HY-2衛(wèi)星激光觀測精密定軌技術(shù)

王曉慧，彭海龍，林明森，周旭華，吳 斌

（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.上海天文臺，上海 200030）

HY-2衛(wèi)星激光觀測精密定軌技術(shù)

王曉慧1，彭海龍1，林明森1，周旭華2，吳 斌2

（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.上海天文臺，上海 200030）

2011年8月16日發(fā)射的海洋二號（HY-2）衛(wèi)星是中國第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，配備的衛(wèi)星激光測距跟蹤系統(tǒng)即作為HY-2衛(wèi)星定軌基準系統(tǒng)，同時又是HY-2衛(wèi)星定軌系統(tǒng)之一。本文較為詳細地介紹了HY-2衛(wèi)星激光觀測、軌道預(yù)報和激光跟蹤系統(tǒng)（SLR）定軌技術(shù)，并對SLR定軌結(jié)果進行了初步檢驗。

精密定軌；全球定位系統(tǒng)；多普勒雷達和無線電定位組合系統(tǒng)（DORIS）；衛(wèi)星激光測距

1 前言

激光跟蹤系統(tǒng)（SLR）成為地測主要跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)超過了20年[1～3]。SLR跟蹤系統(tǒng)測量的是地面發(fā)射器發(fā)射的脈沖到衛(wèi)星上激光反射器，再由激光反射器反射到地面跟蹤站接收系統(tǒng)的雙程的時間。許多現(xiàn)代系統(tǒng)使用的是幾個光子或者單光子的水平，從跟蹤精度上看SLR代表最先進的跟蹤系統(tǒng)，精度達到幾個毫米，絕對精度對于最好的儀器可以達到1 cm。對于所有的陸地跟蹤數(shù)據(jù)，中性大氣延遲可以計算，與無線電波相比，激光所在的波段不受電離層的影響，而且水汽的影響也比無線電波小。SLR系統(tǒng)主要弱點就是跟蹤站稀疏的地理分布和測距局限在晴朗天氣的條件。

2011年8月16日發(fā)射的海洋二號（HY-2）衛(wèi)星是中國第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，載有雷達高度計、雷達散射計、微波輻射計和校正輻射計，輔助設(shè)備有多普勒雷達和無線電定位組合系統(tǒng)（DORIS）接收機、雙頻GPS接收機和激光反射棱鏡陣列，其中激光反射棱鏡陣列為國內(nèi)自主研制。SLR跟蹤系統(tǒng)作為HY-2衛(wèi)星定軌基準系統(tǒng)，同時也是HY-2定軌系統(tǒng)之一，本文介紹了HY-2衛(wèi)星SLR軌道預(yù)報和精密定軌技術(shù)。

2 激光站控制子系統(tǒng)組成

國際激光測距服務(wù)（ILRS）于1998年成立，功能是服務(wù)于全球SLR觀測和數(shù)據(jù)管理，通過向ILRS組織的申請，HY-2衛(wèi)星加入了SLR國際聯(lián)測。

HY-2衛(wèi)星激光站控制子系統(tǒng)由上海處理中心和北京處理中心兩部分組成，上海處理中心承擔與國內(nèi)7個激光測距站、國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心（NSOAS）、地殼動力學(xué)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)（CDDIS）之間的自動化、業(yè)務(wù)化的SLR數(shù)據(jù)傳輸和交換以及SLR軌道預(yù)報。北京處理中心承擔SLR數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、SLR精密定軌和精密軌道評估。激光站控制子系統(tǒng)組成如圖1所示。

1）北京數(shù)據(jù)處理中心將精密衛(wèi)星預(yù)報星歷數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)交換文件傳輸協(xié)議（FTP），傳輸給上海處理中心。

2）ILRS組織將HY-2衛(wèi)星SLR地面跟蹤站坐標數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)交換FTP，傳輸給上海處理中心。

3）國際激光測距數(shù)據(jù)處理中心從數(shù)據(jù)交換FTP獲取CPF格式激光觀測數(shù)據(jù)文件，并將全球激光數(shù)據(jù)資料上傳到數(shù)據(jù)交換FTP，傳輸給上海處理中心。

圖1 激光站控制子系統(tǒng)組成Fig.1 The configuration of SLR station control subsystem for HY-2 satellite

4）上海處理中心從數(shù)據(jù)交換FTP獲取觀測數(shù)據(jù)文件，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，獲取預(yù)處理后的SLR觀測數(shù)據(jù)，并將其上傳到數(shù)據(jù)交換FTP，經(jīng)過精密軌道確定模塊處理，得到精密軌道，并將其上傳到數(shù)據(jù)交換FTP，進行軌道預(yù)報，包括CPF格式軌道預(yù)報數(shù)據(jù)及J2000.0坐標系和地固系下的軌道預(yù)報數(shù)據(jù)。

5）北京數(shù)據(jù)處理中心從數(shù)據(jù)交換FTP獲取激光觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過激光數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析，生成預(yù)處理后的SLR觀測數(shù)據(jù)與SLR月分析報告。

6）北京數(shù)據(jù)處理中心從數(shù)據(jù)交換FTP獲取精密軌道數(shù)據(jù)，經(jīng)過軌道產(chǎn)品外部質(zhì)量檢驗評估生成質(zhì)量外部檢驗報告。

3 HY-2衛(wèi)星SLR觀測情況

當前全球約有50多個人衛(wèi)激光測距跟蹤站，且分布比較均勻。相當多的SLR站通過了儀器改造，具備白天觀測功能。從地理位置角度，SLR站大致分屬3個國際網(wǎng)，美國宇航局網(wǎng)（NASA）、歐洲網(wǎng)（EUROLAS）和西太平洋網(wǎng)（WPLTN）。我國有7個激光測距站，為ILRS提供激光測距數(shù)據(jù)。

3.1 全球SLR激光站及觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

截至2013年8月31日，國內(nèi)外共有28個激光站參與對HY-2衛(wèi)星跟蹤觀測，獲得71849個觀測記錄。圖2為SLR站對HY-2衛(wèi)星的觀測統(tǒng)計。橫坐標的四位數(shù)字為臺站的國際編號，縱坐標為觀測記錄。

從圖2可看出，7090（Yarragadee，澳大利亞）SLR站獲得的HY-2的激光測距數(shù)目最多，7825站（Mt Stromlo，澳大利亞）、7105（Greenbelt，馬里蘭）和7810（Zimmerwald，瑞士）次之。

圖3為2011年10月2日—2012年2月29日按時間序列給出的全球SLR跟蹤站每天的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

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

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

由圖3可看出，觀測前期獲取SLR的觀測數(shù)據(jù)相對少些，以后就比較穩(wěn)定，每天都有4個以上的SLR站在跟蹤HY-2衛(wèi)星。HY-2的SLR觀測記錄足以實現(xiàn)對HY-2衛(wèi)星的精密定軌、軌道預(yù)報和軌道檢核等工作。

3.2 中國SLR激光站及觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

我國有7個激光測距站，為ILRS提供激光測距數(shù)據(jù)。武漢等SLR站由于設(shè)備和天氣問題，一直沒有給出HY-2衛(wèi)星的SLR觀測記錄。

對于北京天文臺在阿根廷建立的SLR激光站應(yīng)屬于中國SLR站，截至2012年3月29日，跟蹤到HY-2衛(wèi)星的中國SLR站有3個：長春（7237）、上海（7821）和天文臺阿根廷（7406）站。

圖4給出2011年10月2日—2012年2月29日上述3個站的SLR跟蹤觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

由圖4可看出，長春幾乎每天都有SLR觀測數(shù)據(jù)。上海和天文臺阿根廷站由于天氣等原因，跟蹤有間斷。

4 HY-2衛(wèi)星SLR軌道預(yù)報

從SLR站常規(guī)觀測角度，每天都要根據(jù)CPF格式的預(yù)報軌道擬定跟蹤計劃。根據(jù)跟蹤計劃，對地球衛(wèi)星進行有選擇的跟蹤。如果SLR站獲取的CPF格式軌道預(yù)報精度很差，就有可能跟蹤不到衛(wèi)星，因此高精度預(yù)報軌道對SLR跟蹤站非常重要。

上海處理中心每天定時下載HY-2衛(wèi)星的SLR數(shù)據(jù)。利用前3天SLR數(shù)據(jù)在精密定軌的同時向后提供3天的HY-2衛(wèi)星預(yù)報軌道，并用FTP傳給國際激光測距衛(wèi)星預(yù)報中心。如果把預(yù)報軌道和法國太空總署（CNES）的精密軌道作比較，則可以評價其精度。下面給出2012年2月3日—5日之間3天預(yù)報軌道與定軌結(jié)果的比較，結(jié)果見圖5。

用中誤差對上述數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)3天預(yù)報軌道與精密定軌結(jié)果在X、Y、Z方向的中誤差分別為24.4 m、24.6 m和33.7 m；在RTN方向分別為0.2 m、48.8 m和2.1 m；三維差異為48.4 m，滿足SLR觀測要求。

分析1個月的軌道預(yù)報，發(fā)現(xiàn)3天預(yù)報結(jié)果與CNES的MOE差異的RMS都小于200 m。目前的SLR站對HY-2的跟蹤狀況也證實了上海處理中心發(fā)布的預(yù)報軌道精度滿足要求。

圖4 SLR站對HY-2衛(wèi)星的觀測統(tǒng)計Fig.4 The measurement statistics of HY-2 satellite for the SLR stations

圖5 預(yù)報軌道與法國DORIS精密定軌結(jié)果的比較Fig.5 The orbit comparison between DORIS solution and the predicted SLR solution

5 HY-2衛(wèi)星SLR精密定軌

5.1 SLR精密定軌策略

在用SLR數(shù)據(jù)對HY-2衛(wèi)星精密定軌中，運用的是動力學(xué)方法，力學(xué)模型及參數(shù)如表1所示。

5.2 SLR精密定軌

由于衛(wèi)星沒有真實的軌跡，因此需要對精密定軌結(jié)果進行軌道評估，軌道評估一般包括內(nèi)部驗證和外部驗證兩種類型，內(nèi)部驗證主要完成軌道精度的內(nèi)部評估，外部驗證主要實現(xiàn)與其他軟件定軌結(jié)果的互比驗證分析。本文內(nèi)部驗證采用了重疊弧段比較和激光檢核兩種方法，外部驗證采用獨立軌道比較方法，選取的中等精度軌道星歷（MOE）產(chǎn)品時間為2012年3月。

表1 力學(xué)模型及解算參數(shù)設(shè)置Table 1 SLR solution for POD of HY-2 satellite

5.2.1 重疊弧段比較

重疊弧段比較定軌弧段采用30 h，相鄰弧段重復(fù)6 h，圖6給出了2012年3月SLR精密定軌重疊弧段比較結(jié)果。從圖6可看到，SLR定軌結(jié)果重疊弧段比較均方差（RMS）為2 cm左右。

圖6 SLR精密定軌重疊弧段比較結(jié)果（2012年3月MOE）Fig.6 The overlap orbit comparison results for SLR solution（MOE，March，2012）

5.2.2 激光檢核

激光檢驗過程中，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)進行HY-2衛(wèi)星軌道徑向精度檢驗。圖7給出了2012年3月利用SLR資料精密定軌的軌道SLR殘差分布，其中SLR殘差RMS為3.73 cm。從圖7可看出，SLR殘差有些偏差。

圖7 SLR定軌產(chǎn)品SLR檢核結(jié)果（2012年3月MOE）Fig.7 The results of SLR validation for SLR solution（MOE，March，2012）

5.2.3 獨立軌道比較

分別將DORIS和GPS定軌產(chǎn)品與SLR定軌的MOE產(chǎn)品進行比較，圖8給出了SLR和DORIS觀測數(shù)據(jù)精密定軌的徑向MOE的比較結(jié)果，圖9給出了SLR和GPS觀測數(shù)據(jù)精密定軌徑向MOE的比較結(jié)果。從圖中可以看到，SLR定軌產(chǎn)品在2012年3月運行比較穩(wěn)定，SLR定軌與DORIS定軌結(jié)果比較徑向RMS為2.97 cm，與GPS定軌產(chǎn)品比較徑向RMS為3.49 cm。

圖8 DORIS定軌與SLR定軌產(chǎn)品徑向比較結(jié)果（2012年3月MOE）Fig.8 The radial orbit comparison results between DORIS and SLR solution（MOE，March，2012）

圖9 GPS定軌與SLR定軌產(chǎn)品徑向比較結(jié)果（2012年3月MOE）Fig.9 The radial orbit comparison between GPS and SLR solution（MOE，March，2012）

6 結(jié)語

1）HY-2衛(wèi)星利用SLR聯(lián)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)了軌道預(yù)報、數(shù)據(jù)收發(fā)、精密定軌和軌道預(yù)報的閉環(huán)運行，運行穩(wěn)定。

2）截至2013年8月31日，國內(nèi)外共有28個激光站參與對HY-2衛(wèi)星跟蹤觀測，獲得71849個觀測記錄。中國SLR網(wǎng)有3個站參與觀測。SLR觀測精度優(yōu)于1 cm，與國外同類衛(wèi)星聯(lián)測相比觀測數(shù)量和質(zhì)量相當。長春SLR站在聯(lián)測中首次測到HY-2，中國SLR網(wǎng)采用kHz和白天測距技術(shù)在晴夜、地影和白天都能成功觀測到HY-2。

3）利用3天SLR數(shù)據(jù)，可以給出3天HY-2衛(wèi)星高精度預(yù)報軌道。與CNES的MOE軌道相比，其差異不超過200 m，能滿足正常SLR觀測要求。

4）對2012年3月的SLR精密定軌結(jié)果進行了內(nèi)部和外部質(zhì)量驗證，徑向MOE運行比較穩(wěn)定，重疊弧段比較殘差為2 cm左右，激光檢核為3.73 cm，獨立軌道比較為3.5 cm左右。

5）從激光聯(lián)測的數(shù)據(jù)獲取看，中國SLR網(wǎng)的數(shù)據(jù)由于天氣的影響，數(shù)據(jù)偏少，數(shù)據(jù)主要來源于長春站、上海站和境外的阿根廷站。通過SLR聯(lián)測中國網(wǎng)數(shù)據(jù)對HY-2精密定軌結(jié)果表明，如果能在我國天氣較好的西部增加2個站，可以獨立使用中國SLR網(wǎng)的聯(lián)測數(shù)據(jù)對類似HY-2的衛(wèi)星精密定軌達到分米精度，將對我國衛(wèi)星的精密定軌有廣泛應(yīng)用。另外，在HY-2的SLR聯(lián)測中，中國SLR網(wǎng)的有些站激光器工作不正常（目前主要使用國外激光器），降低了SLR聯(lián)測的效率。目前我國研制的SLR專用激光器已有一定的基礎(chǔ)，希望我國有關(guān)部門支持，提高國產(chǎn)SLR激光器的研發(fā)水平。

[1]Degnan J D.Satellite laser ranging：Current status and future prospects[J].IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing，1985，GE-23（4）：398-413.

[2]Nerem R S，Chao B F，Au A Y，et al.Temporal variations of the Earth’s gravitational field from satellite laser ranging to Lageos[J].Geophysical Research Letters，1993，20（7）：595-598.

[3]Tapley B D，Schutz B E，Eanes R J，et al.Lageos laser ranging contributions to geodynamics，geodesy，and orbital dynamics[J].Geodynamics Series，1993，24：147-173.

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

Wang Xiaohui1，Peng Hailong1，Lin Mingsen1，Zhou Xuhua2，Wu Bin2

（1.National Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081，China；2.Shanghai Astronomical Observatory，Shanghai 200030，China）

The HY-2 satellite，launched on August 16，2011，is the first dynamic environmental satellite in China，carrying the SLR tracking system which serves as the baseline tracking system，and in the meantime is one of technologies of precise orbit determination.The measurement statistics of HY-2 satellite for the SLR stations，the orbit prediction，and the technology of SLR solution of HY-2 POD are showed.Finally the result of the MOE radial accuracy verification for SLR solution of HY-2 satellite is given in this paper.

precise orbit determination；GPS；DORIS；SLR

V443

A

1009-1742（2014）06-0090-07

2014-04-10

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），“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