HY-2衛(wèi)星DORIS精密定軌技術(shù)

蔣興偉，王曉慧，彭海龍，鐘 敏，鐘世明

（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.中科院測量與物理研究所，武漢 430077）

HY-2衛(wèi)星DORIS精密定軌技術(shù)

蔣興偉1，王曉慧1，彭海龍1，鐘 敏2，鐘世明2

（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.中科院測量與物理研究所，武漢 430077）

2011年8月16日發(fā)射的海洋二號（HY-2）衛(wèi)星是中國第一顆動力環(huán)境衛(wèi)星，搭載的多普勒雷達(dá)和無線電定位組合系統(tǒng)(DORIS)作為HY-2主要定軌手段之一。本文較為詳細(xì)介紹了HY-2多普勒雷達(dá)和無線電定位組合系統(tǒng)定軌技術(shù)流程和方法，并對其定軌結(jié)果進行了初步檢驗。

精密定軌；GPS；DORIS；激光測距

1 前言

高度計測高應(yīng)用的需求，加速了精密定軌技術(shù)的進步，尤其在TOPEX/Poseidon（T/P）的發(fā)射后，使衛(wèi)星精密定軌獲得驚人的提高。軌道精度的進步除了軌道動力學(xué)模型的改進之外，跟蹤技術(shù)的提高是至關(guān)重要的。激光測距(satellite laser ranging，SLR）精度由20世紀(jì)60年代的幾百米量級提高到現(xiàn)在的毫米級；自從T/P的發(fā)射，出現(xiàn)了多普勒雷達(dá)和無線電定位組合系統(tǒng)(doppler orbitography and radiopositioning integrated by satellite，DORIS)及全球定位跟蹤系統(tǒng)（global positioning system，GPS），由于密集分布的跟蹤網(wǎng)和高精度的測量數(shù)據(jù)使得定軌精度有了顯著提高[1～5]。

2011年8月16日我國發(fā)射的海洋二號（HY-2）衛(wèi)星載有雷達(dá)高度計、雷達(dá)散射計、微波輻射計和校正輻射計，并為精密定軌配備了DORIS、GPS和SLR跟蹤系統(tǒng)，其中DORIS跟蹤系統(tǒng)與法國合作。本文介紹了HY-2衛(wèi)星DORIS定軌技術(shù)應(yīng)用情況，給出了精密定軌初步結(jié)果。

2 精密定軌業(yè)務(wù)化系統(tǒng)

HY-2衛(wèi)星精密定軌系統(tǒng)由數(shù)據(jù)收集和交換子系統(tǒng)、精密軌道預(yù)報子系統(tǒng)、精密定軌計算子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

數(shù)據(jù)收集與交換子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)下載模塊、數(shù)據(jù)收集和交換模塊構(gòu)成。衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對原始數(shù)據(jù)包進行預(yù)處理，獲得DORIS數(shù)據(jù)包、衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)以及GPS RINEX 2.2一級產(chǎn)品；通過與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)下載模塊通過國際GPS服務(wù)（international GPS service）機構(gòu)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品中心、IERS（international earth rotation service）產(chǎn)品中心、DORIS以及SLR服務(wù)中心完成各類精密定軌相關(guān)產(chǎn)品與天文輔助數(shù)據(jù)的下載；數(shù)據(jù)收集與交換模塊實現(xiàn)與法國之間的數(shù)據(jù)交換功能以及完成所有數(shù)據(jù)的收集管理，并通過物理網(wǎng)閘完成Internet網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

精密軌道預(yù)報子系統(tǒng)根據(jù)全球激光站觀測數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星預(yù)報軌道，并實時向國際激光測距組織提供HY-2衛(wèi)星軌道預(yù)報文件。

精密定軌計算子系統(tǒng)由GPS/SLR定軌、DORIS/SLR定軌、GPS/DORIS/SLR定軌和獨立SLR精密定軌4套程序組成，這4套定軌程序由4個機構(gòu)獨立完成。精密定軌計算子系統(tǒng)這4套定軌程序通過讀取數(shù)據(jù)管理模塊的精密定軌輸入數(shù)據(jù)即DORIS、GPS和SLR觀測數(shù)據(jù)以及所有的外網(wǎng)下載精密定軌輔助數(shù)據(jù)進行軌道計算，實時提供HY-2精密定軌medium accuracy orbit ephemeris(MOE)產(chǎn)品和事后處理precise orbit ephemeris(POE)產(chǎn)品。

3 精密定軌技術(shù)流程和定軌策略

3.1 DORIS/SLR精密定軌技術(shù)流程

DORIS結(jié)合激光測距（DORIS/SLR）定軌技術(shù)采用的是動力學(xué)方法定軌，其中DORIS跟蹤系統(tǒng)在精密定軌中起主要作用，SLR跟蹤系統(tǒng)在衛(wèi)星精密定軌中作為基準(zhǔn)。DORIS/SLR精密定軌軟件流程如圖2所示。

觀測數(shù)據(jù)、控制文件通過文件完備性檢測，生成數(shù)據(jù)完備性檢驗報告，通過檢測則進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，生成內(nèi)部數(shù)據(jù)格式的觀測數(shù)據(jù)，進行測量誤差修正，獲取修正誤差的觀測數(shù)據(jù)。修正誤差的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過精密定軌模擬仿真，獲取仿真觀測數(shù)據(jù)，輔助進行觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理后進行數(shù)據(jù)的預(yù)報/比較，獲取衛(wèi)星狀態(tài)和星歷，獲取攝動力值等相關(guān)數(shù)據(jù)，進行初始軌道生成；獲取軌道星歷，進行軌道積分，生成衛(wèi)星參考軌道和偏導(dǎo)數(shù)；衛(wèi)星參考軌道進行軌道數(shù)據(jù)插值和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成測高數(shù)據(jù)交叉點軌道；軌道參考數(shù)據(jù)進行軌道質(zhì)量內(nèi)外部驗證，生成質(zhì)量檢驗報告文檔。偏導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)作為動力學(xué)模型計算的輸入數(shù)據(jù)。

3.2 DORIS/SLR精密定軌策略

HY-2衛(wèi)星精密定軌解算兩類軌道：MOE和POE。MOE弧長30 h，相鄰弧段重疊2 h，時效延遲26 h；POE弧長7天，相鄰弧段重疊4 h，時效延遲30天。表1給出了HY-2衛(wèi)星DORIS/SLR精密定軌策略。

圖2 DORIS/SLR精密定軌軟件流程圖Fig.2 The diagram of the precise orbit determination for DORIS/SLR solution

4 軌道檢驗方法

HY-2衛(wèi)星精密定軌共有兩種產(chǎn)品：MOE和POE產(chǎn)品，這里對DORIS/SLR定軌MOE產(chǎn)品進行檢驗，檢驗方法采取SLR檢核和獨立軌道比較兩種方法。

4.1 SLR檢核軌道

由于衛(wèi)星沒有真實的軌跡，對于星載GPS/DORIS定軌，評估其定軌精度的重要手段就是利用高精度的激光測距數(shù)據(jù)對其定軌結(jié)果進行外部檢驗。檢驗過程中，SLR殘差為SLR直接測得的站星距與星載GPS/DORIS定軌結(jié)果計算得到的站星距之差。衛(wèi)星軌道徑向誤差檢驗一般采用高仰角激光數(shù)據(jù)，考慮HY-2激光數(shù)據(jù)量，這里采用仰角大于60°的激光數(shù)據(jù)對HY-2衛(wèi)星軌道進行檢驗。

4.2 獨立軌道比較

評估衛(wèi)星軌道的另一重要手段是獨立軌道比較，獨立軌道是指不同機構(gòu)采用不同軟件計算得到的兩段獨立軌道比較，同時也可指采用不同類型觀測數(shù)據(jù)定軌得到的兩段軌道之間的比較。因此具有獨立性，并且這種驗證方法能夠檢測系統(tǒng)誤差和長期趨勢。

DORIS/SLR定軌產(chǎn)品將分別與3種不同機構(gòu)的定軌產(chǎn)品進行比較，這3種不同機構(gòu)產(chǎn)品分別為GPS/SLR定軌產(chǎn)品、GPS/DORIS/SLR定軌產(chǎn)品和法國提供的DORIS定軌產(chǎn)品。

5 精密定軌結(jié)果

5.1 SLR數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2012年5月，國內(nèi)外共有17個激光站參與對HY-2衛(wèi)星跟蹤觀測，獲得2478個觀測記錄。圖3為按SLR站給出的激光數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

從圖3中可以看出，激光觀測站數(shù)據(jù)不是很均衡，各觀測站數(shù)據(jù)量差距比較大。

圖3 SLR站對HY-2衛(wèi)星的觀測統(tǒng)計Fig.3 The measurement statistics of HY-2 satellite for the SLR stations

5.2 SLR檢核軌道

利用SLR對2012年5月的MOE產(chǎn)品進行檢驗，DORIS/SLR和法國DORIS定軌產(chǎn)品檢核結(jié)果如圖4和圖5所示，同時表2也給出了兩種產(chǎn)品的檢核結(jié)果。

圖4 DORIS/SLR定軌產(chǎn)品SLR檢核結(jié)果（2012年5月MOE）Fig.4 The results of SLR validation for MOE of DORIS/SLR solution(May，2012)

圖5 法國CNES產(chǎn)品SLR檢核結(jié)果（2012年5月MOE）Fig.5 The results of SLR validation for MOE of CNES(May，2012)

表2 SLR檢核結(jié)果Table 2 The results of SLR validation

從SLR檢核結(jié)果看，DORIS（CNES）定軌和國內(nèi)DORIS/SLR定軌的MOE精度分別為2.94 cm和4.40 cm。發(fā)現(xiàn)DORIS/SLR檢核結(jié)果均值（-1.07 cm）比較大，均值的存在使得激光檢核結(jié)果受到很大影響。SLR檢核精度另外一個影響因素是用于檢核的SLR數(shù)據(jù)仰角的選取問題，一般采用大于70°仰角，這里考慮數(shù)據(jù)量，采用的是大于60°仰角。

5.3 獨立軌道比較

DORIS/SLR定軌產(chǎn)品分別與法國DORIS、GPS/SLR和GPS/DORIS/SLR定軌產(chǎn)品徑向比較，比較結(jié)果分別如圖6、圖7和圖8所示。表3給出了獨立軌道比較的徑向均方差（RMS）。

圖6 DORIS/SLR定軌與法國定軌產(chǎn)品徑向比較結(jié)果（2012年5月MOE）Fig.6 The radial orbit comparison results between DORIS(CNES)and DORIS/SLR solution(May，2012)

圖7 DORIS/SLR定軌與GPS/SLR定軌產(chǎn)品徑向比較結(jié)果（2012年5月MOE）Fig.7 The radial orbit comparison results between DORIS/SLR and GPS/SLR solution(May，2012)

圖8 DORIS/SLR定軌與GPS/DORIS/SLR定軌產(chǎn)品徑向比較結(jié)果（2012年5月MOE）Fig.8 The radial orbit comparison results between DORIS/SLR and GPS/DORIS/SLR solution(May，2012)

表3 MOE徑向精度獨立機構(gòu)比較結(jié)果Table 3 The comparison results for different solutions for the radial accuracy of MOE

從比較結(jié)果看出，DORIS/SLR定軌與法國DORIS、GPS/SLR和GPS/DORIS/SLR定軌產(chǎn)品比較，徑向精度分別為2.78 cm、3.89 cm和3.10 cm。比較過程中異常值并沒有剔除，因此對比較結(jié)果有一定的影響，雖然如此，獨立軌道比較結(jié)果顯示DORIS/SLR定軌MOE徑向精度優(yōu)于4 cm。

6 結(jié)語

DORIS/SLR定軌技術(shù)作為HY-2衛(wèi)星主要定軌技術(shù)之一，通過SLR檢核和獨立軌道比較兩種方法檢驗，給出了對2012年5月MOE軌道徑向精度檢驗結(jié)果。通過SLR檢核，DORIS/SLR定軌手段MOE徑向精度為4.40 cm；通過與法國DORIS、GPS/SLR和GPS/DORIS/SLR三種獨立軌道比較驗證，MOE徑向精度優(yōu)于4 cm。

從SLR檢核殘差結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DORIS/SLR定軌產(chǎn)品殘差中存在一定的偏差，使得SLR檢核精度受到一定的影響，未來工作將對此進一步分析和研究。另外從軌道檢驗結(jié)果看，應(yīng)該剔除由于業(yè)務(wù)運行中各種原因而產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)，從而使得檢核結(jié)果更客觀反映定軌產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]Kuijper D C，Ambrosius B A C，Wakker K F.SPOT-2 and TOPEX/Poseision precise orbit determination from DORIS Doppler tracking[J].Advances in Space Research，1995，6：45-50.

[2]Tapley B D，Ries J C，Davis G W，et al.Precise orbit determination for TOPEX/Poseision[J].Journal of Geophysical Research，1994，99：24384-24404.

[3]Cerri L，Berthias J P，Bertiger W，et al.Precision orbit determination standards for the Jason series of altimeter missions[J].Marine Geodesy，2010，33(S1)：379-418.

[4]Cerri L，Berthias J P，Bertiger W I，et al.Precision orbit determination standards for the Jason series of altimeter missions[J].marine geodesy，2010，33(S1)：379-418.

[5]Ablain M，Philipps S，Picot N，et al.Jason-2 global statistical assessment and cross-calibration with Jason-1[J].Marine Geodesy，2010，33(S1)：162-185.

Precise orbit determination technology based on DORIS solution for HY-2 satellite

Jiang Xingwei1,Wang Xiaohui1，Peng Hailong1，Zhong Min2，Zhong Shiming2

(1.National Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081，China；2.Institute of Geodesy and Geophysics Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430077，China)

The HY-2 satellite，launched on October 16，2011 is the first dynamic environments satellite in China，carrying the DORIS tracking system which is one of main technology of precise orbit determination.The method and technological process of DORIS solution of HY-2 POD is introduced in detail，then the strategy of POD system is showed，finally the result of the MOE radial accuracy for DORIS solution of HY-2 satellite is given in this paper.

precise orbit determination；GPS；DORIS；SLR

V529

A

1009-1742（2014）06-0083-07

2014-04-09

海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目：HY-2衛(wèi)星海洋動力環(huán)境探測數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)技術(shù)系統(tǒng)與示范（2013418032）；海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“自主海洋動力環(huán)境衛(wèi)星微波遙感處理技術(shù)研究示范”（201105032）

王曉慧，1968年出生，女，黑龍江綏化市人，博士，副研究員，主要研究方向為衛(wèi)星精密定軌；E-mail：xhwang@mail.nsoas.gov.cn