HY-2衛(wèi)星激光觀測(cè)精密定軌技術(shù)

王曉慧，彭海龍，林明森，周旭華，吳 斌

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

HY-2衛(wèi)星激光觀測(cè)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(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.上海天文臺(tái)，上海 200030）

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

精密定軌；全球定位系統(tǒng)；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

1 前言

激光跟蹤系統(tǒng)（SLR）成為地測(cè)主要跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)超過了20年[1～3]。SLR跟蹤系統(tǒng)測(cè)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(shí)間。許多現(xiàn)代系統(tǒng)使用的是幾個(gè)光子或者單光子的水平，從跟蹤精度上看SLR代表最先進(jìn)的跟蹤系統(tǒng)，精度達(dá)到幾個(gè)毫米，絕對(duì)精度對(duì)于最好的儀器可以達(dá)到1 cm。對(duì)于所有的陸地跟蹤數(shù)據(jù)，中性大氣延遲可以計(jì)算，與無(wú)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(wú)線電波小。SLR系統(tǒng)主要弱點(diǎn)就是跟蹤站稀疏的地理分布和測(cè)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(hào)（HY-2）衛(wèi)星是中國(guó)第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，載有雷達(dá)高度計(jì)、雷達(dá)散射計(jì)、微波輻射計(jì)和校正輻射計(jì)，輔助設(shè)備有多普勒雷達(dá)和無(wú)線電定位組合系統(tǒng)（DORIS）接收機(jī)、雙頻GPS接收機(jī)和激光反射棱鏡陣列，其中激光反射棱鏡陣列為國(guó)內(nèi)自主研制。SLR跟蹤系統(tǒng)作為HY-2衛(wèi)星定軌基準(zhǔn)系統(tǒng)，同時(shí)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(bào)和精密定軌技術(shù)。

2 激光站控制子系統(tǒng)組成

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

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(dān)與國(guó)內(nèi)7個(gè)激光測(cè)距站、國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心（NSOAS）、地殼動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)（CDDIS）之間的自動(dòng)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(bào)。北京處理中心承擔(dān)SLR數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、SLR精密定軌和精密軌道評(píng)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(bào)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(biāo)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(guó)際激光測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(jìn)行軌道預(yù)報(bào)，包括CPF格式軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)及J2000.0坐標(biāo)系和地固系下的軌道預(yù)報(bào)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)與SLR月分析報(bào)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(yàn)評(píng)估生成質(zhì)量外部檢驗(yàn)報(bào)告。

3 HY-2衛(wèi)星SLR觀測(cè)情況

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

3.1 全球SLR激光站及觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

截至2013年8月31日，國(guó)內(nèi)外共有28個(gè)激光站參與對(duì)HY-2衛(wèi)星跟蹤觀測(cè)，獲得71849個(gè)觀測(cè)記錄。圖2為SLR站對(duì)HY-2衛(wèi)星的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)。橫坐標(biāo)的四位數(shù)字為臺(tái)站的國(guó)際編號(hào)，縱坐標(biāo)為觀測(cè)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(cè)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(shí)間序列給出的全球SLR跟蹤站每天的觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

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

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

由圖3可看出，觀測(cè)前期獲取SLR的觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)少些，以后就比較穩(wěn)定，每天都有4個(gè)以上的SLR站在跟蹤HY-2衛(wèi)星。HY-2的SLR觀測(cè)記錄足以實(shí)現(xiàn)對(duì)HY-2衛(wèi)星的精密定軌、軌道預(yù)報(bào)和軌道檢核等工作。

3.2 中國(guó)SLR激光站及觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

我國(guó)有7個(gè)激光測(cè)距站，為ILRS提供激光測(cè)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(cè)記錄。

對(duì)于北京天文臺(tái)在阿根廷建立的SLR激光站應(yīng)屬于中國(guó)SLR站，截至2012年3月29日，跟蹤到HY-2衛(wèi)星的中國(guó)SLR站有3個(gè)：長(zhǎng)春（7237）、上海（7821）和天文臺(tái)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(gè)站的SLR跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

由圖4可看出，長(zhǎng)春幾乎每天都有SLR觀測(cè)數(shù)據(jù)。上海和天文臺(tái)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(bào)

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

上海處理中心每天定時(shí)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(shí)向后提供3天的HY-2衛(wèi)星預(yù)報(bào)軌道，并用FTP傳給國(guó)際激光測(cè)距衛(wèi)星預(yù)報(bào)中心。如果把預(yù)報(bào)軌道和法國(guó)太空總署（CNES）的精密軌道作比較，則可以評(píng)價(jià)其精度。下面給出2012年2月3日—5日之間3天預(yù)報(bào)軌道與定軌結(jié)果的比較，結(jié)果見圖5。

用中誤差對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)3天預(yù)報(bào)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(cè)要求。

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

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

圖5 預(yù)報(bào)軌道與法國(guó)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(duì)HY-2衛(wèi)星精密定軌中，運(yùn)用的是動(dòng)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(shí)的軌跡，因此需要對(duì)精密定軌結(jié)果進(jìn)行軌道評(píng)估，軌道評(píng)估一般包括內(nèi)部驗(yàn)證和外部驗(yàn)證兩種類型，內(nèi)部驗(yàn)證主要完成軌道精度的內(nèi)部評(píng)估，外部驗(yàn)證主要實(shí)現(xiàn)與其他軟件定軌結(jié)果的互比驗(yàn)證分析。本文內(nèi)部驗(yàn)證采用了重疊弧段比較和激光檢核兩種方法，外部驗(yàn)證采用獨(dú)立軌道比較方法，選取的中等精度軌道星歷（MOE）產(chǎn)品時(shí)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(yàn)過程中，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。衛(wèi)星軌道徑向誤差檢驗(yàn)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(jìn)行HY-2衛(wèi)星軌道徑向精度檢驗(yàn)。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(dú)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(jìn)行比較，圖8給出了SLR和DORIS觀測(cè)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(cè)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(yùn)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(yǔ)

1）HY-2衛(wèi)星利用SLR聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了軌道預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)收發(fā)、精密定軌和軌道預(yù)報(bào)的閉環(huán)運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定。

2）截至2013年8月31日，國(guó)內(nèi)外共有28個(gè)激光站參與對(duì)HY-2衛(wèi)星跟蹤觀測(cè)，獲得71849個(gè)觀測(cè)記錄。中國(guó)SLR網(wǎng)有3個(gè)站參與觀測(cè)。SLR觀測(cè)精度優(yōu)于1 cm，與國(guó)外同類衛(wèi)星聯(lián)測(cè)相比觀測(cè)數(shù)量和質(zhì)量相當(dāng)。長(zhǎng)春SLR站在聯(lián)測(cè)中首次測(cè)到HY-2，中國(guó)SLR網(wǎng)采用kHz和白天測(cè)距技術(shù)在晴夜、地影和白天都能成功觀測(cè)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(bào)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(cè)要求。

4）對(duì)2012年3月的SLR精密定軌結(jié)果進(jìn)行了內(nèi)部和外部質(zhì)量驗(yàn)證，徑向MOE運(yùn)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(dú)立軌道比較為3.5 cm左右。

5）從激光聯(lián)測(cè)的數(shù)據(jù)獲取看，中國(guó)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(lái)源于長(zhǎng)春站、上海站和境外的阿根廷站。通過SLR聯(lián)測(cè)中國(guó)網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)HY-2精密定軌結(jié)果表明，如果能在我國(guó)天氣較好的西部增加2個(gè)站，可以獨(dú)立使用中國(guó)SLR網(wǎng)的聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)類似HY-2的衛(wèi)星精密定軌達(dá)到分米精度，將對(duì)我國(guó)衛(wèi)星的精密定軌有廣泛應(yīng)用。另外，在HY-2的SLR聯(lián)測(cè)中，中國(guó)SLR網(wǎng)的有些站激光器工作不正常（目前主要使用國(guó)外激光器），降低了SLR聯(lián)測(cè)的效率。目前我國(guó)研制的SLR專用激光器已有一定的基礎(chǔ)，希望我國(guó)有關(guān)部門支持，提高國(guó)產(chǎn)SLR激光器的研發(fā)水平。

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[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(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“HY-2衛(wèi)星海洋動(dòng)力環(huán)境探測(cè)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(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