[论文解读] GNSS Radio Occultation on Aerial Platforms with Commercial Off-The-Shelf Receivers

Bryan Chan, Ashish Goel+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Precipitation Measurement and Analysis参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文提出一种低成本、可扩展的GNSS无线电掩星（RO）系统，适用于高空气球和飞机，采用商用现成（COTS）GNSS接收机。通过利用闭环跟踪和新型反演算法，该系统实现了高分辨率、持续的RO探测——在一次多日气球飞行任务中，探测密度相比轨道卫星系统提高了近七倍，信号跟踪可降至2–3公里高度。

ABSTRACT

In recent decades, GNSS Radio Occultation soundings have proven an invaluable input to global weather forecasting. The success of government-sponsored programs such as COSMIC is now complemented by commercial low-cost cubesat implementations. The result is access to more than 10,000 soundings per day and improved weather forecasting accuracy. This movement towards commercialization has been supported by several agencies, including the National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) and the U.S. Air Force (USAF) with programs such as the Commercial Weather Data Pilot (CWDP). This has resulted in further interest in commercially deploying GNSS-RO on complementary platforms. Here, we examine a so far underutilized platform: the high-altitude weather balloon. Such meteorological radiosondes are deployed twice daily at over 900 locations globally and form an essential in-situ data source as a long-standing input to weather forecasting models. Adding GNSS-RO capability to existing radiosonde platforms would greatly expand capability, allowing for persistent and local area monitoring, a feature particularly useful for hurricane and other severe weather monitoring. A prohibitive barrier to entry to this inclusion is cost and complexity as GNSS-RO traditionally requires highly specialized and sensitive equipment. This paper describes a multi-year effort to develop a low-cost and scalable approach to balloon GNSS-RO based on Commercial-Off-The-Shelf (COTS) GNSS receivers. We present hardware prototypes and data processing techniques which demonstrate the technical feasibility of the approach through results from several flight testing campaigns.

研究动机与目标

• 开发一种仅使用COTS GNSS接收机的低成本、可扩展的高空平台GNSS-RO系统。
• 克服传统气象探空仪部署GNSS-RO所受高成本和复杂性限制。
• 实现在特定区域（尤其是严重天气监测）的持续、高时间分辨率RO探测。
• 通过高空气球和固定翼飞机的飞行测试，证明技术可行性。
• 探索将GNSS-RO集成到长航时气球任务和商业航空平台中的商业化潜力。

提出的方法

• 采用COTS GNSS接收机（Trimble R10和SwiftNav Piksi）结合闭环跟踪，实现在大气掩星期间的稳定信号捕获。
• 开发了定制的气球可重编程集成计算机（BRIC），用于实时任务管理、数据记录和自主飞行控制。
• 实现了新型气球载RO反演算法，将多余相位和多普勒频移数据处理为弯曲角和折射率廓线。
• 开展端到端仿真研究，评估接收机位置/速度误差和处理伪影等误差源。
• 通过与ERA5再分析廓线对比验证结果，评估精度并识别偏差，尤其关注对流层低层的偏差。
• 开展了多次高空气球和固定翼飞机飞行任务，收集了超过150小时的GNSS-RO数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 COTS GNSS接收机能否在高空气球环境中实现足够的跟踪稳定性和信噪比性能，以支持GNSS-RO？
• RQ2 与低轨道（LEO）任务相比，气球定点保持和先进反演算法能在多大程度上提升RO探测的空间和时间采样密度？
• RQ3 在COTS基气球载RO系统中，影响折射率反演精度的主要误差源是什么，尤其是在行星边界层？
• RQ4 能否在长航时气球或商业航空平台中实际集成紧凑型、低成本GNSS-RO传感器（成本低于1000美元，质量小于1公斤）？
• RQ5 在现有高空气球和商业飞机网络中，是否存在可行的商业化路径部署基于COTS的GNSS-RO？

主要发现

• 一次多日高空气球飞行任务收集了超过300次GNSS-RO探测，探测密度接近所有现役轨道卫星RO系统总和的七倍。
• 该系统实现了对地表以上2–3公里高度的信号跟踪，使行星边界层内实现高分辨率观测成为可能。
• GROOT系统获取的折射率廓线在4.5公里以上与ERA5再分析结果高度一致，但在较低高度出现显著正N偏差。
• 端到端仿真表明，接收机位置/速度误差和处理伪影（如多余相位的平滑化）是导致观测偏差的关键因素。
• 下一代紧凑型仪器——机载原位与无线电掩星（AIRO）仪器，计划于2021年底搭载NASA DC-8科研飞机执行飞行任务。
• 本研究证实，尺寸如一张 playing card、质量低于1公斤、成本低于1000美元的GNSS-RO传感器在规模化生产下技术上是可行的。