一、背景与意义
全球导航卫星（GNSS）已经发展多年，目前以美国GPS，中国被斗，欧洲伽利略，俄罗斯格罗纳斯为代表的全球导航卫星星座发展迅猛。中国的北斗导航系统建设先后经历了北斗一号系统、北斗二号系统、北斗三号系统三个阶段，目前北斗一号4颗试验卫星已全部退役，从北斗二号首颗星起算，我国已发射54颗北斗导航卫星。随着2020年3月9日19时55分，北斗系统第54颗导航卫星的成功发射，以及计划中2020年5月发射的北斗地球静止轨道卫星。北斗三号全球星座部署将全面完成。 发布的《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示，2018年我国卫星导航产业总体产值达3016亿元，其中产业下游应用占比为41.6%。北斗导航卫星不仅为导航定位提供了应用，也为地球科学研究和遥感应用提供了新的观测手段。

导航卫星反射信号遥感技术（GNSS Reflectometry，GNSS-R），是应用导航卫星信号开展地球遥感的一种新型微波遥感探测技术，技术要点是收发分离的雷达，具有 外源助动、 甚高时频、 低成本、 高探测精度等独特优势，是“通导遥”一体化的最具代表性应用之一。

GNSS-R技术核心是收发分置的L波段被动雷达系统（图1）：通过低轨卫星、平流层飞行器、无人机、地基站点等平台，接收、分析导航卫星广播的高时间分辨率L波段直射和反射信号，用于地球物理要素探测，如大气参数遥感--测风；海洋参数遥感--盐度、海面高度；表面参数遥感--海冰厚度、积雪深度、土壤湿度、植被含水量；目标变化信息分类监视：河湖水位、湿地变化、海空/军事目标等。GNSS-R技术充分使用了已有的GNSS星座作为发射源，建设成本低，硬件研制周期快，便于小型化和发挥规模效益，具有 有效解决对地观测和业务应用面临的多项技术瓶颈问题。

GNSS-R技术在气象、水利、农业、海洋、资源环境、应急减灾等领域具有很大应用价值。如面向全球天气预报及航运气象服务发展海面2米风场全天候探测能力、面向智慧农业服发展土壤湿度高频次精细观测能力、面向灾害应急管理发展河湖水位高精度准实时监测能力等。

图1 GNSS-R遥感的技术理念

经过二十余年的理论技术积淀和近五年的飞速发展，GNSS-R多平台、多要素综合探测能力显著提升。国外已在推动以GPS为核心的地基GNSS-R探测技术走向业务应用，同时正在大力发展星载GNSS-R探测技术，如2014年欧空局ESA发射的技术验证卫星TechDemoSat-1、2016年美国宇航局NASA发射的热带气旋跟踪卫星CYGNSS（8颗小卫星组网）、2017年日本发射的北极海冰监测小卫星WNISAT-1R。2019年6月我国航天科技集团五院航天东方红卫星有限公司主导研制的“捕风一号”A、B星成功发射，卫星搭载了五院西安分院研制的GNSS-R载荷，中国气象局承担完成了“捕风一号”A、B星的地面接收系统处理建设任务，成功稳定处理生成科学产品，标志着我国首次建立了全球GNSS-R卫星观测和信息获取能力。

GNSS-R小卫星发射成本较低，通过实施星群组网观测计划，可实现对上述地球物理要素的有限成本，甚高时间分辨率探测，具有极高的应用前景。我国在该领域的工作已经起步，以捕风一号为代表的试验系统与美国CYGNSS卫星星座有3年的时间差距，但是从应用系统规模和研究积累方面目前处于跟跑阶段，亟需整合多方资源，组建平台-载荷-模型-应用团队，实现GNSS-R小卫星群与北斗导航系统同步飞速发展，进而实现从跟跑到并跑，并且在部分领域实现技术创新。

二、技术与人才
至2020年全球导航卫星共有约150颗，持续为对地观测无偿提供全球覆盖的L频段微波信号源。作为导航卫星地表反射信号的接收和使用端，目前国际上在理论模型、载荷研制、应用试验等方面已达到较高的技术成熟度。欧洲和美国作为GNSS-R技术的两大强势区域，具有鲜明的发展特色，欧洲侧重于概念的提出（如概念性的测高星座），美国侧重于工程的实现（如首个在轨测风星座CYGNSS）。同时也 充分表明星载GNSS-R技术发展的一个共识 , 即只有通过星座/编队方式形成星群，才能最大程度挖掘该技术的潜在应用价值。

我国在GNSS-R小卫星群发展方面有两大独特优势：一是， 我国拥有自主北斗导航卫星系统，轨道多样化的北斗卫星无疑会对GNSS-R探测提供丰富的微波信号资源，通过合理高效利用将大大提高海陆地表物理要素探测的时空分辨率和精度；二是， 我国拥有国外无法比拟的技术与人才储备，包括北京大学、武汉大学、中科院遥感地球所、中科院上海天文台等高校科研院所、航天504所、804所、503所、中科院空间中心等载荷研制部门、和一批致力于商业航天与空间信息产业的实力企业。如能有效整合力量、统筹协调，完善具有我国特色的政产学研用相结合的协作机制，是完全可以形成极具实力的优势团队，具备星群实施能力和适合中国实际的应用模式。三是，我国具有完整的对地遥感卫星业务应用体系，借助我国大气，海洋，陆地，高分等数据中心的建设，遥感卫星业务接收处理和产品应用体系已系统化。在捕风一号试验卫星地面及应用系统建设测试，中国气象局国家卫星气象中心先后依托新疆和广州站完成了卫星原始数据自动接收，依托北京数据处理中心卫星自动自动汇集，标定，产品生成，依托大气遥感卫星数据中心完成数据轨道和标准化，这些工作为GNSS-R小卫星星群的快速发展和产业应用提供技术和服务支撑。

三、现状与问题
尽管实施GNSS-R小卫星群具有切实意义，且我国已具备充足的技术和人才储备，我们认为，目前尚存在如下几点大的问题需要思考：

1、科学目标与技术体系分散 （国际问题）
星载GNSS-R技术理论上可实现十余种海陆地表物理要素的探测。针对不同要素的探测，对载荷性能、卫星星座或编队飞行的需求差别较大；针对业务应用，统筹考虑现有对地观测手段，对不同要素观测需求的迫切程度不同；针对某些特定要素，如何实现一星多要素探测的高效利用，也尚需从科学目标与技术能力的角度综合考虑。

2、科学研究到工程应用缺乏阶段目标 （国际国内问题）
星载GNSS-R硬件技术成熟度已初步具备向工程应用转化的水平，但是针对遥感信息提取，例如大气参数（国际国内部分实现，如测风）、陆地探测（国际国内均未实现）业务应用场景，仍缺少应用导向的科学问题凝练，缺乏应用导向和科学目标驱动的卫星星座/编队的设计与实施、缺乏全面的卫星/地面协同技术验证为科学研究到工程应用的全链条完整过渡提供依据。

3、资源力量分散 （国内问题）
技术和人才方面，我国高度重视北斗导航系统建设，通过863等计划支持和捕风一号试验系统，建立了强大的星载GNSS-R资源储备，但是在面向解决大科学问题时，存在严重的资源力量分散情形，高校科研院所多为自由探索导向甚至无经费支持，载荷单位存在相互竞争和封闭式重复研制，用户部门则存在业务需求交叉界定不清晰问题等。资金方面，鉴于上述1、2问题的存在，国家在过去十二五和十三五期间对该领域的支持力度不够，由于型号管理特殊性，应用部门在系列卫星及地面系统获得国家立项前，也难以具备开展大规模系统研究和应用技术研究的经费和资源支持。商业资本也尚未实现有效的整合利用。

四、对未来发展的思考
鉴于星载GNSS-R小卫星群发展的迫切需要，以及现有技术基础与人才保障状况，建议充分利用和集成我国及国际高新技术成果，组织国内高校、科研机构、平台和载荷研制部门、地面系统研制部门、行业用户、企业单位等多方优势机构，整合并提升现有资源，分步实施我国GNSS-R陆气探测小卫星群计划。

1、第一步：科学目标和技术体系的梳理与论证
针对问题1“科学目标与技术体系分散”，尽快组织优势机构形成工作组，进行面向大气和地表要素探测的星载GNSS-R科学目标和技术体系的梳理与论证，统筹考虑科学发展、业务实现、阶段应用目标等，形成系统化的顶层分析报告，支持决策。

2、第二步：典型要素探测星座设计与实现
针对问题2“科学研究到工程应用缺乏阶段目标”，基于现有技术能力与需求迫切度，选取典型大气、地表要素进行技术验证星座的设计与实施。如，针对海面风场，在“捕风一号”A、B星的成功基础上，进一步发展后续星座，应用多星组网技术快速提高观测的时空分辨率，为台风预报急需的全球海面两米风场观测支撑；针对土壤湿度，规划实施相应的技术验证星并规划后续星座，实现面向智慧农业的土壤湿度高频次精细观测。

3、第三步：海陆探测小卫星群规划与实施
针对问题3“资源力量分散”，基于上述1和2，进一步凝练科学目标、优化载荷性能、提升反演能力，完成面向大气、海洋、陆地多要素综合探测的专用或通用小卫星群规划与实施。小卫星群采用众筹模式，充分利用国家部委、地方政府、优势企业、高校等的多方资金和技术支持，进行星群发射与运维。

五、预期效益
我国GNSS-R陆气关键要素探测小卫星群的规划与实施，可以形成广泛的社会和经济效益。作为对地观测的新手段，可提供解决特定业务应用的唯一或不可或缺的补充手段，大幅提升导航卫星（北斗）数据增值应用服务能力、对地观测系统的总体效能，以及卫星遥感数据资源的综合开发利用效率；依靠提升天气预报、智慧农业、应急减灾、水资源开发利用等多领域专项技术能力，支持一带一路区域的遥感信息应用服务，特别是提升应对不可预料巨大灾难时的实时监测与应变处置能力，为政府管理和民生改善提供新技术支持。GNSS-R小卫星群的规划实施预计可实现每年数百亿元以上的经济效益；必将为我国小卫星应用和卫星综合观测系统协同发展提供借鉴，推动协同技术创新和应用。