海洋二号卫星厘米级定轨的实施建议

海洋二号卫星2011年8月16日6时57分，中国第一颗海洋动力环境卫星--海洋二号卫星（HY-2）在太原卫星发射中心成功发射。

海洋二号卫星是继海洋一号A卫星和海洋一号B卫星之后，中国成功发射的第三颗海洋卫星。

国家海洋局早在2001年即开始开展海洋二号卫星的关键技术预研和卫星综合立项论证工作，2007年1月海洋二号卫星工程获得国家的立项批复。

海洋二号卫星是中国最为复杂的对地遥感卫星之一，它集主、被动微波遥感器于一体，实现同时对地观测，电子兼容性复杂，对地天线多达16副，且卫星具有中国遥感卫星中最高精度的测定轨能力，通过采用GPS、多普勒测定轨系统（DORIS）和激光测距三种精密定轨手段，使轨道的确定精度达到厘米量级。

海洋二号卫星在轨运行之后，将与在轨运行中的海洋一号卫星相互配合，分别以微波、光学两种观测手段，将海洋动力环境监测与海洋资源探测相结合，构成空间立体监测系统。

海洋二号卫星的研制，推动了中国卫星研制技术和管理水平的跨越式发展。

其成功发射及投入使用，必将进一步完善我国海洋立体监测体系，大幅提升中国对地观测卫星的调查和监测能力。

海洋二号卫星由中国航天科技集团公司空间技术研究院负责研制，运载火箭由中国航天科技集团公司第八研究院负责研制。

此次发射也是长征系列运载火箭的第144次发射。

[1]海洋二号卫星发射现场2010年2月24日，航天科技集团公司和国家海洋局联合在北京组织召开了海洋二号卫星整星转正样阶段评审会。

来自国防科工局、总装备部、航天科技集团公司、航天五院、航天八院、中科院空间中心、哈尔滨工业大学和国家海洋局科技司、卫星中心等有关单位和部门的领导和专家参加了会议。

会上成立了以徐福祥总师为组长的专家评审组，评审组听取了航天五院进行的HY-2卫星初样研制和质量总结报告及HY-2卫星正样设计报告，并对相关材料进行了审查。

经讨论和质疑，评审组认为HY-2卫星按研制技术流程完成了初样阶段的研制工作，可靠性和安全性进行了设计并得到了验证，质量和技术状态受控，质量问题已按标准归零，技术状态更改符合要求，因此一致同意HY-2卫星整星转正样阶段通过评审。

第42卷㊀第5期2017年10月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀全球定位系统G N S S W o r l d o f C h i n a㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀V o l.42,N o.5 O c t o b e r,2017d o i:10.13442/j.g n s s.1008-9268.2017.05.002低轨卫星精密定轨的轨道精度评估方法研究袁俊军,孟瑞祖(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266590)摘㊀要:厘米级精密卫星轨道是完成低轨卫星承担的科研㊁商业等任务的必须前提,其中事后轨道精度评定是低轨卫星精密定轨任务中重要一环㊂依据观测条件和卫星搭载设备等情况,选择合适的精度评定方法有利于客观准确的评估定轨结果㊂本文以G R A C E卫星为例,讨论了内外精度评估方法,得到有益结论,为我国开展后续国产卫星精密定轨任务具有借鉴意义㊂关键词:低轨卫星;精密定轨;精度评估;内外符合精度中图分类号:P228.4㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1008-9268(2017)05-0010-060㊀引㊀言目前我国众多低轨(L E O)卫星,如资源三号,海洋二号,风云系列卫星等,发射升空,实现厘米级高精度精密定轨成为保障完成L E O卫星承担的科研任务的重要前提和研究热点[1-2]㊂L E O卫星精密定轨任务中,事后轨道精度评估是重要一环,综合多种方法进行轨道评估能够确保轨道精度评价的可靠性和精确性,尤其是不同观测条件下,需要选择合适的评估方法㊂本文以G R A C E卫星为例,讨论了常用的内㊁外符合精度评估方法,并分析了相应方法的适用性,对我国国产低轨卫星轨道精度评估具有借鉴意义㊂1㊀简化动力学定轨原理低轨卫星位于地球外200~2000k m范围内绕地球运动,处于大气层中间,受到包括地球引力㊁日月引力㊁地球非球形摄动力㊁潮汐摄动㊁大气阻力㊁太阳辐射压㊁地球辐射压以及相对论效应影响等多种力的作用,结合牛顿定律,低轨卫星运动微分方程可表示为㊆r=-G Mr3r+f1(t1,r,̇r,q1, q d),(1)式中,r㊁̇r和㊆r分别为卫星的位置㊁速度和加速度向量;f1为扰动加速度;q i(i=1,2, ,d)为未知扰动力参数;G M为地球引力常数㊂假设先验轨道r0(t)为已知,动力法定轨可视为是一个改善轨道的过程㊂对r(t)进行泰勒级数展开,并消去未知扰动力参数部分,则真实轨道r (t)可由参数p i的先验值p i0表示:r(t)=r0(t)+ðn i=1∂r0(t)∂p i㊃(p i-p i0),(2)式中,p i为轨道参数;n=6+d表示未知参数的个数,6个初始轨道元素与d个动力参数㊂简化动力学方法在采用力学模型和数值积分求解轨道时引入伪随机脉冲参数来平衡观测数据和力学摄动对定轨结果的影响,即每隔一段时间在卫星径向㊁切向和法向上附加伪随机脉冲参数,如大气阻力摄动㊁相对论摄动㊁以及地球红外辐射和地球反射压摄动等[3-5]㊂2㊀精度评估方法2.1㊀内符合精度评估内符合精度评估是指仅利用了定轨过程中相关数据进行分析评定定轨精度㊂其中,观测值残差统计,外部轨道比较,重叠弧段对比,衔接点对比等是常用的方法[6]㊂2.1.1㊀观测值残差统计G P S观测值残差不能完全反应轨道精度,但是残差R M S值在一定程度体现了选用力学模型收稿日期:2017-08-04联系人:袁俊军E-m a i l:1558755464@q q.c o m以及数据预处理情况,因此,在观测值充足下,可以选用该方法评定定轨内符合精度[7]㊂观测值残差可以通过定轨后的观测值-计算值(O-C)获取㊂2.1.2㊀外部轨道对比外部轨道对比是较为常用且可靠的精度评估手段,选用不同定轨机构或者定轨软件得到的轨道,尤其是著名解算机构发布的精密轨道,作为参考轨道,可以反映定轨精度㊂其计算公式为R M S=1nðn i=1Δi,(3)式中:n为历元数;Δi为第i个历元简化动力学轨道与参考轨道在径向㊁切向㊁法向或位置方向上的残差㊂2.1.3㊀重叠弧段对比重叠弧段对比是指选取30h(或者其他定轨弧长)观测时段,前后有6h重复计算轨道,示意图如图1所示㊂尽管这6h的观测数据相同,但这两段轨道是通过两次独立解算得到,可认为这两段6 h重叠轨道不相关,因此,轨道重叠部分的符合程度反映了轨道精度㊂为减小边界效应的影响,在评估重叠轨道的精度时可取中间3~4h的数据作为评估轨道精度的有效数据㊂计算公式与独立轨道对比方法相同[2,6,8]㊂图1㊀轨道重叠示意图2.2㊀外符合精度评估外符合精度评估是指利用独立于定轨系统的数据或方法,对定轨结果进行评估,其中,S L R检核站星距是公认的高精度外符合检验方法㊂若低轨卫星搭载其他检验设备,如D O R I S系统,K波段测距仪,加速度计等,也可以作为独立的外符合精度评估手段㊂本文仅介绍S L R检核评估和K 波段测距两种评估手段㊂2.2.1㊀S L R检核评估利用S L R数据检核定轨结果,实际就是比较S L R直接测得的站星距离和星载G P S定轨结果反算的站星距,S L R残差即为两者站星距之差,为保证S L R检核可靠性,必须考虑S L R质心改正等各项改正[9-10]㊂2.2.2㊀K波段测距K波段测距仪是一种高精度距离测量系统,尽管它只能测量两颗卫星的相对基线距离,但是精度可达到10-6量级,因此,如果低轨卫星搭载此系统,可作为重要的外符合精度评估手段[11-12]㊂其基本原理就是利用两颗卫星定轨后反算出的卫星间基线距离与K波段测距仪直接测得距离进行比较㊂3㊀G R A C E卫星定轨精度分析本文选取G R A C E卫星为研究对象,采用2016年1月1日至10日G F Z发布的G P S观测数据(G P S1B),星载姿态数据(S C A1B),K波段数据(K B R1B),事后精密轨道(G N V1B),以及C O D E 发布的G P S精密星历和30s采样钟差㊂定轨软件平台采用B E R N E S E5.2精密定轨软件,选用非差简化动力学方法,基于统计定轨原理和最小二乘批处理算法确定低轨卫星精密轨道[13]㊂选取的力学模型与参数设置如表1所示㊂表1㊀力学模型与参数设置类别模型与参数重力场模型E GM2008-S MA L L章动模型I A U2000R06极移模型I E R S2010X YN体摄动与行星星历D E405卫星信息S A T E L L I T.I08固体潮模型T I D E2000.T P O海潮模型O T-F E S2004.T I D大气延迟M a r i n i-M u r r y经验力参数伪随机脉冲:每天96组观测数据类型非差双频观测值数据处理方式MW组合和非几何组合X㊁Y㊁Z方向的先验方差均为5.0E-063.1㊀内符合精度3.1.1㊀观测值残差统计如图2所示,L C观测值的残差的R M S平均为5.23mm,与G R A C E卫星标称的接收机噪声[14]5mm基本相符,说明该卫星载波观测值精度较高,相位预处理(周跳探测等)较为完善㊂P C观测值的残差的R M S平均为0.83m,相对于载波精度稍低,但对于P C观测值的权重较低,对定轨11第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀袁俊军,等:低轨卫星精密定轨的轨道精度评估方法研究㊀㊀图2㊀非差载波和伪距无电离层组合观测值残差的㊀㊀均方差结果影响不明显㊂图3和图4示出了具体的随高度角变化的残差序列,可知低高度角观测值残差较大㊂这主要是由于高度角过低,L E O 卫星接收机的信号捕捉能力较差,造成观测数据质量较差㊂因此,在定轨过程中,可设置截止高度角,预先删除观测质量较差的低高度角数据㊂本文在后续定轨中设置截止高度角为3ʎ.㊀㊀㊀图3㊀年积日001d 至010d 的载波平均观测值㊀㊀㊀残差序列图图4㊀年积日001d 至010d 的伪距平均观测值残差序列图3.1.2㊀重叠弧段检核在缺少外部精密轨道检核时,重叠弧段是重要的内符合精度评定手段㊂由图5,表2可以看出,重叠弧段坐标分量的精度均优于1.5c m ,径向R M S 平均为0.31c m ,位置精度平均为0.91c m ,G R A C E -A 卫星精密轨道拟合效果较好㊂图5㊀G R A C E -A 卫星重叠弧段精度统计表2㊀G R A C E -A 卫星重叠弧段平均精度统计/c m 精度指标R T N 3D R M S 均值0.310.730.390.913.1.3㊀外部轨道对比该评估方法采用的参考轨道为J P L 事后精密轨道,其定轨精度得到广泛验证,定轨精度在2~3c m [15],采样间隔为1m i n .G R A C E -A 精密轨道为星载G P S 数据精密定轨结果,弧长为30h .G R A C E -A 卫星简化动力学轨道与J P L 精密轨道对比残差与精度统计如图6及表3所示㊂在R T N 坐标系下,R 方向精度较高,R M S 优于2c m ;T 方向略差一些,R M S 在2c m 左右;N 方向残差较大,R M S 均值为4.23c m ;位置精度基本优于5c m ,证明了本次定轨结果的可靠性和准确性㊂图6㊀G P S 定轨结果与J P L 精密轨道对比残差时间序列21全㊀球㊀定㊀位㊀系㊀统第42卷表3㊀G P S 定轨结果与J P L 事后精密轨道对比R M S 统计年积日R T N 3D 0011.612.784.335.390021.572.404.375.230031.401.974.064.720041.592.144.235.000051.442.154.014.770061.521.984.585.220071.722.133.874.740081.551.984.325.000091.842.294.325.220101.611.924.175.03均值1.592.174.235.033.2㊀外符合精度3.2.1㊀S L R 检核目前多数低轨卫星均搭载S L R 反射器,作为独立的轨道检验手段,且测距精度优于1c m ,因此可视为最重要的轨道评估方法㊂利用S L R 观测数据检核低轨卫星轨道时,可分为两类统计,一是通过统计不同S L R 台站的检核结果评估轨道的视向精度,二是通过整体残差获得轨道的视向精度㊂图7㊀J P L 事后精密轨道S L R检核残差与高度角的关系图8星载G P S 精密轨道S L R 检核残差与高度角的关系图7示出了J P L 事后精密轨道的S L R 检核残差分布,视向残差较多分布在-30mm 至30mm 之间,高度角10ʎ至30ʎ内分布较多,随着高度角增大,残差点数越少,残差越小,精度越高㊂图8示出了本文星载G P S 精密轨道的S L R 检核残差分布,视向残差分布较为分散,基本符合残差随高度角变化的一般规律,可见J P L 事后精密轨道的拟合效果较好㊂由表4,表5看出J P L 事后精密轨道和本文的G P S 定轨产品精度分别为2.84c m 和3.92c m.J P L 事后精密轨道径向精度优于3c m ,本文G P S 定轨产品优于4c m ,但相比J P L 结果,本文的S L R 检核的G P S 精密轨道的残差较为发散,均值稍大一些㊂表4㊀不同S L R 台站数据检核精度统计R M S /c mS L R 站属地标准点数J P LG P S7090Y a r r a g a d e e 1421.613.347237C h a n gc h u n 2153.645.177821S h a n gh a i 310.932.667825M o u n t S t r o 342.981.937838S i m o s a t o194.315.417840H e r s t m o n c e 270.660.847841P o t s d a m 140.553.358834W e t t z e l l 83.222.92统计值和均值4902.243.20表5㊀S L R 检核轨道视向精度统计/c m 类型R M S M a x M i n M e a n J P L2.848.03-10.20.22G P S 3.929.62-9.82-0.313.2.2㊀K 波段测距检测通过处理G R A C E -A ,G R A C E -B 星载G P S 数据,获取两颗卫星轨道,进而与G F Z 公布的L e v -e l 1B 中K B R 1B 数据进行对比,两者差值的标准差在18~25.3mm ,平均为21.8mm ,说明定轨结果可靠,如图9所示㊂4㊀结束语本文基于简化动力学定轨方法,利用G R A C E星载G P S 数据进行精密定轨,重点讨论了常用的评估定轨内外符合精度的方法㊂其中,S L R 因为其测距的高精度和应用的广泛性,可作为重要的外31第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀袁俊军,等:低轨卫星精密定轨的轨道精度评估方法研究图9㊀K B R检核残差S T D统计符合精度检验手段,甚至是整体精度评估标准㊂若可获取外部精密科学轨道,则外部轨道对比可视为评定内符合精度的重要方法,此外,轨道的重叠弧段检核也是重要的内符合精度检核手段㊂相关科研人员可依据L E O具体搭载设备和数据观测条件选择最佳的定轨精度评定方法,这对我国后续开展更为广泛的L E O卫星定轨研究具有借鉴意义㊂参考文献[1]㊀G U OJ,Z HA O QL,G U OX,e t a l.Q u a l i t y a s s e s s-m e n to fo n b o a r d G P Sr e c e i v e ra n di t sc o m b i n a t i o nw i t hD O R I Sa n dS L Rf o r H a i y a n g2A p r e c i s eo r b i td e t e r m i n a t i o n[J].S c i e n c e C h i n a E a r t h S c i e n c e s,2015,58(1):138-150.[2]㊀赵春梅,唐新明.基于星载G P 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HY-2卫星双频GPS精密定轨技术林明森;王晓慧;彭海龙;赵齐乐;李敏【摘要】The global positioning system (GPS) data acquired by the HY-2 satellite GPS re-ceiver 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) or-bits and reduced dynamic orbits for GPS/DORIS/SLR strategies,and in the meantime con-firmed with SLR validation. The radical component of the GPS orbit was found to agree with better than 3 cm.%海洋二号(HY-2)卫星双频全球定位跟踪系统(GPS)接收机获取的GPS数据是基于非差简化动力学方法应用于HY-2卫星精密轨道确定。

HY -2卫星DORIS 精密定轨技术蒋兴伟1，王晓慧1，彭海龙1，钟敏2，钟世明2（1.国家卫星海洋应用中心，北京100081；2.中科院测量与物理研究所，武汉430077）[摘要]2011年8月16日发射的海洋二号（HY-2）卫星是中国第一颗动力环境卫星，搭载的多普勒雷达和无线电定位组合系统(DORIS)作为HY-2主要定轨手段之一。

本文较为详细介绍了HY-2多普勒雷达和无线电定位组合系统定轨技术流程和方法，并对其定轨结果进行了初步检验。

[关键词]精密定轨；GPS ；DORIS ；激光测距[中图分类号]V529[文献标识码]A [文章编号]1009-1742（2014）06-0083-071前言高度计测高应用的需求，加速了精密定轨技术的进步，尤其在TOPEX/Poseidon （T/P ）的发射后，使卫星精密定轨获得惊人的提高。

轨道精度的进步除了轨道动力学模型的改进之外，跟踪技术的提高是至关重要的。

激光测距(satellite laser ranging ，SLR ）精度由20世纪60年代的几百米量级提高到现在的毫米级；自从T/P 的发射，出现了多普勒雷达和无线电定位组合系统(doppler orbitography and ra-diopositioning integrated by satellite ，DORIS )及全球定位跟踪系统（global positioning system ，GPS ），由于密集分布的跟踪网和高精度的测量数据使得定轨精度有了显著提高[1~5]。

2011年8月16日我国发射的海洋二号（HY-2）卫星载有雷达高度计、雷达散射计、微波辐射计和校正辐射计，并为精密定轨配备了DORIS 、GPS 和SLR 跟踪系统，其中DORIS 跟踪系统与法国合作。

本文介绍了HY-2卫星DORIS 定轨技术应用情况，给出了精密定轨初步结果。

2精密定轨业务化系统HY-2卫星精密定轨系统由数据收集和交换子系统、精密轨道预报子系统、精密定轨计算子系统组成，系统组成如图1所示。

CryoSat-2卫星测高计划及其应用魏鑫;李斐;张胜凯;郝卫峰【摘要】The CryoSat-2 satellite equipped with a Ku-bandSAR/Interferometric Radar Altimeter ( SIRAL) system was launched in 2010 as part of an important European Space Agency Earth Explorer Opportunity mission .A major ad-vantage of CryoSat-2 is that it has the ability to measure the thickness of polar sea ice and to monitor changes in the Greenland and Antarctic ice sheets with high precision .The low earth , polar orbit at an inclination of 92 °partly fills the gaps in previous remote sensing satellite data .This paper presents an overview of the scientific objectives and scientific requirements of CryoSat-2 , and provides information on the mission , instrument concepts , and data products, with an emphasis on the primary payload , SIRAL, and data calibration.Finally the applications of Cryo-Sat-2 data in the polar regions are introduced .%作为欧空局地球探测计划的一项重要任务，CryoSat-2卫星于2010年携带着Ku 波段SIRAL（干涉／合成孔径雷达高度计）发射升空。

项目名称：大型海洋平台海上安装厘米级定位引导所属领域：07地球、海洋、大气、资源、矿业合作单位（排序）：无项目简介（严格限500字以内）：“陆地一体化建造，海上一次性安装”是当前大型海洋平台安装的主流做法。

海洋环境复杂多变，对海洋平台安装挑战极大。

进行厘米级的实时定位引导，是保障大型海洋平台海上安装的核心技术，对于扩大气候窗、降低风险，保护几十亿美元的平台具有重要意义。

由上海交通大学杨建民教授领导的海洋平台安装实测团队，潜心研究十余年，历经9次大型海洋平台安装项目的实际检验，于2017年成功在实际平台安装项目中实现了厘米级的安装定位引导。

以往采用国外的定位技术，实际精度只能达到亚米级，有时偏差甚至会达到十多米。

海上测量标定困难，纠错手段有限，却要将经纬度测绘误差控制在千万分之一度以内，难度极大。

研究团队创新提出海上局地坐标捕捉和校准方法，通过采用激光测量、轮廓匹配、重影校验等技术手段，将海上测量基础精度控制在毫米量级。

在此基础上，结合差分GPS技术，最终在实际安装中实现了厘米级的引导精度，达到国际领先水平。

成果以大型综述性论文形式发表在海洋工程顶级期刊《Ocean Engineering》，以期获得广泛的国际影响。

获得了两个专利授权（专利号：.4、.0）。

获得了马来西亚国家石油公司（PETRONAS）、韩国现代重工（HHI）、中远海运特运（COSCOL）、DNV GL、ADPS等国内外同行的高度评价。

主持人及主要完成人简介：主持人：杨建民，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院院长，海洋工程国家重点实验室主任，中海油上海交大深水工程技术研究中心主任，高新船舶与深海开发装备协同创新中心副主任。

长期从事船舶与海洋工程流体力学学科的教学与科研工作，在畸形波与极端海况、深海采矿、新概念平台研发、平台船型优化、大型浮体系泊系统、甲板上浪与砰击、海洋工程水动力模型试验、海洋平台实测、海洋新能源装备、涡激运动、平台运动控制、液舱晃荡等方面进行了大量的研究，发表论文200余篇，授权和公开专利90余项，主持承担了50多项国家和省部级重大研究项目,包括国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家863重大研究课题、国家重大专项课题、科技部重点研发项目、工信部重大创新专项以及国内外油气田工程应用项目，取得了多项创新性成果以及重大经济效益和社会效益。