极化掩星技术最新进展简介

1 引言

在气象监测技术的持续演进中，极化掩星技术（PRO）作为一颗耀眼的新星，正逐步改变着我们对大气环境监测的方式。该技术凭借其独特的观测原理和强大的功能，为气象研究和预报带来了前所未有的精度和洞察力。

2 技术原理

传统的全球导航卫星系统（GNSS）无线电掩星（RO）技术，通过测量卫星信号在穿过大气层时的路径弯曲和相位延迟，反演大气的折射率、温度、湿度等参数。这一技术虽然在全球大气廓线监测中发挥了重要作用，但在面对降水和云层微物理结构的探测时，雨滴的散射与吸收效应仅表现为整体相位延迟，难以提取降水强度的垂直结构信息。

极化掩星技术的出现，成功突破了这一困境。它创新性地引入了双极化测量概念，通过同步测量 GNSS 信号的水平极化分量（H）与垂直极化分量（V），利用非球形水凝物（如雨滴、冰晶）对不同极化信号产生不同延迟的特性，即极化相移，来实现对水凝物的精确探测。当 GNSS 信号穿越降雨区，雨滴因空气阻力底部呈扁平状，六边形冰晶也具有特定的几何形状，这些非球形结构会对水平和垂直极化信号产生不同程度的延迟，形成可测量的极化相移。研究表明，直径大于2mm 的雨滴就能产生显著的极化相移，而针状冰晶的定向排列更会放大这一效应。通过测量极化相移（ ΔΦ ），并结合雨滴谱分布模型，可以反演出降雨强度、雨滴等效直径等关键参数。这种创新的测量方式，使得 PRO 技术能够实现对降水垂直结构的精细探测，为强降水等极端天气的监测提供了关键数据。

3 国内外研究进展与应用实践

3.1 ROHP-PAZ 的开创性贡献

西班牙的 PAZ 卫星于 2018 年成功发射，成为全球首个搭载双极化掩星接收机（ IGOR⁺ ）的低轨卫星，开启了极化掩星技术的新纪元。PAZ 卫星每天能够获取约 200 个极化掩星剖面，其数据在全球降水测量计划（GPM）的验证中表现出色。研究表明，在强降水区域（降雨强度 R>1mm/h），PAZ 卫星观测到的极化相移均值可达 10 -30 度，而在无雨区域，极化相移仅为 ±1 度（标准差）。这一显著差异，使得 PAZ 卫星能够准确识别降雨区域，并对降雨强度进行有效反演。

此外，PAZ 卫星的观测数据还在对流层上层的冰水含量分布研究中发挥了重要作用。通过与 CloudSat 卫星的雷达观测对比，PAZ 卫星在热带海洋区域的匹配精度达到了 85% 以上，为全球降水模型的完善提供了宝贵的数据支持。

3.2 国内云遥卫星的技术验证

我国在 PRO 领域的研究虽起步较晚，但发展迅速。2025 年 3月 21 日，我国天津云遥宇航科技有限公司在酒泉卫星发射中心成功发射了云遥一号 43 - 48 星，其中第 48 星尤为引人注目。它是我国首颗自主设计和研发的双极化掩星探测卫星，这一成就标志着我国在商业气象遥感领域实现了重大技术突破。

云遥一号 48 星的载荷具备高精度的水平 / 垂直极化信号同步接收能力，其降雨强度反演精度达到了 2mm/h ，极化相位差测量误差⩽0.2 度。该卫星采用了创新的双轨观测设计，前向天线用于获取传统掩星数据，后向双极化天线则专注于捕捉下降段信号，大大提高了对降雨区的探测效率。同时，为应对降雨区信号衰减的挑战，云遥一号 48 星采用了开环 + 闭环结合的跟踪技术，确保在低信噪比条件下仍能准确测量相位。此外，该卫星还支持 GPS、北斗、伽利略等多系统信号，每日可生成 500 多个极化掩星剖面，丰富的数据产出为我国及周边区域的强降水监测提供了充足的数据资源，有力推动了我国气象监测能力的提升。

3.3 应用实例

在实际应用中，极化掩星技术已展现出强大的实力。在 2023 年北大西洋飓风“多里安”的监测中，PAZ 卫星的 PRO 数据精确捕捉到了飓风眼壁区的强降水垂直结构。极化相移在 8-- 12km 高度出现峰值（ΔΦ =25 度），对应降雨强度高达 50mm/h ，与飓风猎人侦察机的观测结果高度吻合。这一数据为飓风强度的准确判断提供了关键依据，也为数值天气预报（NWP）模型的改进提供了重要参考。

在我国南方的梅雨季节监测中，云遥一号 48 星同样表现出色。通过对极化相移垂直梯度的分析，该卫星能够有效区分层状云降雨和对流云降雨。层状云降雨表现为均匀的极化相移分布，而对流云降雨则呈现出极化相移随高度的剧烈波动。这种精细化的监测能力，为梅雨锋的精准预报提供了全新的观测指标。

4 总结与展望

尽管极化掩星技术已经取得了显著进展，但目前全球范围内专用的 PRO 卫星数量仍然有限，限制了其观测的时空分辨率。为解决这一问题，未来的发展将聚焦于星座化建设。美国 NOAA 计划在 2030年前部署由 50 颗小卫星组成的 PRO 星座，实现全球每 15 分钟一次的极化掩星覆盖。我国也在“风云五号”规划中纳入了 PRO 载荷，计划构建“8 + 4”星座（8 颗极轨卫星 + 4 颗低倾角卫星），进一步提升对亚太区域的观测能力。

同时，智能化算法的应用将成为提升极化掩星技术性能的关键。机器学习和深度学习技术将被广泛应用于数据处理和反演过程，以提高极化相移测量的精度，抑制电离层和多路径干扰，优化雨滴谱反演模型。通过与地基雷达、微波卫星等其他观测手段的融合，极化掩星技术将实现多源数据的互补，为气象监测提供更加全面、准确的信息。

极化掩星技术作为气象监测领域的前沿技术，正处于快速发展的阶段。随着国内外研究的不断深入和应用的逐步拓展，它将在极端天气预警、气候研究等方面发挥越来越重要的作用，为人类应对气候变化和保障社会安全提供强有力的技术支持。

参考文献

[1] Cardellach E, et al. (2014). Sensitivity of PAZ LEO polarimetric GNSS radio-occultation experiment to precipitation events. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing.

[2] 安豪，等 . (2023). 基于 GNSS 极化掩星信号的降水观测数据周跳处理算法分析。全球定位系统.

[3] Padullés R, et al. (2024). The PAZ polarimetric radio occultation research dataset. Earth System Science Data Discussions.

[4] 天津云遥宇航科技有限公司 . (2025). 云遥双极化 GNSS掩星接收系统技术白皮书.