HY-2衛星DORIS精密定軌技術

蔣興偉，王曉慧，彭海龍，鐘 敏，鐘世明

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

HY-2衛星DORIS精密定軌技術

蔣興偉1，王曉慧1，彭海龍1，鐘 敏2，鐘世明2

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

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

精密定軌；GPS；DORIS；激光測距

1 前言

高度計測高應用的需求，加速了精密定軌技術的進步，尤其在TOPEX/Poseidon（T/P）的發射后，使衛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模型的改進之外，跟蹤技術的提高是至關重要的。激光測距(satellite laser ranging，SLR）精度由20世紀60年代的幾百米量級提高到現在的毫米級；自從T/P的發射，出現了多普勒雷達和無線電定位組合系統(doppler orbitography and radiopositioning integrated by satellite，DORIS)及全球定位跟蹤系統（global positioning system，GPS），由于密集分布的跟蹤網和高精度的測量數據使得定軌精度有了顯著提高[1～5]。

2011年8月16日我國發射的海洋二號（HY-2）衛星載有雷達高度計、雷達散射計、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，其中DORIS跟蹤系統與法國合作。本文介紹了HY-2衛星DORIS定軌技術應用情況，給出了精密定軌初步結果。

2 精密定軌業務化系統

HY-2衛星精密定軌系統由數據收集和交換子系統、精密軌道預報子系統、精密定軌計算子系統組成，系統組成如圖1所示。

數據收集與交換子系統由數據預處理模塊、數據下載模塊、數據收集和交換模塊構成。衛星原始數據通過數據預處理模塊對原始數據包進行預處理，獲得DORIS數據包、衛星姿態數據以及GPS RINEX 2.2一級產品；通過與Internet網絡連接，數據下載模塊通過國際GPS服務（international GPS service）機構數據和產品中心、IERS（international earth rotation service）產品中心、DORIS以及SLR服務中心完成各類精密定軌相關產品與天文輔助數據的下載；數據收集與交換模塊實現與法國之間的數據交換功能以及完成所有數據的收集管理，并通過物理網閘完成Internet網絡與業務網之間的數據傳輸。

精密軌道預報子系統根據全球激光站觀測數據計算衛星預報軌道，并實時向國際激光測距組織提供HY-2衛星軌道預報文件。

精密定軌計算子系統由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個機構獨立完成。精密定軌計算子系統這4套定軌程序通過讀取數據管理模塊的精密定軌輸入數據即DORIS、GPS和SLR觀測數據以及所有的外網下載精密定軌輔助數據進行軌道計算，實時提供HY-2精密定軌medium accuracy orbit ephemeris(MOE)產品和事后處理precise orbit ephemeris(POE)產品。

3 精密定軌技術流程和定軌策略

3.1 DORIS/SLR精密定軌技術流程

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

觀測數據、控制文件通過文件完備性檢測，生成數據完備性檢驗報告，通過檢測則進行數據格式轉換，生成內部數據格式的觀測數據，進行測量誤差修正，獲取修正誤差的觀測數據。修正誤差的觀測數據經過精密定軌模擬仿真，獲取仿真觀測數據，輔助進行觀測數據的預處理。數據預處理后進行數據的預報/比較，獲取衛星狀態和星歷，獲取攝動力值等相關數據，進行初始軌道生成；獲取軌道星歷，進行軌道積分，生成衛星參考軌道和偏導數；衛星參考軌道進行軌道數據插值和數據轉換生成測高數據交叉點軌道；軌道參考數據進行軌道質量內外部驗證，生成質量檢驗報告文檔。偏導數數據作為動力學模型計算的輸入數據。

3.2 DORIS/SLR精密定軌策略

HY-2衛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衛星精密定軌共有兩種產品：MOE和POE產品，這里對DORIS/SLR定軌MOE產品進行檢驗，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據對其定軌結果進行外部檢驗。檢驗過程中，SLR殘差為SLR直接測得的站星距與星載GPS/DORIS定軌結果計算得到的站星距之差。衛星軌道徑向誤差檢驗一般采用高仰角激光數據，考慮HY-2激光數據量，這里采用仰角大于60°的激光數據對HY-2衛星軌道進行檢驗。

4.2 獨立軌道比較

評估衛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據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誤差和長期趨勢。

DORIS/SLR定軌產品將分別與3種不同機構的定軌產品進行比較，這3種不同機構產品分別為GPS/SLR定軌產品、GPS/DORIS/SLR定軌產品和法國提供的DORIS定軌產品。

5 精密定軌結果

5.1 SLR數據統計分析

2012年5月，國內外共有17個激光站參與對HY-2衛星跟蹤觀測，獲得2478個觀測記錄。圖3為按SLR站給出的激光數據的統計。

從圖3中可以看出，激光觀測站數據不是很均衡，各觀測站數據量差距比較大。

圖3 SLR站對HY-2衛星的觀測統計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產品進行檢驗，DORIS/SLR和法國DORIS定軌產品檢核結果如圖4和圖5所示，同時表2也給出了兩種產品的檢核結果。

圖4 DORIS/SLR定軌產品SLR檢核結果（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產品SLR檢核結果（2012年5月MOE）Fig.5 The results of SLR validation for MOE of CNES(May，2012)

表2 SLR檢核結果Table 2 The results of SLR validation

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

5.3 獨立軌道比較

DORIS/SLR定軌產品分別與法國DORIS、GPS/SLR和GPS/DORIS/SLR定軌產品徑向比較，比較結果分別如圖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定軌與法國定軌產品徑向比較結果（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定軌產品徑向比較結果（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定軌產品徑向比較結果（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徑向精度獨立機構比較結果Table 3 The comparison results for different solutions for the radial accuracy of MOE

從比較結果看出，DORIS/SLR定軌與法國DORIS、GPS/SLR和GPS/DORIS/SLR定軌產品比較，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，因此對比較結果有一定的影響，雖然如此，獨立軌道比較結果顯示DORIS/SLR定軌MOE徑向精度優于4 cm。

6 結語

DORIS/SLR定軌技術作為HY-2衛星主要定軌技術之一，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徑向精度優于4 cm。

從SLR檢核殘差結果發現，DORIS/SLR定軌產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。另外從軌道檢驗結果看，應該剔除由于業務運行中各種原因而產生的異常數據，從而使得檢核結果更客觀反映定軌產品質量。

[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

海洋公益性行業科研專項經費項目：HY-2衛星海洋動力環境探測數據應用服務技術系統與示范（2013418032）；海洋公益性行業科研專項經費項目“自主海洋動力環境衛星微波遙感處理技術研究示范”（201105032）

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