HY-2衛(wèi)星雙頻GPS精密定軌技術(shù)

林明森，王曉慧，彭海龍，趙齊樂(lè)，李 敏

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.武漢大學(xué)，武漢 430072）

HY-2衛(wèi)星雙頻GPS精密定軌技術(shù)

林明森1，王曉慧1，彭海龍1，趙齊樂(lè)2，李 敏2

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.武漢大學(xué)，武漢 430072）

海洋二號(hào)(HY-2)衛(wèi)星雙頻全球定位跟蹤系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)獲取的GPS數(shù)據(jù)是基于非差簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)方法應(yīng)用于HY-2衛(wèi)星精密軌道確定。差分GPS載波相位數(shù)據(jù)可以消除鐘差，同時(shí)利用GPS數(shù)據(jù)獲得HY-2衛(wèi)星軌道和GPS衛(wèi)星軌道。GPS數(shù)據(jù)確定的軌道利用激光測(cè)距進(jìn)行了檢核，并與法國(guó)太空總署確定的軌道以及綜合定軌策略確定的軌道進(jìn)行了比較，HY-2衛(wèi)星基于GPS數(shù)據(jù)精密軌道徑向成分優(yōu)于3 cm。

精密定軌；GPS；多普勒雷達(dá)和無(wú)線電定位組合系統(tǒng)(DORIS)；衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)

1 前言

2011年8月16日發(fā)射的海洋二號(hào)（HY-2）衛(wèi)星對(duì)全球海洋動(dòng)力環(huán)境的長(zhǎng)期、連續(xù)、高精度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提供高精度的海面風(fēng)場(chǎng)、海面高度和海面溫度等數(shù)據(jù)產(chǎn)品。HY-2衛(wèi)星軌道為太陽(yáng)同步近圓形軌道，軌道高度為963 km和965 km，軌道傾斜角為99.34°。與其他高度計(jì)衛(wèi)星類(lèi)似，軌道徑向誤差是高度計(jì)觀測(cè)主要誤差源，事實(shí)上軌道誤差是構(gòu)成高度計(jì)誤差預(yù)算的主要組成部分。HY-2衛(wèi)星事后精密軌道徑向精度預(yù)算指標(biāo)為10 cm。

雙頻全球定位系統(tǒng)（GPS）數(shù)據(jù)應(yīng)用于低軌衛(wèi)星軌道確定將近30年了，目前這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)得到相當(dāng)可觀的發(fā)展，已成為T(mén)OPEX/Poseidon(T/P)、ENVISAT、Jason-1和Jason-2等衛(wèi)星主要厘米級(jí)定軌手段之一[1～4]。HY-2衛(wèi)星搭載的雙頻GPS接收機(jī)為國(guó)內(nèi)自主研制，雙頻GPS精密定軌作為HY-2衛(wèi)星的主要定軌方案之一，本文分析了雙頻GPS接收機(jī)基本性能，并給出了初步雙頻GPS定軌精度結(jié)果。

2 星載GPS精密定軌原理及策略

2.1 星載GPS精密定軌原理

基于GPS的HY-2衛(wèi)星精密軌道確定采用非差簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)方法。精密定軌方法一般包括動(dòng)力學(xué)（dynamic solutions）、簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)（reduced dynamic solutions）以及運(yùn)動(dòng)學(xué)（kinematic solutions）定軌策略，其中簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌策略實(shí)際上就是純動(dòng)力法定軌和運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌兩種極限情況的一種中間策略，該方法充分利用衛(wèi)星的幾何和動(dòng)力學(xué)信息，在定軌過(guò)程中使用卡爾曼濾波器，通過(guò)將沒(méi)有建?；蚰Ｐ筒粶?zhǔn)確的加速度當(dāng)作平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程（一般為一階Gauss-Markov過(guò)程模型），以此來(lái)解釋觀測(cè)的衛(wèi)星軌道與預(yù)計(jì)的衛(wèi)星軌道之間的偏離；一般來(lái)講，簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌方法尋求的是將局部的幾何觀測(cè)值改正到動(dòng)態(tài)確定的、收斂的軌道解上去，從而最大限度地利用可觀測(cè)性。由于GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以全天候獲得高精度的衛(wèi)星星歷，采用簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)方法可以充分利用觀測(cè)數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)非差處理只需要HY-2衛(wèi)星本身的GPS接收數(shù)據(jù)，采用非差狀態(tài)估計(jì)和非差模糊度固定進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。非差狀態(tài)估計(jì)是計(jì)算非差觀測(cè)數(shù)據(jù)的觀測(cè)量減去計(jì)算量(OMC)及對(duì)待估參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，然后組成法方程，對(duì)失效參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)消除，對(duì)最終組成的法方程進(jìn)行解算，并恢復(fù)殘差和隨機(jī)參數(shù)估計(jì)值。非差模糊度固定是在以非差方式進(jìn)行定軌與定位數(shù)據(jù)處理中，對(duì)非差模糊度形成的雙差模糊度進(jìn)行整數(shù)固定，固定的雙差整周模糊度作為虛擬觀測(cè)值，引入觀測(cè)方程與法方程，提高定軌與定位精度。非差模糊度固定是提高定軌與定位精度的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 HY-2衛(wèi)星雙頻GPS定軌流程

GPS精密定軌軟件流程如圖1所示。

圖1 GPS精密定軌軟件流程圖Fig.1 The diagram of the precise orbit determination for GPS solution

GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并進(jìn)行評(píng)價(jià)直到獲取粗差剔除及周跳探測(cè)后的觀測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)用軌道積分器獲取衛(wèi)星位置以及動(dòng)力學(xué)偏導(dǎo)數(shù)，同時(shí)調(diào)用誤差模型改正模塊，線性化模塊獲取幾何偏導(dǎo)數(shù)和預(yù)測(cè)殘差，最后輸入非差參數(shù)估計(jì)模塊并調(diào)用非差模糊度固定模塊進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；然后調(diào)用數(shù)據(jù)編輯模塊，將估計(jì)模塊生成的驗(yàn)后殘差輸入數(shù)據(jù)再編輯模塊，獲取粗差和周跳探測(cè)信息；然后進(jìn)行初始軌道生成，得到軌道根數(shù)，進(jìn)行衛(wèi)星軌道擬合，獲取6個(gè)初始軌道參數(shù)；軌道根數(shù)進(jìn)行軌道積分，獲取衛(wèi)星軌道。

2.3 星載雙頻GPS定軌策略

HY-2衛(wèi)星精密定軌解算的兩類(lèi)軌道：中等精度軌道星歷（medium accuracy orbit ephemeris，MOE）和精密軌道星歷（precise orbit ephemeris，POE）。MOE弧長(zhǎng)30 h，相鄰弧段重疊2 h，時(shí)效延遲26 h；POE弧長(zhǎng)7天，相鄰弧段重疊4 h，時(shí)效延遲30天。

表1給出了在MOE和POE軌道確定中所采用力模型、數(shù)據(jù)和待估參數(shù)，其中MOE和POE軌道除數(shù)據(jù)處理時(shí)間段有所不同外，其他差異主要在所采用的GPS軌道和鐘差產(chǎn)品不同，MOE定軌采用本軟件解算的超快速GPS軌道和鐘差，而POE則采用歐洲定軌中心（CODE）提供的精密軌道和鐘差。

表1 HY-2衛(wèi)星GPS/SLR精密定軌策略Table 1 GPS solution for POD of HY-2 satellite

圖2～圖4給出了2012年3月HY-2衛(wèi)星雙頻GPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。圖2展示了所有觀測(cè)數(shù)據(jù)雙頻完整性統(tǒng)計(jì)結(jié)果雙頻完整性為95.2%，表明雙頻完整性很好；圖3中紅色、綠色代表的P1碼、P2碼多路徑誤差均方差（RMS）分別在0.765 m和0.354 m左右，多路徑效應(yīng)比較明顯；由于形成多路徑效應(yīng)原因比較復(fù)雜，尚不能確定具體原因，可以通過(guò)努力消除此影響。圖4統(tǒng)計(jì)的是L1、L2和P1、P2的完整性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明HY-2星載GPS數(shù)據(jù)中L2比L1頻率數(shù)據(jù)丟失較多，這主要是由于GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)L2頻率信號(hào)弱于L1頻率等原因所致，此項(xiàng)指標(biāo)反映了接收機(jī)的捕獲能力。圖5給出的是定軌中使用的觀測(cè)數(shù)個(gè)數(shù)，此數(shù)據(jù)由不同的定軌軟件和定軌策略所決定，是定軌分析的一個(gè)輔助工具。從圖5中發(fā)現(xiàn)只有一天的統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)低于2000個(gè)，其他都在2000以上，說(shuō)明定軌中所使用的觀測(cè)值個(gè)數(shù)屬于正常范疇。

圖2 所有觀測(cè)數(shù)據(jù)雙頻完整性統(tǒng)計(jì)Fig.2 The statistics of all double-frequency GPS data

圖3 所有的P1、P2碼觀測(cè)值多路徑誤差統(tǒng)計(jì)Fig.3 The measurement statistics of all P1 and P2 code

圖4 所有觀測(cè)數(shù)據(jù)類(lèi)型完整性統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 The statistics of all types for GPS data

圖5 所有觀測(cè)值個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 The statistics of all number of GPS observations

3 精密定軌結(jié)果及分析

這里采用衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)檢核和獨(dú)立軌道比較兩種方法來(lái)檢驗(yàn)雙頻GPS確定的2012年3月MOE產(chǎn)品的精度。MOE產(chǎn)品弧長(zhǎng)30 h，相鄰軌道重疊2 h。

3.1 SLR檢核軌道精度

SLR檢驗(yàn)軌道過(guò)程中，SLR殘差作為軌道精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，SLR殘差為SLR直接測(cè)得的站星距與星載GPS/DORIS定軌結(jié)果計(jì)算得到的站星距之差?？紤]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(jìn)行檢驗(yàn)。

GPS和法國(guó)太空總署（CNES）DORIS定軌產(chǎn)品檢核結(jié)果如圖6和圖7所示，同時(shí)表2也給出兩種產(chǎn)品檢核結(jié)果。

圖6 GPS定軌產(chǎn)品SLR檢核結(jié)果（2012年3月MOE）Fig.6 The results of SLR validation for MOE of GPS solution(March，2012)

圖7 法國(guó)CNES產(chǎn)品SLR檢核結(jié)果（2012年3月MOE）Fig.7 The results of SLR validation for MOE of CNES(March，2012)

表2 MOE徑向精度SLR檢核結(jié)果Table 2 The results of SLR validation for the radial accuracy of MOE

從SLR檢核結(jié)果看，CNES DORIS定軌和國(guó)內(nèi)GPS定軌的MOE精度分別為3.43 cm和2.94 cm。法國(guó)DORIS定軌產(chǎn)品MOE徑向精度優(yōu)于3.5 cm，國(guó)內(nèi)GPS定軌產(chǎn)品優(yōu)于3 cm。從結(jié)果可以看出，法國(guó)SLR檢核結(jié)果均值比較大，直接影響了檢核結(jié)果。

3.2 獨(dú)立軌道比較

獨(dú)立軌道是指不同機(jī)構(gòu)采用不同軟件計(jì)算得到的兩段獨(dú)立軌道比較，同時(shí)也可指采用不同類(lèi)型觀測(cè)數(shù)據(jù)定軌得到的兩段軌道之間的比較。這里將GPS定軌產(chǎn)品分別與國(guó)內(nèi)DORIS定軌、GPS/DORIS定軌以及法國(guó)提供的DORIS定軌產(chǎn)品相比較。表3給出了MOE徑向精度獨(dú)立機(jī)構(gòu)比較結(jié)果。

表3 MOE徑向精度獨(dú)立機(jī)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，GPS定軌產(chǎn)品與法國(guó)DORIS、DORIS和GPS/DORIS定軌產(chǎn)品比較徑向精度分別為1.97 cm、2.65 cm和2.02 cm。獨(dú)立軌道比較結(jié)果顯示GPS定軌MOE徑向精度優(yōu)于3 cm。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)2012年3月GPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到HY-2衛(wèi)星雙頻數(shù)據(jù)完整性很好，可達(dá)到95.2%；L1頻率數(shù)據(jù)丟失很少，由于L2頻率信號(hào)弱一些，丟失稍多一些，但仍達(dá)到95.2%，反映了其良好的捕獲能力；GPS數(shù)據(jù)P1和P2碼多路徑效應(yīng)比較明顯，原因有待于進(jìn)一步分析。

雙頻GPS定軌產(chǎn)品通過(guò)SLR檢核和獨(dú)立軌道比較兩種方法驗(yàn)證，GPS精密定軌產(chǎn)品精度優(yōu)于3 cm，與國(guó)際水平相當(dāng)。

[1]Cerril 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.

[2]Wily Bertiger，Shailen D Desai，Angie Dorsey，et al.Sub-Centimeter precision orbit determination with GPS for ocean altimetry[J].Marine Geodesy，2010，33(S1)：363-378.

[3]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.

[4]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 dual-frequency GPS solution for HY-2 satellite

Lin Mingsen1，Wang Xiaohui1，Peng Hailong1，Zhao Qile2，Li Min2

(1.National Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081，China；2.University of Wuhan，Wuhan 430072，China)

The global positioning system(GPS)data acquired by the HY-2 satellite GPS receiver have been used in a dynamic orbit determination，which was based on the description of the gravitational and nongra-vitational forces in the equations of motion.The GPS carrier data were processed in a difference mode to remove clock errors.Simultaneous estimation of the HY-2 satellite orbit and GPS orbit was performed using the data in March(2012).The resulting HY-2 satellite orbits have been compared with the Centre National d’Etudes Spatiales(CNES)orbits and reduced dynamic orbits for GPS/DORIS/SLR strategies，and in the meantime confirmed with SLR validation.The radical component of the GPS orbit was found to agree with better than 3 cm.

precise orbit determination；GPS；Doppler orbitography and radiopositioning integrated by satellite(DORIS)；SLR

V529

A

1009-1742（2014）06-0097-05

2014-04-09

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)：海洋動(dòng)力環(huán)境微波遙感信息提取技術(shù)與應(yīng)用（2013AA09A505）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“自主海洋動(dòng)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?yàn)樾l(wèi)星精密定軌；E-mail：xhwang@mail.nsoas.gov.cn