fēng)場(chǎng)業(yè)務(wù)試運(yùn)行能力。

作為中國(guó)首個(gè)GNSS-R海面風(fēng)速探測(cè)衛(wèi)星，在軌獲得了良好的DDM探測(cè)信號(hào)，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲得了1級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，得到了可用于風(fēng)速反演的特征觀測(cè)量。捕風(fēng)一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星1級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品包含15個(gè)數(shù)據(jù)變量，包括觀測(cè)時(shí)間參數(shù)(week，second，time_utc)，觀測(cè)時(shí)刻捕風(fēng)衛(wèi)星位置速度參數(shù)(remote_ecef)，導(dǎo)航衛(wèi)星類型、PRN和位置速度(gnss_type，gnss_prn，gnss_ecef)，鏡面點(diǎn)位置速度和反射信號(hào)角度(reflect_ecef，elevation_angle)，以及觀測(cè)特征量降采樣DDM、功率校準(zhǔn)DDM、信噪比和NBRCS(ddm_0，ddm，ddm_snr和NBRCS)。圖8為處理后中國(guó)首幅功率校準(zhǔn)GPS-R衛(wèi)星DDM圖，圖9為基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的世界首幅典型功率校準(zhǔn)BDS-R衛(wèi)星DDM圖，有望實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星的拓展應(yīng)用。

圖8 中國(guó)首幅GPS-R衛(wèi)星DDM圖Fig.8 The first GPS-R satellite DDM picture of China

圖9 世界首幅BDS-R衛(wèi)星DDM圖Fig.9 The first BDS-R satellite DDM picture of the world

BF-1A/B衛(wèi)星在軌已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行24個(gè)月，整星所有系統(tǒng)均工作正常、穩(wěn)定，整星無(wú)常駐故障或影響用戶使用的問(wèn)題存在，在軌表現(xiàn)良好。衛(wèi)星各項(xiàng)功能指標(biāo)正常，各項(xiàng)性能指標(biāo)均在正常范圍之內(nèi)，衛(wèi)星運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)良好。

4.2 主要性能比較

BF-1衛(wèi)星與國(guó)際同類衛(wèi)星CYGNSS ATBD結(jié)果比對(duì)[10]如圖10所示。反演得到的結(jié)果與參考風(fēng)速之差隨鏡面點(diǎn)入射角的變化趨勢(shì)，其中越暗紅，表明這類結(jié)果出現(xiàn)的頻次越高[11]。兩者反演風(fēng)速與參考風(fēng)速偏差隨入射角的變化特性非常一致，風(fēng)速偏差高密度區(qū)域均集中在同標(biāo)尺范圍內(nèi)，兩者反演風(fēng)速與參考風(fēng)速偏差、參考風(fēng)速的變化特性一致，捕風(fēng)數(shù)據(jù)結(jié)果在5～10 m/s區(qū)域顯示出更好的數(shù)據(jù)聚集性，捕風(fēng)衛(wèi)星部分覆蓋西風(fēng)帶，有比CYGNSS更多的相對(duì)高風(fēng)速數(shù)據(jù)結(jié)果[12-13]。

圖10 BF-1與CYGNSS ATBD結(jié)果比對(duì)Fig.10 ATBD comparison of BF-1 satellite and CYGNSS

在風(fēng)速較低的情況下，反演偏差對(duì)稱性較好，偏差比較集中；隨著風(fēng)速的提高，風(fēng)速偏差分布也逐漸增大，這與特征觀測(cè)量隨風(fēng)速提高的靈敏度降低以及觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比降低等因素密切相關(guān)，也是后續(xù)提升反演性能需要重點(diǎn)處理的關(guān)注所在。

對(duì)BF-1衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了風(fēng)速反演分析，同GNSS-R同類型觀測(cè)模式CYGNSS的相關(guān)結(jié)果作為比對(duì)，對(duì)風(fēng)速反演的性能做評(píng)估[14]。圖11給出了反演獲得BF-1 A、B雙星及CYGNSS星座8顆衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果。其中BF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)為采用NBRCS數(shù)據(jù)獲得的2級(jí)風(fēng)速，CYGNSS為融合NBRCS和LES觀測(cè)量反演數(shù)據(jù)的3級(jí)風(fēng)速產(chǎn)品。比對(duì)數(shù)據(jù)可以很明顯看到兩者數(shù)據(jù)具有很好的一致性，如日本東側(cè)太平洋區(qū)域、馬達(dá)加斯加島附近有明顯的低風(fēng)速區(qū)域，而孟加拉灣和西風(fēng)帶具有明顯的高風(fēng)速區(qū)域。比對(duì)數(shù)據(jù)可以很明顯看到兩者數(shù)據(jù)具有很好的一致性，但由于捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星僅有A、B雙星，觀測(cè)數(shù)據(jù)量明顯少于CYGNSS星座，可用于反演的反演特征量較少，數(shù)據(jù)產(chǎn)品中離散出現(xiàn)的高風(fēng)速數(shù)據(jù)點(diǎn)較CYGNSS偏多，后續(xù)通過(guò)提取更多的數(shù)據(jù)特征量和反演算法的進(jìn)一步改進(jìn)有望得到改善。

圖11 BF-1和CYGNSS同日觀測(cè)反演數(shù)據(jù)比對(duì)Fig.11 Comparison of the retrievals of BF-1and CYGNSS L3 data in the same day

5 結(jié)論

BF-1衛(wèi)星的研制，是中國(guó)星載GNSS-R關(guān)鍵技術(shù)的突破，全鏈路驗(yàn)證了國(guó)內(nèi)探測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理能力和所得的數(shù)據(jù)產(chǎn)品特性；基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的探測(cè)信號(hào)有望實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星的拓展應(yīng)用；基于微小衛(wèi)星平臺(tái)風(fēng)場(chǎng)組網(wǎng)探測(cè)為未來(lái)GNSS-R空間體系完善提供豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

BF-1 A/B衛(wèi)星目前采用單極化測(cè)量方式，只能通過(guò)前向散射探測(cè)海面風(fēng)速，無(wú)法探測(cè)風(fēng)向，影響業(yè)務(wù)化應(yīng)用。因此，需要在后續(xù)星座中增加交叉極化探測(cè)手段，通過(guò)后向散射探測(cè)海面風(fēng)向，滿足氣象預(yù)報(bào)模型數(shù)據(jù)需求，增強(qiáng)衛(wèi)星探測(cè)能力，補(bǔ)齊風(fēng)向測(cè)量要素?；诓讹L(fēng)一號(hào)衛(wèi)星基礎(chǔ)，積極開展后續(xù)星座設(shè)計(jì)工作，拓展組網(wǎng)規(guī)模，提升觀測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)全球小時(shí)級(jí)的區(qū)域重訪，為氣象等行業(yè)提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。增強(qiáng)北斗信號(hào)探測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)支持的GNSS-R技術(shù)體系，發(fā)揮北斗信號(hào)寬帶寬優(yōu)勢(shì)，提升數(shù)據(jù)精度。增加掩星探測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)大氣探測(cè)與電離層監(jiān)測(cè)功能。聯(lián)合各類科研、應(yīng)用機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)共享，拓展衛(wèi)星應(yīng)用。