全球導航衛星系統反射測量技術發展：四位一體策略賦能產業升級

原文發表于《科技導報》 2026年第8期《以“四位一體”策略驅動中國全球導航衛星系統反射測量產業化升級》

全球導航衛星系統反射測量（GNSS?R）技術憑借其全天候、全天時及廣域覆蓋的優勢，實現了高頻采樣與較高空間分辨率探測，顯著提升了對全球地表環境的時空監測能力。《科技導報》邀請河南理工大學學術副校長金雙根教授、南京郵電大學物聯網學院賈燕副教授團隊撰寫文章，詳細分析了GNSS?R反射測量技術的國內外發展現狀，指出了中國現階段存在的主要問題。借鑒歐盟Copernicus數據共享機制和美國商業航天發展經驗，提出了一套面向中國GNSS?R技術發展的“四位一體”對策建議。

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GNSS?R技術發展現狀

全球導航衛星系統反射測量（GNSS?R）是一種利用全球定位系統（GPS）、北斗、Galileo和GLONASS等導航衛星發射的L波段信號，通過聯合分析直達信號與地表反射信號延時、幅值、相位和多普勒特性等方面的差異，反演海洋、陸地和冰雪表面物理參數的被動遙感技術。自1993年Martin?Neira提出利用GPS反射信號進行被動反射和干涉測量（PARIS）的概念以來，GNSS?R技術便從最初的理論構想逐步發展為一種實用的遙感手段。GNSS?R具有信號源穩定、載荷功耗較低、全天時全天候觀測以及大范圍覆蓋等特點，且在成本方面具有明顯優勢。目前，全球已形成光學衛星、合成孔徑雷達衛星以及GNSS?R衛星的3梯隊發展格局。

1.1 場景應用

從應用領域看，GNSS?R已從早期海洋觀測逐步拓展到大氣、陸地和冰凍圈等多個方向。在海洋測高方面，利用反射信號延時信息，可以精確推斷海面高度和海洋波浪特征，為海洋水文及氣候變化監測提供可靠數據。在臺風監測方面，可通過地面、機載和星載平臺連續監測臺風風場結構、風速變化和臺風中心位置。在海冰探測方面，GNSS?R不僅能夠識別海冰的存在，還可以進行分類、估算冰濃度及冰厚，為保障極地環境與海洋通道安全提供了數據支持。在土壤濕度反演方面，GNSS?R可獲得大尺度土壤濕度分布信息，實驗結果與土壤濕度主被動觀測衛星（SMAP）等現有微波遙感土壤水分產品具有較高的一致性。在自然災害監測方面，通過反演得到反射信號及其時空分布特性，可以輔助判斷洪水淹沒區域范圍及發展趨勢，為應急救災和后續重建提供及時、準確的數據和決策支持。

從國際發展態勢看，GNSS?R技術正由單星試驗驗證向星座化、業務化和商業化方向快速演進。歐美國家較早開展地基、機載和星載試驗，并在海面風速反演、臺風監測、海冰探測等方面形成了較為系統的技術鏈條，占據一定優勢。其中，由美國航空航天局（NASA）主導的旋風全球導航衛星系統（CYGNSS）是一項由熱帶氣旋跟蹤探測立方衛星星座組成的Earth Venture?Class任務，以低成本、高風險、高回報的探索性特點著稱。在商業應用方面，Spire Global等私營航天企業已成功部署100余顆小衛星，其中包括提供商業應用GNSS?R數據衛星，構建了全球規模最大的商業衛星星座集群。

中國GNSS?R研究發展迅速，近年來在星載載荷研制、環境參數反演和行業應用驗證等方面進展明顯。中國持續發展風云系列氣象衛星等國家民用航天基礎設施，并開展了“捕風”等商業衛星的GNSS?R技術試驗，實現了GNSS?R技術從實驗驗證到業務化應用的飛躍。例如風云三號E星（FY?3E）搭載的全球導航衛星掩星探測儀?Ⅱ型載荷使海面風速反演精度達1.5 m/s，風云三號G星（FY?3G）進一步將土壤濕度監測空間分辨率提升至3 km（表1）。

表1中國GNSS?R反射測量衛星性能演進

1.2 制約因素

盡管如此，GNSS?R由“可觀測”走向“可業務化、可規模化應用”仍面臨若干制約因素。一方面，多源數據共享機制、數據標準和元數據規范尚不完全統一，限制了跨平臺產品融合與業務推廣；另一方面，面向氣象、海洋、農業和應急等行業的應用接口和服務模式仍不夠成熟，科研成果向穩定業務產品轉化的鏈條尚需進一步完善。

首先，GNSS?R技術全球應用依賴于多源數據開放共享，但當前國際數據交換機制存在嚴重缺陷（表2）。在數據共享受限背景下，全球GNSS?R標準體系的碎片化進一步削弱了跨機構協作能力，并顯著增加數據互操作性問題的風險。其次，GNSS?R技術在從科研成果向業務系統轉化的過程中，主要受到行業適配成本高、數據處理復雜度與用戶認知差距大等障礙的制約。

表2 全球主要GNSS?R數據共享障礙分析

從整體角度看，數據共享壁壘、標準碎片化與應用轉化斷層三者相互疊加，只有通過建立開放共享的交換平臺、推進國際標準框架的統一，以及簡化業務化接入流程，才能實質性推動GNSS?R技術在氣象、海洋及其他公共服務領域的深度應用。

02

根源分析

GNSS?R技術應用推進緩慢，表面上表現為數據共享不暢、標準體系不統一和行業落地不足，實質上反映的是技術演進速度與治理體系適配能力之間的不匹配。當前，中國GNSS?R發展面臨的主要瓶頸本質上是管理機制、標準規則和產業生態3個方面尚未形成與技術特征相匹配的支撐體系。

首先，管理機制的條塊分割削弱了GNSS?R跨領域協同應用能力。雖然當前的分工模式已具備產業鏈雛形，但本質上仍延續了工業時代的專業分工邏輯，難以適應GNSS?R技術對實時性、融合性和協同性的要求（表3）。

表3 GNSS?R關鍵機構職責與協作難點

與此同時，國際層面的標準和規則缺位制約了GNSS?R產品的互操作性與推廣能力。GNSS?R涉及原始信號處理、參數反演、產品生成、精度驗證和跨境共享等多個環節，其應用價值高度依賴統一、透明且可復用的技術規范。法律和標準體系的空白，不僅讓各國在數據獲取和使用上無法達成一致，也讓商業主體在跨境應用時法理依據不足，難以放心投入。

更為棘手的是，產業生態的失衡加劇了上述兩個方面的問題。從芯片到應用產業鏈條所體現的結構性失衡，不僅制約商業模式的創新能力，也抑制了生態系統內的循環動力，難以形成持續良性發展態勢。

總體來看，GNSS?R發展面臨的根源性問題，并不單純來自技術本身，而在于現有治理體系尚未完成從“分部門管理”向“跨場景協同”、從“單點技術突破”向“系統能力建設”的轉變。只有同步推進管理機制優化、標準規則完善和產業生態培育，才能將中國GNSS?R的技術優勢進一步轉化為業務優勢和治理優勢。

03

中國GNSS?R技術發展對策建議

3.1 建設國家GNSS?R數據中臺

在現有國家衛星中心職能基礎上，可探索建設面向GNSS?R應用國家級數據中臺，用于整合GNSS?R衛星數據資源，提升跨部門協同效率，推動數據標準統一，而非重復現有國家衛星中心和國家大數據局的管理職能。中臺則可單獨聚焦于基于GNSS?R數據的融合應用與智能服務，其核心定位是對現有國家衛星中心職能的專業化補充而非替代。中臺采用“數據不動算法動”運行原則，通過區塊鏈記錄各參與方的數據使用痕跡，在保障部委數據主權的同時提升協同效率。

相較于國家大數據局聚焦的政務數據統籌職能，GNSS?R中臺的核心優勢在于其技術穿透性和市場適配性。一方面，依托北斗三號MEO/IGSO衛星的星間鏈路能力，中臺可實現反射信號數據直達省級節點，避免多部門數據中轉帶來的效率損耗；另一方面，采用聯邦制架構保留各部委現有系統，同時通過區塊鏈存證解決數據權屬爭議，確保各方利益平衡。通過三權分置機制，中臺能夠在維護現有管理體系穩定性的前提下提升數據流通效率。該中臺模式能夠顯著降低GNSS?R數據服務的邊際成本，其規模效應遠超傳統條塊管理模式。

在技術架構方面，建議采用智能分層處理系統，對原始數據進行多級處理與差異化服務。此外，國家GNSS?R數據中臺需與現有國家衛星中心的數據采集、處理和存儲系統實現有效銜接，確保數據流轉高效可靠，并預留充足的計算資源以應對突發任務，從而形成兼具安全性、可用性與靈活性的系統架構，支撐國內外多領域應用和技術合作。

3.2 主導GNSS?R國際標準制定

在技術標準化推進方面，建議充分發揮中國在GNSS?R領域的技術優勢，構建涵蓋核心技術、在軌驗證和國際規則制定的全鏈條標準體系。同時規劃建設專業化的在軌定標試驗場，配備先進測試設施，定期舉辦國際性技術交流活動，吸引全球科研機構參與。

在標準制定策略上，建議分階段推進。初期（1~2年）：由國家衛星中心牽頭，聯合ITU等權威機構設立專項工作組，發布技術白皮書，明確技術規范和參考方法；中期（3~5年）：由中國標準化研究院聯合相關科研院所主導制定核心國際標準，推動GNSS?R與新一代通信技術的融合，完成試點應用驗證；后期（5~8年）：由國家衛星中心與工業和信息化部牽頭，推動中國標準的全球兼容性建設，建立國際認證體系，并評估標準推廣效果。

配套保障方面，建議加強復合型標準化人才培養，在重點高校設置涵蓋技術、法律和國際規則的專項課程，定期選派專業人員赴國際組織交流。同時推動GNSS?R中國標準成為全球基準，提升中國在全球GNSS?R技術治理中的話語權。

3.3 培育星地協同應用生態

建議通過“政策引導+示范應用”雙輪驅動加速GNSS?R產業化發展。在政策支持方面，應重點聚焦頻譜資源保障和財政補貼2大核心工具。此外，應在此基礎上，配套實施風險保障和產業基金等輔助性政策。在示范工程建設方面，應突出標桿引領作用：在重點區域部署低軌衛星增強系統，融合新型通信基礎設施構建高精度災害預警網絡；在生態農業區建立“天?空?地”一體化監測體系，形成智能化的資源管理閉環。其中，建議重點推進3大領域：一是海洋災害預警領域；二是極地環境監測領域；三是智慧城市領域。此外，示范工程建設應同步建立分級分類的安全體系，對于涉及國家主權的高敏感數據，應嚴格實行“雙盲加密+專用存儲+三級審批”的管控流程；對于商業機構使用的一般業務數據，通過國家遙感中心數據中臺進行脫敏處理后統一發布，確保數據在跨部門和跨境使用中的安全性。

3.4 推動GNSS?R商業化應用

推動GNSS?R商業化應用需要構建“技術研發?服務創新?市場拓展”的完整閉環。在技術研發層面，建議重點關注3個關鍵環節：一是開發集成化SoC芯片；二是研制多模多頻接收器；三是推動GNSS?R與慣性導航的深度融合。在服務創新方面，建議建立3級支撐體系：基礎層建設云端數據處理平臺，實現反射信號毫秒級解算；中間層優化高精度定位服務，將動態定位精度提升至厘米級；應用層開發面向農業、海洋等領域的定制化解決方案。在市場拓展方面，建議采取雙軌并行策略：一方面深耕國內市場，重點拓展測繪、自動駕駛、低空經濟等市場；另一方面加快國際布局，參與ITU等國際標準制定，推動GNSS?R技術納入地球系統科學監測和全球災害預警體系。

為加強技術創新與市場需求之間的銜接，有必要建立長效機制：成立GNSS?R產業聯盟，定期舉辦應用場景創新大賽；在重點行業建立“技術驗證?商業試點?規模推廣”的3階段轉化機制；設立商業化引導基金，對首臺套設備和創新服務模式給予30%~50%的補貼支持。

04

GNSS?R產品推廣應用思路建議

GNSS?R技術憑借被動接收導航衛星反射信號的獨特優勢，為大范圍、高頻次的土壤水分反演提供了新的可能性。然而，要實現其在業務化反演中的穩定應用，仍需多源數據的協同支撐，但當前跨部門數據協同機制尚不完善，制約了其進一步推廣。

為了推動GNSS?R技術在中國土壤水分監測中的系統業務化應用，結合“四位一體”的治理思路，可從數據整合、標準制定、應用生態和商業化4個方面展開全面布局。

在數據資源層面，建設國家級GNSS?R土壤水分數據中臺，統一整合國際星座與國內星載及地基觀測數據，通過智能分層處理實現多源數據互補和分級服務。

在標準制定層面，針對當前反演算法差異大、產品可比性不足的問題，提出涵蓋原始信號處理、反演模型參數化和精度驗證的國際標準體系，依托在軌驗證與地面觀測試驗場構建“衛星—機載—地面”一體化比對機制，并通過分階段路徑推動中國方案逐步上升為全球標準。

在應用推廣層面，通過政策引導和示范工程相結合的方式，構建星地協同應用生態，在農業干旱監測、洪澇災害預警和精準灌溉調度等領域形成閉環服務機制，并以專項基金和頻譜政策為保障，促進科研機構、企業和地方政府的深度協作。

在商業化層面，加快低功耗多模接收機和云端處理平臺的研發，推動土壤水分產品與人工智能、大數據和物聯網等前沿技術融合，為農業保險、水資源管理及跨境流域治理提供定制化解決方案，從而提升產品的實用性和市場競爭力。

除土壤水分產品外，GNSS?R反射信號還可以敏感地捕捉海面散射特性，生成高時空分辨率的海面風速與風場分布產品。推進該類產品應用需解決風速反演模型的標定與極端風速下的非線性效應問題，建立與微波輻射計、合成孔徑雷達等多源海面觀測的融合驗證體系，并保證近實時數據流的穩定性與延遲控制，以滿足同化業務的時間窗要求。

在海洋應用之外，GNSS-R技術在季節性冰雪與融雪監測方面同樣具有重要價值。GNSS?R可用于識別雪蓋存在、表層雪濕度變化及融雪動態，從而改進融雪入滲與徑流生成的初始條件判定。該方向的關鍵技術挑戰包括區分不同厚度和濕度的雪層對信號的差異響應、植被覆蓋區的混疊影響以及復雜地形中的幾何校正問題，需要通過機載和地面試驗場的在軌驗證與對照觀測逐步完善算法與誤差表征。

另外，GNSS-R技術還可拓展至植被含水量、作物生長狀況與目標探測等陸地生態應用。GNSS?R測量技術可以擴展用于植被含水量監測、冠層濕潤度判斷和作物生長階段識別，從而為精準農業、病蟲害預警和灌溉優化提供有價值的遙感信息。商業化推廣應同步建立嚴格的數據質量與不確定度表達體系，設計合理的訂閱或按需付費模式，并提前布局數據隱私、權限管理與合規審查，確保服務可持續性。

將“四位一體”治理策略應用于GNSS?R遙感監測實踐，對完善整體治理體系具有重要啟示。首先，在農業灌溉與旱澇防災等具體場景中，驗證數據中臺在實現技術價值轉化中的核心作用，凸顯建立統一標準和政策支持的必要性。其次，GNSS?R數據跨部門協同的復雜性表明，GNSS?R技術的發展不能僅靠技術創新，還需要配套的制度創新。未來，應推動相關立法工作與GNSS?R標準制定同步進行，確保技術優勢能夠轉化為實際治理效能。

05

結論

GNSS?R技術正處于由科學實驗向業務應用加速轉型的關鍵階段。總體來看，國內技術優勢尚未完全轉化為國際規則制定權和廣泛產業應用效益。GNSS?R發展仍面臨3個主要矛盾：一是數據開放需求與知識產權壁壘之間的沖突；二是技術標準碎片化導致的數據互操作障礙；三是科研成果與實際應用之間存在轉化斷層。

本研究提出了“四位一體”的系統性對策建議：在管理體制上，建議組建面向GNSS?R的國家級數據中臺，統籌各部門分散職能，提升管理和響應效率；在標準體系上，應以中國自主創新的全極化干涉測量等核心專利技術為基礎，積極主導國際GNSS?R標準制定，提升中國標準的全球影響力；在產業生態上，通過設立專項轉化基金、完善人才培養體系及實施應用示范工程，推動產業鏈上下游協同創新，加快科研成果轉化落地；在政策和制度層面，依托國家衛星導航產業發展規劃與空間數據管理政策，建立支持跨部門數據整合、標準統一和安全可控的數據共享機制。

GNSS?R治理本質上是對技術紅利分配規則的探索。本研究建議方案試圖在技術先進性與制度可行性之間尋找平衡點。這種權衡需要隨技術成熟度動態調整。未來10年，GNSS?R技術將在全球環境監測與智慧治理中發揮愈發重要的作用。中國應以制度創新、標準引領和產業培育為抓手，加快實現從技術跟跑者到規則制定者和生態主導者的戰略轉型，推動GNSS?R成為繼北斗系統后的又一“國家名片”。

本文作者：金雙根、賈燕

作者簡介：金雙根，河南理工大學學術副校長，歐洲科學院院士，教授，研究方向為智能導航、大地測量、環境遙感和空間行星探測及應用。

文章來 源 ： 金雙根, 賈燕. 以“四位一體”策略驅動中國全球導航衛星系統反射測量產業化升級[J]. 科技導報, 2026, 44(8): 115?123.

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