基于DORIS數據的JASON-3衛星精密定軌

高園園，趙春梅，張小強

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266510；2.中國測繪科學研究院，北京 100830；3.中國航天科工信息技術研究院，北京 100070)

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基于DORIS數據的JASON-3衛星精密定軌

高園園1，趙春梅2，張小強3

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266510；2.中國測繪科學研究院，北京 100830；3.中國航天科工信息技術研究院，北京 100070)

針對JASON-3衛星的精密定軌問題，采用了將DORIS RINEX格式的相位觀測值轉換為距離變化率的數據處理方法，基于統計定軌原理，精密確定了JASON-3衛星2016-03-01—2016-03-07和2016-03-06—2016-03-12兩個7 d弧段的軌道。結果表明：通過重疊弧段檢驗，2弧段的定軌結果相差在7.5 cm左右，反映了定軌精度的可靠性。將2弧段的定軌結果與SSA軌道比較，軌道偏差在X、Y、Z方向上的標準差在3.12～4.71 cm范圍內，其徑向軌道偏差分別為1.55 cm、1.63 cm，滿足海洋測高衛星定軌任務的需求。

JASON-3衛星；DORIS；DORIS 相位數；精密定軌；精度評估

0 引言

JASON-3衛星是由美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)，法國空間研究中心(Centre National d′Etudes Spatiales，CNES)，美國海洋和大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)等機構合作研制的又一顆海洋測高衛星，于2016-01-17發射成功。JASON-3衛星采用了與JASON-2衛星相同的軌道設計，其軌道高度為1 336 km，傾角為66°，軌道周期為10 d。Jason-3衛星主要用于全球氣候監測、業務海洋學和季節預報工作，是海洋測高衛星星座的重要組成部分。JASON-3衛星上裝載有星基多普勒軌道確定和無線電定位組合系統(doppler orbitography and radio-positionng integrated by satellite，DORIS)接收機、全球定位系統(global positioning system，GPS)接收機和衛星激光測距(satellite laser ranging，SLR)反射器，用以對衛星進行精密定軌。

DORIS系統是由法國空間研究中心、法國大地測量研究所和法國國家地理研究所共同經過近十年的努力研制成功的，可以提供全弧段高精度軌道產品，主要用于衛星精密定軌和地面精確定位[1-2]。JASON-3衛星上裝載了新一代DGXX-S接收機，考慮了JASON-2衛星的優勢和不足。新一代接收機可以進行實時定位和精密衛星定軌，相比之前的DORIS接收機主要有以下優點：新一代DGXX-S接收機吸取了JASON-2衛星得到的經驗與教訓；DORIS的天線定位作了調整以聯合多個潛在的發射通道作業；優化了太陽能電池的位置模型；遠距離測距技術使得觀測數據可以生成地極產品。JASON-3衛星的DORIS數據格式為與GPS觀測數據格式類似的RINEX DORIS 3.0格式。數據類型為碼觀測值和相位觀測值，其中相位觀測值的精度可以達到幾毫米，可以用于精密定軌和定位。

DORIS觀測具有周期短、全天候、數據多、信標站分布均勻等優點[3-4]。目前，國內外很多學者對DORIS系統及其精密定軌進行了許多成熟的研究[5-17]：文獻[5]基于DORIS跟蹤數據實現對JASON-1和JASON-2的徑向定軌精度達到1 cm；文獻[6]計算的三維位置精度分別達到了2.7 cm和2.9 cm；文獻[7]基于HY-2A衛星的DORIS數據，實現了徑向1.6 cm的平均定軌道精度；文獻[8]研究了相位觀測數據與傳統的DORIS距離變化率數據的轉換方法，并利用DORIS3.0格式的數據實現了JASON-2衛星的cm級定軌；文獻[9]研究了DORIS系統RINEX觀測值模型的建立并在此基礎上進行了JASON-2衛星的定軌，徑向精度達到1 cm量級.本文針對2016-01-17日發射的JASON-3衛星，利用其DORIS RINEX 3.0格式的數據進行了精密軌道確定，并對其定軌結果進行了比較和分析。

1 基本公式與數據處理

1.1 衛星運動方程

衛星在圍繞地球的運動過程中會受到多種作用力的影響。總的來講，這些作用力可以分為兩大類：一類為保守力；另一類為發散力。保守力包括地球引力、日、月、行星對衛星的吸引力以及地球的潮汐現象導致的引力場的變化等。發散力包括大氣阻力、地球紅外輻射以及衛星姿態控制的動力等[10]。

衛星在地心天球參考坐標系中的運動方程[11]為

(1)

1.2 RINEX數據處理

早期的DORIS 2.2格式數據是經過初步定軌并計算誤差改正項之后發布給用戶的，獲取定軌數據通常需要一定的時間延遲[12]。新的DORIS RINEX 3.0格式數據則主要包括不加任何誤差修正的原始觀測雙頻相位和偽距測量數據，其最大的優點就是可以很快獲得，并且每天發布，直接用于定軌[13]。DORIS數據格式3.0與GPS數據的RINEX格式類似。RINEX數據文件提供雙頻偽距和相位觀測值，第一頻率標稱值為2.036 25 GHz，第二頻率標稱值為400.125 MHz，第二頻率數據主要用于雙頻電離層改正[9]。由于頻率越高波長越短、測量精度越高，因而高精度軌道計算一般采用高頻2 GHz相位數據。本文基于JASON-3衛星的RINEX格式的相位觀測數據，利用文獻[8]中提到的方法進行數據處理，基本過程為：

1)選取觀測文件中10 s開始的觀測序列，將相位觀測值轉換為距離變化率數據；

2)數據轉換的過程中對數據進行預處理，剔除粗差較大的數據；

3)將各歷元時刻的距離變化率數據進行DORIS接收機天線相位中心偏差修正。

在步驟3)中需要將星固系下的DORIS接收機與衛星質心間的偏差α轉換到J2000慣性系中.涉及到的轉換公式為：

α′=R(t)·α；

(2)

R(t)=[g1，g2，g3]T；

(3)

2 定軌數據及策略

2.1 定軌數據

定軌過程采用RINEX DORIS3.0格式數據，定軌弧長選為7 d，分別為01弧段：2016-03-01—2016-03-07；02弧段：2016-03-06—2016-03-12?；《沃g有兩天重疊，具體如圖1所示。

圖1 觀測數據及重疊軌道示意圖

2.2 定軌策略

衛星精密定軌策略是衛星精密定軌中首要解決的問題[15]。本文關于JASON-3衛星的研究基于CASMORD軟件平臺。采用統計定軌原理和最小二乘批處理算法[15]。DORIS地面信標站坐標采用ITRF2008框架。

衛星定軌選取的力學模型及定軌策略如表1。

表1 力學模型及解算參數

3 定軌結果與精度分析

本文對統計定軌的精度評定的方法分為內符合精度檢核和外符合精度檢核兩種方法。內符合精度采用檢驗觀測資料的擬合程度和重疊弧段比較的方式。外符合精度通過與CNES計算的精密軌道(以下簡稱為SSA軌道)進行比較，對JASON-3衛星的DORIS定軌結果進行評估和分析。

3.1 觀測資料的擬合程度

通過本文選取的定軌策略，分別對01、02弧段進行了精密軌道確定。各弧段的臺站數、觀測值的數目及觀測值殘差均方根誤差的統計結果如表2所示。

表2 01、02弧段觀測殘差統計

從表2中可以看出雖然2弧段的時間不同，因而觀測量有差異，但是由于采用相同的定軌策略，2弧段的觀測值殘差均方根誤差基本一致，也就表明定軌道精度相同。同時01弧段相比02弧段觀測資料的擬合程度較好，亦即定軌內符合精度較好，約為0.48 mm/s。從2弧段參與運算的DORIS臺站的數目和可用觀測值的數量可知，01弧段觀測資料的質量較好，在預處理和定軌軟件計算中剔除的數據量較少，也是造成2弧段定軌內符合精度差異的原因之一。

3.2 重疊弧段的比較

對于01、02兩個弧段采用相同的定軌道策略，分別進行獨立軌道確定，弧段間有2 d的軌道重疊。重疊時段軌道偏差如圖1所示，具體的統計結果見表3。

圖2 01、02弧段重疊軌道檢驗

表3 重疊弧段軌道偏差統計 cm

從圖2和表3可以看出，重疊弧段的定軌結果相差在7.5 cm左右。圖2中均方根(root mean square，RMS)值為軌道對比得到的殘差值。雖然2 d的重疊弧段的觀測數據相同，但是這兩段軌道是通過兩次獨立定軌過程得到的，即可以認定此兩天的重疊軌道不相關，所以，重疊軌道的吻合程度可以反映軌道的定軌精度[16]。

3.3 定軌結果與SSA軌道比較

JASON-3的SSA軌道由DORIS國際服務組織(International Doris Service，IDS)的官方網站提供的，是法國CNES DORIS數據處理中心計算的事后精密軌道。01弧段的定軌結果與SSA軌道之間的差異如圖3所示。圖中，橫坐標為歷元個數，縱坐標為軌道差值(單位為cm)，不同顏色的曲線分別表示在X、Y和Z3個方向上的坐標差值。圖3中RMS值為軌道對比得到的殘差值。具體統計結果如圖表4所示。

圖3 01弧段定軌結果與SSA軌道的比較

弧段方向軌道偏差均值/cm標準差/cm位置誤差/cm01X013471Y-101460Z08531272802X-081469Y123432Z-020368736

從圖3和表4中可以看出，通過與SSA軌道比較，對于01、02弧段的定軌結果，在X、Y、Z3個方向上標準差都在cm級，說明定軌精度達到厘米級別，符合精度要求。2弧段在Z方向上的定軌精度較好，在X、Y方向上的定軌精度相當。

由于JASON-3為海洋測高衛星，其徑向(R方向)定軌精度是衛星任務中關注的首要問題。圖4反映了01、02弧段的定軌結果與SSA軌道在R方向上的軌道差異變化，紅色曲線和藍色曲線分別為01、02弧段R方向的軌道偏差。2弧段的定軌結果與SSA軌道相比在R方向上的殘差標準差分別為1.55 cm、1.63 cm，滿足海洋測高衛星對徑向定軌道結果的需求。

圖4 01、02弧段定軌結果與SSA在徑向上的差異

4 結束語

本文主要研究了基于DORIS系統的JASON-3衛星精密定軌問題，通過檢驗觀測資料的擬和程度、重疊弧段比較和與精密軌道對比的方式驗證了定軌的有效性。

采用相同的定軌策略，分別對01、02弧段進行精密軌道確定，2弧段的觀測值殘差均方根誤差在0.40～0.55 cm范圍內。其中01弧段的觀測資料的數據剔除率較小，參與定軌的臺站數目多，進而觀測資料的擬合程度較好。通過重疊弧段檢驗，01、02弧段的定軌結果相差在7.5 cm左右，反映了定軌精度的可靠性。將2弧段的定軌結果與SSA軌道比較，軌道偏差在X、Y、Z方向上的標準差在3.12～4.71 cm范圍內，其徑向軌道偏差分別為1.55 cm、1.63 cm，對于最關心衛星徑向定軌精度的海洋測高衛星來說，完全滿足其定軌需求。

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JASON-3 orbit determination based on DORIS data

GAO Yuanyuan1，ZHAO Chunmei2，ZHANG Xiaoqiang3

(1.College of Geomatics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266510，China；2.Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing 100830，China；3.China Aerospace Science and Information Technology institute，Beijing 100070，China)

In view of the precise orbit determination of JASON-3，based on statistical orbit determination theory，the data transformation method from phase observation data to traditional DORIS distance rate were used，and the orbit of JASON-3 were determined from 1 March to 12 March in 2016.The orbit is composed of two seven days arcs which overlap time of two days.The results indicated that by the overlapping arc inspection，the difference between the result of the orbit of the two arc is about 7.5 cm，which reflects the reliability of the orbit determination accuracy.when compared the result of the orbit determined in this paper with SSA precise trajectory file，the root-mean-square of the orbit deviation inX，Y，Zdirection is within the scope of 3.12 cm to 4.71 cm，and the values in radial direction are 1.55 cm，1.63 cm respectively，which meet the demand of the task of ocean altimetry satellite orbit determination.

JASON-3；DORIS；DORIS phase measurements；Precise Orbit Determination；accuracy evaluation

2016-00-00

國家自然科學基金項目(41274018)；科技部基礎性工作專項(2015FY310200)。

高園園(1991-)，女，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向為衛星精密定位與定軌。

高園園，趙春梅，張小強.基于DORIS數據的JASON-3衛星精密定軌[J].導航定位學報，2016，4(4)：55-58,87.(GAO Yuanyuan，ZHAO Chunmei，ZHANG Xiaoqiang.JASON-3 orbit determination based on DORIS data[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(4)：55-58,87.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20160411.

P228

A

2095-4999(2016)04-0055-05