2025年10月，国际著名期刊《GPS Solutions》发表了团队低轨导航卫星干涉反射遥感LEO-IR的最新研究成果。
研究背景
风暴潮是由气旋、热带风暴或其他强风天气系统引起的海平面异常现象，现已成为许多沿海地区海洋灾害的主要原因之一。研究表明，极端海平面事件每年在全球范围内可造成数十亿美元的经济损失，并直接或间接影响数亿沿海居民。此外，随着全球气候变暖，风暴潮等海洋灾害的风险预计将随着热带气旋强度的持续增加而不断加剧。相关模型预测，到2100年，几乎所有沿海地区将每年经历一次现今百年一遇的极端海平面事件。为了减轻风暴潮等海洋灾害的破坏影响，应尽可能快速准确地监测极端事件引发的水位波动，因为这些水位波动数据有助于水位异常的建模、预测和预警。
目前，通常利用卫星测高、验潮站或GNSS-IR进行水位测量。然而，在短期极端事件发生时，由于卫星测高的重访周期相对较长（或时间分辨率较低）、验潮站存在较高的故障风险（如电力中断），它们往往无法捕捉到完整的波形（或峰值点）。此外，沿海验潮站分布稀疏、维护成本高以及卫星测高对近海海平面监测的精度较低，进一步限制了它们在近海海平面测量的能力。由于GNSS卫星星座设计的限制，导致卫星过境次数较少（即GNSS-IR解次数有限）以及相对于地球的运动较慢（即单次GNSS-IR解所需时间较长），GNSS-IR的时间分辨率和精度在根本上受到限制，无法完全满足监测短期极端事件引发的水位波动的要求，亟需改进。
关于GNSS-IR技术的更多细节描述与讨论请见GPS Solutions论文，这里不作过多赘述。总之，GNSS星座的固有设计导致GNSS-IR近海测高方法在时间分辨率和精度上存在根本性限制，无法满足海洋极端事件监测需求；已有的GNSS-IR改进措施，也都是从数据处理方法层面出发，而无法取得时间分辨率和精度上的根本性突破。近年来，为了增强GNSS导航、定位和授时能力，低轨导航卫星逐渐进入视野，且发展迅速前景广泛。同时，这也为从根本上解决上述问题，提供了宝贵的契机。类似于GNSS-IR技术概念，本研究首次提出低轨导航卫星干涉反射遥感技术概念（Low earth orbit interferometric reflectometry, LEO-IR），并利用微厘空间试验卫星实测数据和低轨导航星座仿真数据，对LEO-IR技术的可行性和性能进行了初步的验证和分析。
研究结果
（1）基于实测数据的LEO-IR可行性验证和性能初步评估
如图1所示，GNSS/LEO地面跟踪站dg07被建于村落边缘房屋的屋顶上，周围环境开阔且较为平坦，适合GNSS/LEO-IR的可行性验证和性能评估。dg07站持续时间为一天、采样间隔为2秒的SNR数据被收集和处理，共得到29个卫星弧段，其中2个是LEO卫星弧段，27个是GNSS卫星弧段。图2为GNSS/LEO SNR震荡序列示例（分别以G03和ESAT的S5为例）。可以看到，LEO SNR序列与GNSS SNR序列一样，表现出了明显的震荡周期，展现了LEO-IR的潜力。图3为29个卫星弧段的LSP时间演化结果。可以看到，LEO-IR首次解消耗的时间分别只有38秒和58秒（秒级尺度），而GNSS-IR的首次解均要消耗几分钟的时间，甚至有些高达十几分钟（分钟尺度）。LEO-IR秒级尺度的时间分辨率，使其有望捕捉到周期只有几分钟的短周期海啸波的完整波形，这对于海啸波的预报和预警是极其重要的。LEO-IR的平均测高结果为8.40米，GNSS-IR的平均测高结果为8.44米，两者仅差4厘米，这在一定程度上验证并评估了LEO-IR的可行性和测高性能。
图1 GNSS/LEO地面跟踪站dg07及其周围环境
图2 GNSS和LEO SNR震荡序列比较
图3 GNSS-IR和LEO-IR测高结果比较
（2）基于低轨导航星座仿真实验的LEO-IR时空分辨率分析
为了评估LEO-IR的时空分辨率，仿真了一个由120颗低轨导航卫星组成的完整低轨星座。仿真星座为Walker星座，参数为975 km, 55°:120/12/1。图4为GNSS-IR和LEO-IR时空分辨率比较。更具体地，图4a为“单体时间分辨率”比较；图4b为“数量时间分辨率”比较；图4c,d为空间分辨率比较。可以看到，无论是单体时间分辨率，还是数量时间分辨率，亦或是空间分辨率，LEO-IR都远远高于GNSS-IR。当然，这只是时空分辨率的初步分析，不同的低轨星座设计方案、不同的测站位置以及不同的反射面高度都会影响结果。
图4 GNSS-IR和LEO-IR时空分辨率比较
（3）基于低轨导航星座仿真实验的LEO-IR风暴潮监测精度分析
为了评估LEO-IR风暴潮期间的性能，论文假定地面跟踪站CALC站能够接收完整低轨星座的导航信号，且正在经受飓风劳拉。图5为如此实验设定条件下，GNSS-IR和LEO-IR风暴潮监测精度比较。更具体地，图5a为反射高度估计值；图5b为反射高度估计误差；图5c为反射高度估计值的精度衰减因子。可以看到，LEO的LSP解比GNSS的LSP解精度更高（蓝色和深绿色的圆圈比蓝色和深绿色的三角形更接近黑色实线）；这是因为LEO的单体时间分辨率更高，更短持时的SNR震荡序列被LSP处理。此外，经过时间一致卫星弧对高度率误差改正，LEO-IR的RMS值为1.1厘米，GNSS-IR的RMS值为12.2厘米，LEO-IR可实现1个厘米精度的风暴潮监测。
图5 GNSS-IR和LEO-IR风暴潮监测精度比较：圆圈为LEO，三角形为GNSS
数据可用性
完整低轨导航星座的仿真数据是免费公开可用的，下载地址为：https://doi.org/10.5281/zenodo.11464085。
亮点
1.提出了低轨导航卫星干涉反射遥感技术概念（LEO-IR），其与GNSS-IR类似，只不过直射和反射信号均来自低轨导航卫星；
2.借助微厘空间试验卫星实测数据，验证了LEO-IR概念的技术可行性；
3.实测数据实验也表明，与GNSS-IR相比，LEO-IR具有更高的时间分辨率（秒级 vs. 分钟级），显示出了其在海啸、风暴潮等极端事件应用场景下高频信号捕获的巨大潜力；
4.完整低轨导航星座（120颗卫星）的仿真数据实验表明，无论时空分辨率还是精度，与GNSS-IR相比，LEO-IR均有显著的提高。
【1】 原文题目：Low earth orbit interferometric reflectometry (LEO-IR): results and implications from real CENTISPACE™ observations and a simulated LEO constellation
【2】 作者：郑佳伟，李文文*，杨龙，赵齐乐，杨强文，杜晓冬，蒋科材，李敏，方荣新
【3】 期刊：GPS Solutions
【4】链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s10291-025-01980-z
