FY-3D 衛(wèi)星的北斗掩星分布特征與誤差特性*

劉 艷 孟祥廣 ,, 白偉華 ,, 孫越強(qiáng) ,, 廖 蜜 韓 英

1(中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心 北京 100081)

2(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 北京 100190)

3(中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心 北京 100081)

4(北京石油化工學(xué)院數(shù)理系 北京 102617)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）掩星（Radio Occultation，RO）探測(cè)是一種新型的地球大氣探測(cè)技術(shù)，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地獲得地球大氣的三維結(jié)構(gòu)。GNSS 發(fā)射的電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，由于受到電離層和大氣介質(zhì)折射的影響，信號(hào)傳播路徑會(huì)發(fā)生彎曲，導(dǎo)致低軌衛(wèi)星（LEO）接收到的信號(hào)出現(xiàn)延遲。通過(guò)信號(hào)延遲可以推算得到大氣折射指數(shù)以及電離層的電子密度[1]。掩星觀測(cè)具有高精度、高垂直分辨率、全天候、全球覆蓋、無(wú)系統(tǒng)偏差等優(yōu)勢(shì)，因此其對(duì)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、全球氣候變化以及空間天氣的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)至關(guān)重要[2]。

最早的地球大氣掩星探測(cè)項(xiàng)目可追溯到1995 年美國(guó)Microlab-1 衛(wèi)星上的GPS/MET（Global Positioning System/Meteorology）掩星試驗(yàn)，該試驗(yàn)從理論與實(shí)踐兩方面證明了掩星技術(shù)可以精確探測(cè)地球大氣[3,4]，并促進(jìn)了其他掩星探測(cè)計(jì)劃的發(fā)展，例如德國(guó)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年中國(guó)臺(tái)灣與美國(guó)合作的COSMIC（Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate）項(xiàng)目由6 顆低軌衛(wèi)星組成星座，資料量顯著增加且可近實(shí)時(shí)獲取，開(kāi)始了掩星探測(cè)技術(shù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的業(yè)務(wù)應(yīng)用[8]。繼COSMIC 之后，歐盟氣象衛(wèi)星METOP[9,10]和中國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星也開(kāi)始搭載掩星載荷[11-13]。2019 年發(fā)射的COSMIC-2 衛(wèi)星是COSMIC 的后續(xù)計(jì)劃，由6 顆LEO 衛(wèi)星組成低緯度星座，同時(shí)接收GPS 和GLONASS 的信號(hào)，并達(dá)到了迄今為止掩星載荷的最高信噪比，可以更有效探測(cè)大氣低層信息，提高數(shù)據(jù)精度[14,15]。

風(fēng)云氣象衛(wèi)星自2013 年9 月發(fā)射的FY-3C 衛(wèi)星開(kāi)始搭載掩星載荷GNOS（GNSS Occultation Sounder），該載荷可實(shí)現(xiàn)北斗（BDS）和GPS 掩星的同時(shí)探測(cè)。繼FY-3C 之后，所有風(fēng)云極軌衛(wèi)星都計(jì)劃搭載GNOS 載荷。目前在軌的有FY-3C 和2017年11 月發(fā)射的FY-3D 兩顆衛(wèi)星。自GNOS 開(kāi)始提供數(shù)據(jù)以來(lái)，利用GNOS 數(shù)據(jù)開(kāi)展了各種研究，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)估和算法改進(jìn)[16-21]以及科學(xué)研究等[22,23]。GNOS 的GPS 掩星數(shù)據(jù)已在中國(guó)氣象局[13]和國(guó)外主要數(shù)值預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)中應(yīng)用[24]。

但是與GPS 掩星相比，GNOS 北斗掩星只有一些初步的結(jié)果[17,18,23]，無(wú)論研究還是應(yīng)用都嚴(yán)重滯后，因此需要加強(qiáng)北斗掩星的研究。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的軌道與其他導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道不相同，是國(guó)際上唯一由中地球軌道（MEO）、同步靜止軌道（GEO）及傾斜同步軌道（IGSO）三種軌道組成的混合星座導(dǎo)航系統(tǒng)。這些特有的空間幾何結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)掩星事件的分布以及精密定軌造成影響。FY-3C 和FY-3D 發(fā)射時(shí)，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)尚未滿(mǎn)星座運(yùn)行，GNOS 接收的是北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，該導(dǎo)航系統(tǒng)主要在亞太地區(qū)上空運(yùn)行，會(huì)造成很多區(qū)域觀測(cè)不到參考星，影響掩星數(shù)據(jù)的精度。因此，需要結(jié)合掩星數(shù)據(jù)反演過(guò)程，研究北斗掩星數(shù)據(jù)精度是否與其他GNSS 掩星數(shù)據(jù)精度一致，這是北斗掩星數(shù)據(jù)能否被廣泛應(yīng)用的前提。目前北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)已于2020 年實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，F(xiàn)Y-3E 及其后續(xù)衛(wèi)星將接收北斗三代導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，也需要研究北斗掩星數(shù)據(jù)的誤差特征，為GNOS探測(cè)器的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

本文利用FY-3D 的GNOS 北斗掩星數(shù)據(jù)以及ECMWF 的第5 代再分析資料ERA5 作為精度評(píng)估的第三方數(shù)據(jù)，分析GNOS 的BDS 掩星數(shù)據(jù)精度以及誤差特征。

1 GNOS 載荷與反演方法

GNOS 是搭載于風(fēng)云氣象衛(wèi)星上的掩星探測(cè)儀器，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研制，是國(guó)際上首臺(tái)北斗與GPS 雙衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的星載掩星探測(cè)儀[13]。該載荷由3 副天線、3 臺(tái)射頻單元和1 臺(tái)數(shù)據(jù)處理單元組成，其采用了低噪聲射頻前端技術(shù)，高動(dòng)態(tài)、高靈敏度信號(hào)捕獲跟蹤技術(shù)，以及相位中心穩(wěn)定天線技術(shù)等多種技術(shù)手段。在設(shè)計(jì)上充分考慮GPS 與BDS 信號(hào)的差異，兼顧了中性大氣和電離層的探測(cè)需求，探測(cè)范圍覆蓋了800 km 直到近地面的高度區(qū)間[12,13]。GNOS 大氣掩星的數(shù)據(jù)處理包括以下步驟。

步驟1獲取導(dǎo)航衛(wèi)星的精密星歷和精密鐘差等輔助數(shù)據(jù)，利用GNOS 定位觀測(cè)數(shù)據(jù)和上述輔助數(shù)據(jù)，進(jìn)行低軌衛(wèi)星LEO 精密定軌，得到LEO 精密軌道和GNOS 接收機(jī)精密鐘差。

步驟2利用步驟1 的數(shù)據(jù)以及大氣層掩星數(shù)據(jù)，消除掩星信號(hào)觀測(cè)鏈上的各種誤差，提取出大氣層附加相位量。

步驟3利用大氣層附加相位數(shù)據(jù)，使用ROPP軟件[25]反演得到各級(jí)大氣掩星數(shù)據(jù)，包括大氣彎曲角、折射率以及溫度和氣壓等。

GNOS 的GPS 掩星探測(cè)采用先進(jìn)的開(kāi)環(huán)追蹤技術(shù)，極大地改善了對(duì)流層低層的探測(cè)問(wèn)題，但是北斗掩星由于接收B1 I 頻段的碼速率比較大，導(dǎo)致接收機(jī)內(nèi)部使用的多普勒模型不能滿(mǎn)足通過(guò)北斗B1 I 偽距碼跟蹤北斗B1 I 的精度，因此GNOS 的北斗掩星探測(cè)目前仍使用閉環(huán)跟蹤技術(shù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

論文使用的數(shù)據(jù)為國(guó)家衛(wèi)星氣象中心*http://satellite.nsmc.org.cn/PortalSite/Data/Satellite.aspx2018 年1－3 月FY-3D 的GNOS 北斗掩星折射率數(shù)據(jù)。第三方評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF第5 代再分析資料ERA5，比較FY-3D 的北斗掩星折射率與ERA5 計(jì)算的折射率之間的差異。折射率計(jì)算公式為

其中，P為氣壓（單位hPa），T 為溫度（單位K），e為水氣壓（單位hPa）。根據(jù)式（1），利用ERA5 資料的溫度、濕度和壓力場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到折射率。

評(píng)估方法是分析FY-3D 的北斗折射率數(shù)據(jù)與ERA5 計(jì)算的折射率數(shù)據(jù)的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差。由于折射率的數(shù)據(jù)量級(jí)從地面的400N左右隨高度指數(shù)遞減，到50 km 時(shí)只有零點(diǎn)幾個(gè)單位N，因此平均偏差均采用ERA5 計(jì)算的折射率進(jìn)行歸一化處理，即分析的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，No表示觀測(cè)折射率，Nb表示ERA5 計(jì)算的折射率。

由于掩星數(shù)據(jù)與ERA5 再分析資料的時(shí)空分辨率不同，為能夠比較，需要進(jìn)行時(shí)空匹配。時(shí)間匹配方法是，將ERA5 分析時(shí)間前后3 h 內(nèi)的掩星數(shù)據(jù)都?xì)w為當(dāng)前時(shí)間內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，空間匹配是以雙線性插值方法將掩星周?chē)? 個(gè)點(diǎn)的ERA5 資料插值到掩星觀測(cè)點(diǎn)上。最后，將觀測(cè)值與ERA5 計(jì)算的折射率在垂直方向做lgN插值，分別插值到400 m 間隔的高度上。ERA5 數(shù)據(jù)的最高高度約在50 km，因此本文分析0～50 km 范圍內(nèi)北斗數(shù)據(jù)的精度和統(tǒng)計(jì)特征。

由于電磁波信號(hào)出錯(cuò)等原因，可能存在錯(cuò)誤的掩星數(shù)據(jù)或者離模擬值很遠(yuǎn)的離群觀測(cè)，因此采用GRAPES 模式對(duì)風(fēng)云衛(wèi)星GPS 掩星同樣的質(zhì)量控制方法來(lái)剔除錯(cuò)誤和離群數(shù)據(jù)。首先，在背景場(chǎng)檢查中，如果掩星廓線歸一化后的平均偏差有超過(guò)100%的數(shù)據(jù)，則剔除整根廓線；其次，如果整根廓線的平均偏差超過(guò)了20%的觀測(cè)達(dá)到12%以上，則剔除整根廓線；最后，將掩星廓線中平均偏差超過(guò)10%以上觀測(cè)標(biāo)志為缺測(cè)。

對(duì)于任何匹配的樣本，可以利用如下公式計(jì)算其平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差，即

式中，下標(biāo)i代表第i對(duì)匹配的掩星，n代表匹配的樣本總數(shù)，表示平均偏差，σ表示平均標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果分析

3.1 掩星事件分布及數(shù)量

掩星事件發(fā)生在GNSS 與LEO 衛(wèi)星之間的切點(diǎn)位置。FY-3D 軌道高度在830 km 以上，軌道傾角接近98.7°。北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由5 顆GEO、5 顆IGSO 和4 顆MEO 衛(wèi)星組成，并主要位于亞太地區(qū)上空，這些特點(diǎn)決定了北斗掩星事件的分布特征。圖1 給出了BDS 掩星事件分布情況。由圖1 可以看出，由于GEO 衛(wèi)星位于赤道上空，相對(duì)地面保持靜止不動(dòng)，因此GEO-LEO 掩星事件主要分布在緯度60°－90°南北極區(qū)范圍內(nèi)，并沿衛(wèi)星軌道呈弧形帶狀分布。IGSO 衛(wèi)星在中國(guó)上空呈8 字形運(yùn)行，IGSO衛(wèi)星的分布和運(yùn)行狀況造成IGSO-LEO 掩星事件在低緯度地區(qū)形成一小一大兩個(gè)空洞，并且東半球的掩星事件多于西半球的掩星事件。MEO 衛(wèi)星軌道高度與GPS 的衛(wèi)星軌道高度類(lèi)似，掩星分布與GPS 的掩星分布類(lèi)似，全球均勻分布。FY-3D 的GNOS 接收機(jī)有6 個(gè)北斗掩星通道，其與FY-3D 衛(wèi)星的軌道特點(diǎn)以及北斗軌道的空間結(jié)構(gòu)共同決定了北斗掩星的數(shù)量（見(jiàn)表1）。由表1 可見(jiàn)：約70%的掩星事件發(fā)生在東半球，30%的掩星事件發(fā)生在西半球；GEO、IGSO 和MEO 這三類(lèi)掩星中以IGSO 掩星數(shù)量最多，約占40%。圖2 給出的是2018 年1－3 月間GNOS 北斗掩星數(shù)量的時(shí)間演變，F(xiàn)Y-3D 平均每天接收約170 次北斗掩星事件。

圖2 FY-3D 衛(wèi)星每天的北斗掩星數(shù)量Fig.2 Numbers of Beidou RO in FY-3D satellite

表1 不同軌道的GNOS 北斗掩星數(shù)量和占比Table 1 Number and proportion of GNOS Beidou RO in different orbits

圖1 2018 年1 月1 日至3 月31 日期間FY-3D 衛(wèi)星北斗掩星事件的水平分布（藍(lán)點(diǎn)為靜止軌道掩星，紅點(diǎn)為傾斜軌道掩星，綠點(diǎn)為中地球軌道掩星）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 探測(cè)的最低高度

掩星能夠探測(cè)到的最低深度是考查其探測(cè)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。由于受水氣影響，在對(duì)流層低層會(huì)引進(jìn)多路徑傳播誤差、接收機(jī)追蹤誤差以及超折射誤差等各種誤差，因此在4 km 以下掩星的探測(cè)能力受限，能夠穿過(guò)復(fù)雜大氣到達(dá)近地面的廓線比例降低。圖3 給出了掩星資料按其所在經(jīng)緯度位置分別劃分到10°×10°格點(diǎn)上后，統(tǒng)計(jì)得到的各格點(diǎn)上GNOS 探測(cè)到的平均最低高度。從圖3 可看到，BDS 掩星探測(cè)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蹤采用閉環(huán)方法，其主要缺點(diǎn)是不容易跟蹤到對(duì)流層低層信號(hào)，尤其是在大氣邊界層以下。南北兩極高緯度地區(qū)的探測(cè)深度大都能到達(dá)4 km 以下，這可能與高緯地區(qū)的水氣少、反演過(guò)程受影響少有關(guān)。從圖3 中還發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，太平洋上空北斗掩星的探測(cè)高度普遍高于其他海域，并且南半球太平洋上探測(cè)的高度又是最高的，該現(xiàn)象值得進(jìn)一步研究。

圖3 FY-3D 的北斗掩星探測(cè)到的平均最低高度Fig.3 Average minimum altitude detected by FY-3D’s Beidou occultation

3.3 與ERA5 計(jì)算折射率的比較

利用第3 節(jié)的質(zhì)量控制方法，給出如圖4 所示質(zhì)量控制前（紅線）/后（黑線）的折射率廓線。由圖4 可以看出，被剔除掉的廓線大部分是14 km 以下和30 km 以上出現(xiàn)了異常的廓線，14 km 以下的異常廓線主要因?yàn)樾盘?hào)探測(cè)不到更低的高度，導(dǎo)致反演出異常，而30 km 以上的異常廓線主要與電離層影響有關(guān)。圖4 中質(zhì)量控制前共有13098 根廓線，質(zhì)量控制后有12539 根廓線，剔除率約為4.3%。質(zhì)量控制后上升掩星有7008 根，下降掩星有5531 根，其各自所占比例分別約為56%和44%，其中上升掩星的剔除率為4%，下降掩星的剔除率為5%。以下數(shù)據(jù)精度分析和誤差統(tǒng)計(jì)特征都是基于質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)得到的。

圖4 質(zhì)量控制前（紅色）/后（黑色）的折射率數(shù)據(jù)Fig.4 Refractivity before (red) and after (black)quality control

圖5 所示為北斗掩星折射率與ERA5 計(jì)算的折射率相比，其平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差。可以看到，在掩星觀測(cè)的核心區(qū)域，即8～35 km 高度范圍內(nèi)，北斗折射率與ERA5 折射率非常一致，平均偏差在0 附近，標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.0%以?xún)?nèi)，反映了掩星觀測(cè)無(wú)偏的特點(diǎn)。在8 km 高度以下范圍，平均偏差最大值約為3.8%，標(biāo)準(zhǔn)差最大值約為6%；在35 km 高度以上，平均偏差在2%以?xún)?nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差在6%以?xún)?nèi)。北斗掩星的標(biāo)準(zhǔn)差比GPS 掩星的略高0.5%～1%，但是統(tǒng)計(jì)特征非常一致，表明地球大氣的掩星探測(cè)不依賴(lài)于特定的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。從圖5 中還可以看到，參與統(tǒng)計(jì)的廓線有12500 多根，但在高度15 km 以下和42 km 以上區(qū)域，BDS 掩星的數(shù)量下降很快。15 km 以下的問(wèn)題與BDS 掩星沒(méi)有使用開(kāi)環(huán)跟蹤技術(shù)有關(guān)，閉環(huán)方法很難追蹤到大氣低層信號(hào)，并且容易出現(xiàn)系統(tǒng)性的負(fù)折射率偏差；而42 km 以上的問(wèn)題，與大氣稀薄，折射指數(shù)本身量級(jí)很小，數(shù)據(jù)反演過(guò)程（例如電離層的影響、優(yōu)化估計(jì)模型的選擇等）的誤差容易被放大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降有關(guān)。

圖5 觀測(cè)總數(shù)（黑實(shí)線）以及折射率觀測(cè)與ERA5再分析資料計(jì)算的折射率平均偏差（紅虛線）和標(biāo)準(zhǔn)差（紅實(shí)線）。O 表示觀測(cè)折射率，B 表示ERA5 計(jì)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

北斗衛(wèi)星有三種軌道，其中GEO 和IGSO 衛(wèi)星分布在亞太地區(qū)上空，衛(wèi)星高度相對(duì)較高，且運(yùn)行速度較慢，MEO 衛(wèi)星軌道高度與GPS 相似。北斗系統(tǒng)特有的空間幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)會(huì)對(duì)精密定軌造成影響。為進(jìn)一步分析北斗衛(wèi)星不同軌道對(duì)折射率反演的影響，分別統(tǒng)計(jì)了MEO、IGSO 和GEO 這三類(lèi)掩星與ERA5 計(jì)算的折射率的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差（見(jiàn)圖6）。MEO 與IGSO 掩星的統(tǒng)計(jì)特征比較一致，GEO 掩星在35 km 以上的偏差大于IGSO 和MEO掩星，可能與GEO 是靜止衛(wèi)星，精密定軌難度最大有關(guān)[22]，但是這三類(lèi)掩星的標(biāo)準(zhǔn)差都比較接近。在35 km 高度以下，GEO 掩星的偏差和標(biāo)準(zhǔn)差明顯小于IGSO 和MEO 掩星。

圖6 GEO、IGSO 和MEO 掩星與ERA5 再分析資料計(jì)算的折射率的平均偏差（虛線）和標(biāo)準(zhǔn)差（實(shí)線）Fig.6 Mean bias (dashed line) and standard deviation(solid line) of GEO，IGSO and MEO refractivity compared with ERA5 reanalysis

圖7 給出的是區(qū)分了上升掩星和下降掩星后，掩星折射率觀測(cè)值與ERA5 折射率偏差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)大樣本而言，上升掩星和下降掩星的統(tǒng)計(jì)特征應(yīng)該是一致的。從圖7 中可發(fā)現(xiàn)，GEO 上升和下降掩星在高層出現(xiàn)了分叉，MEO 和IGSO 沒(méi)有系統(tǒng)性偏差，但這三類(lèi)掩星在低層都是下降掩星的偏差小于上升掩星，而在高層下降掩星的偏差大于上升掩星。這個(gè)結(jié)果與掩星觀測(cè)的幾何過(guò)程有關(guān)，下降（上升）掩星在高層（低層）跟蹤有一個(gè)從捕獲到跟蹤的穩(wěn)定過(guò)程，而在低層（高層）則是下降（上升）掩星由跟蹤到失鎖的過(guò)程，因此下降掩星的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量在低層好于上升掩星，在高層上升掩星則好于下降掩星。

圖7 上升掩星和下降掩星與ERA5 再分析資料計(jì)算的折射率的平均偏差（虛線）和標(biāo)準(zhǔn)差（實(shí)線）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

在不同的緯度帶，由于水氣條件不同，對(duì)掩星數(shù)據(jù)的反演精度也會(huì)造成影響。圖8 以南北緯60°－90°代表高緯地區(qū)，30°N－30°S 代表低緯度地區(qū)，南北緯30°－60°代表中緯地區(qū)，劃分了3 個(gè)區(qū)域，研究北斗折射率在這些緯度帶的特點(diǎn)。從不同緯度帶的統(tǒng)計(jì)特征看，35 km 以下區(qū)域有相似的誤差結(jié)構(gòu)，高緯度地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，中緯度地區(qū)次之，低緯度地區(qū)最高；在35 km 以上，高緯地區(qū)的偏差最大。

圖8 不同區(qū)域的掩星觀測(cè)與ERA5 計(jì)算折射率的平均偏差（虛線）和標(biāo)準(zhǔn)差（實(shí)線）（a）以及掩星數(shù)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 討論與結(jié)論

GNOS 掩星載荷實(shí)現(xiàn)了北斗掩星的觀測(cè)，對(duì)于拓展北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在氣象和空間天氣領(lǐng)域的應(yīng)用，以及利用掩星技術(shù)擺脫對(duì)單一導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴(lài)具有重要意義。通過(guò)對(duì)FY-3D 衛(wèi)星的GNOS 北斗掩星折射率數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論。

（1）受北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道分布、北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星未滿(mǎn)星座運(yùn)行以及FY-3D 軌道高度和傾角的共同影響，F(xiàn)Y-3D 的GEO 掩星事件主要分布在南北兩極的高緯度地區(qū)，IGSO 掩星事件在東西半球的低緯度地區(qū)分別形成一小一大兩個(gè)空洞，尤其是在中國(guó)和大洋洲區(qū)域，MEO 掩星全球均勻分布。北斗掩星事件在東半球多于西半球。

（2）北斗掩星折射率數(shù)據(jù)精度在探測(cè)的核心區(qū)域，即12～32 km 高度范圍內(nèi)，與ERA5 再分析資料計(jì)算的折射率相比，平均偏差的標(biāo)準(zhǔn)差約為1.5%，在12 km 以下和35 km 以上，標(biāo)準(zhǔn)差從1.5%逐漸增大到6%。

（3）GEO 掩星數(shù)據(jù)的平均偏差在35 km 以上略大于IGSO 和MEO 掩星，但標(biāo)準(zhǔn)差比這兩類(lèi)掩星小。下降掩星在20 km 以上區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差高于上升掩星，但20 km 以下區(qū)域小于上升掩星。

（4）高緯地區(qū)北斗掩星數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，中緯度區(qū)域次之，低緯度地區(qū)最大，在對(duì)流層中下層尤其明顯。

從研究結(jié)果分析，風(fēng)云衛(wèi)星的北斗掩星數(shù)據(jù)精度較高，其數(shù)據(jù)精度和誤差特征與GPS 掩星數(shù)據(jù)一致。目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全球滿(mǎn)星座運(yùn)行，GNOS 也可增加更多的北斗掩星通道，從而獲得更多的北斗掩星數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升北斗掩星數(shù)據(jù)的科學(xué)研究和應(yīng)用價(jià)值。

由于北斗B1 I 的碼速率是2 MHz，GPS L1/CA的碼速率是1 MHz，北斗B1 I 偽距碼長(zhǎng)為GPS L1/CA 偽距碼長(zhǎng)的一半，目前接收機(jī)內(nèi)部使用的多普勒模型僅能達(dá)到通過(guò)GPS L1/CA 偽距碼跟蹤L1 信號(hào)的精度，不能滿(mǎn)足通過(guò)北斗B1 I 偽距碼跟蹤北斗B1 I 的精度，導(dǎo)致GNOS 的北斗掩星尚未實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)跟蹤技術(shù)，對(duì)4 km 以下大氣的探測(cè)能力遠(yuǎn)低于GPS 掩星，這是將來(lái)需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。