高園園，趙春梅，張小強(qiáng)

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830；3.中國(guó)航天科工信息技術(shù)研究院，北京 100070)

?

基于DORIS數(shù)據(jù)的JASON-3衛(wèi)星精密定軌

高園園1，趙春梅2，張小強(qiáng)3

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830；3.中國(guó)航天科工信息技術(shù)研究院，北京 100070)

針對(duì)JASON-3衛(wèi)星的精密定軌問(wèn)題，采用了將DORIS RINEX格式的相位觀測(cè)值轉(zhuǎn)換為距離變化率的數(shù)據(jù)處理方法，基于統(tǒng)計(jì)定軌原理，精密確定了JASON-3衛(wèi)星2016-03-01—2016-03-07和2016-03-06—2016-03-12兩個(gè)7 d弧段的軌道。結(jié)果表明：通過(guò)重疊弧段檢驗(yàn)，2弧段的定軌結(jié)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(jié)果與SSA軌道比較，軌道偏差在X、Y、Z方向上的標(biāo)準(zhǔn)差在3.12～4.71 cm范圍內(nèi)，其徑向軌道偏差分別為1.55 cm、1.63 cm，滿(mǎn)足海洋測(cè)高衛(wèi)星定軌任務(wù)的需求。

JASON-3衛(wèi)星；DORIS；DORIS 相位數(shù)；精密定軌；精度評(píng)估

0 引言

JASON-3衛(wèi)星是由美國(guó)宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)，法國(guó)空間研究中心(Centre National d′Etudes Spatiales，CNES)，美國(guó)海洋和大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)等機(jī)構(gòu)合作研制的又一顆海洋測(cè)高衛(wèi)星，于2016-01-17發(fā)射成功。JASON-3衛(wèi)星采用了與JASON-2衛(wèi)星相同的軌道設(shè)計(jì)，其軌道高度為1 336 km，傾角為66°，軌道周期為10 d。Jason-3衛(wèi)星主要用于全球氣候監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)海洋學(xué)和季節(jié)預(yù)報(bào)工作，是海洋測(cè)高衛(wèi)星星座的重要組成部分。JASON-3衛(wèi)星上裝載有星基多普勒軌道確定和無(wú)線(xiàn)電定位組合系統(tǒng)(doppler orbitography and radio-positionng integrated by satellite，DORIS)接收機(jī)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)接收機(jī)和衛(wèi)星激光測(cè)距(satellite laser ranging，SLR)反射器，用以對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行精密定軌。

DORIS系統(tǒng)是由法國(guó)空間研究中心、法國(guó)大地測(cè)量研究所和法國(guó)國(guó)家地理研究所共同經(jīng)過(guò)近十年的努力研制成功的，可以提供全弧段高精度軌道產(chǎn)品，主要用于衛(wèi)星精密定軌和地面精確定位[1-2]。JASON-3衛(wèi)星上裝載了新一代DGXX-S接收機(jī)，考慮了JASON-2衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)和不足。新一代接收機(jī)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和精密衛(wèi)星定軌，相比之前的DORIS接收機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：新一代DGXX-S接收機(jī)吸取了JASON-2衛(wèi)星得到的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)；DORIS的天線(xiàn)定位作了調(diào)整以聯(lián)合多個(gè)潛在的發(fā)射通道作業(yè)；優(yōu)化了太陽(yáng)能電池的位置模型；遠(yuǎn)距離測(cè)距技術(shù)使得觀測(cè)數(shù)據(jù)可以生成地極產(chǎn)品。JASON-3衛(wèi)星的DORIS數(shù)據(jù)格式為與GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)格式類(lèi)似的RINEX DORIS 3.0格式。數(shù)據(jù)類(lèi)型為碼觀測(cè)值和相位觀測(cè)值，其中相位觀測(cè)值的精度可以達(dá)到幾毫米，可以用于精密定軌和定位。

DORIS觀測(cè)具有周期短、全天候、數(shù)據(jù)多、信標(biāo)站分布均勻等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)DORIS系統(tǒng)及其精密定軌進(jìn)行了許多成熟的研究[5-17]：文獻(xiàn)[5]基于DORIS跟蹤數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)JASON-1和JASON-2的徑向定軌精度達(dá)到1 cm；文獻(xiàn)[6]計(jì)算的三維位置精度分別達(dá)到了2.7 cm和2.9 cm；文獻(xiàn)[7]基于HY-2A衛(wèi)星的DORIS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了徑向1.6 cm的平均定軌道精度；文獻(xiàn)[8]研究了相位觀測(cè)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的DORIS距離變化率數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方法，并利用DORIS3.0格式的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了JASON-2衛(wèi)星的cm級(jí)定軌；文獻(xiàn)[9]研究了DORIS系統(tǒng)RINEX觀測(cè)值模型的建立并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了JASON-2衛(wèi)星的定軌，徑向精度達(dá)到1 cm量級(jí).本文針對(duì)2016-01-17日發(fā)射的JASON-3衛(wèi)星，利用其DORIS RINEX 3.0格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行了精密軌道確定，并對(duì)其定軌結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。

1 基本公式與數(shù)據(jù)處理

1.1 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程

衛(wèi)星在圍繞地球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到多種作用力的影響?？偟膩?lái)講，這些作用力可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為保守力；另一類(lèi)為發(fā)散力。保守力包括地球引力、日、月、行星對(duì)衛(wèi)星的吸引力以及地球的潮汐現(xiàn)象導(dǎo)致的引力場(chǎng)的變化等。發(fā)散力包括大氣阻力、地球紅外輻射以及衛(wèi)星姿態(tài)控制的動(dòng)力等[10]。

衛(wèi)星在地心天球參考坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程[11]為

(1)

1.2 RINEX數(shù)據(jù)處理

早期的DORIS 2.2格式數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)初步定軌并計(jì)算誤差改正項(xiàng)之后發(fā)布給用戶(hù)的，獲取定軌數(shù)據(jù)通常需要一定的時(shí)間延遲[12]。新的DORIS RINEX 3.0格式數(shù)據(jù)則主要包括不加任何誤差修正的原始觀測(cè)雙頻相位和偽距測(cè)量數(shù)據(jù)，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以很快獲得，并且每天發(fā)布，直接用于定軌[13]。DORIS數(shù)據(jù)格式3.0與GPS數(shù)據(jù)的RINEX格式類(lèi)似。RINEX數(shù)據(jù)文件提供雙頻偽距和相位觀測(cè)值，第一頻率標(biāo)稱(chēng)值為2.036 25 GHz，第二頻率標(biāo)稱(chēng)值為400.125 MHz，第二頻率數(shù)據(jù)主要用于雙頻電離層改正[9]。由于頻率越高波長(zhǎng)越短、測(cè)量精度越高，因而高精度軌道計(jì)算一般采用高頻2 GHz相位數(shù)據(jù)。本文基于JASON-3衛(wèi)星的RINEX格式的相位觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用文獻(xiàn)[8]中提到的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，基本過(guò)程為：

1)選取觀測(cè)文件中10 s開(kāi)始的觀測(cè)序列，將相位觀測(cè)值轉(zhuǎn)換為距離變化率數(shù)據(jù)；

2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除粗差較大的數(shù)據(jù)；

3)將各歷元時(shí)刻的距離變化率數(shù)據(jù)進(jìn)行DORIS接收機(jī)天線(xiàn)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(jī)與衛(wèi)星質(zhì)心間的偏差α轉(zhuǎn)換到J2000慣性系中.涉及到的轉(zhuǎn)換公式為：

α′=R(t)·α；

(2)

R(t)=[g1，g2，g3]T；

(3)

2 定軌數(shù)據(jù)及策略

2.1 定軌數(shù)據(jù)

定軌過(guò)程采用RINEX DORIS3.0格式數(shù)據(jù)，定軌弧長(zhǎng)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(cè)數(shù)據(jù)及重疊軌道示意圖

2.2 定軌策略

衛(wèi)星精密定軌策略是衛(wèi)星精密定軌中首要解決的問(wèn)題[15]。本文關(guān)于JASON-3衛(wèi)星的研究基于CASMORD軟件平臺(tái)。采用統(tǒng)計(jì)定軌原理和最小二乘批處理算法[15]。DORIS地面信標(biāo)站坐標(biāo)采用ITRF2008框架。

衛(wèi)星定軌選取的力學(xué)模型及定軌策略如表1。

表1 力學(xué)模型及解算參數(shù)

3 定軌結(jié)果與精度分析

本文對(duì)統(tǒng)計(jì)定軌的精度評(píng)定的方法分為內(nèi)符合精度檢核和外符合精度檢核兩種方法。內(nèi)符合精度采用檢驗(yàn)觀測(cè)資料的擬合程度和重疊弧段比較的方式。外符合精度通過(guò)與CNES計(jì)算的精密軌道(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為SSA軌道)進(jìn)行比較，對(duì)JASON-3衛(wèi)星的DORIS定軌結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和分析。

3.1 觀測(cè)資料的擬合程度

通過(guò)本文選取的定軌策略，分別對(duì)01、02弧段進(jìn)行了精密軌道確定。各弧段的臺(tái)站數(shù)、觀測(cè)值的數(shù)目及觀測(cè)值殘差均方根誤差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 01、02弧段觀測(cè)殘差統(tǒng)計(jì)

從表2中可以看出雖然2弧段的時(shí)間不同，因而觀測(cè)量有差異，但是由于采用相同的定軌策略，2弧段的觀測(cè)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(shí)01弧段相比02弧段觀測(cè)資料的擬合程度較好，亦即定軌內(nèi)符合精度較好，約為0.48 mm/s。從2弧段參與運(yùn)算的DORIS臺(tái)站的數(shù)目和可用觀測(cè)值的數(shù)量可知，01弧段觀測(cè)資料的質(zhì)量較好，在預(yù)處理和定軌軟件計(jì)算中剔除的數(shù)據(jù)量較少，也是造成2弧段定軌內(nèi)符合精度差異的原因之一。

3.2 重疊弧段的比較

對(duì)于01、02兩個(gè)弧段采用相同的定軌道策略，分別進(jìn)行獨(dú)立軌道確定，弧段間有2 d的軌道重疊。重疊時(shí)段軌道偏差如圖1所示，具體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 01、02弧段重疊軌道檢驗(yàn)

表3 重疊弧段軌道偏差統(tǒng)計(jì) cm

從圖2和表3可以看出，重疊弧段的定軌結(jié)果相差在7.5 cm左右。圖2中均方根(root mean square，RMS)值為軌道對(duì)比得到的殘差值。雖然2 d的重疊弧段的觀測(cè)數(shù)據(jù)相同，但是這兩段軌道是通過(guò)兩次獨(dú)立定軌過(guò)程得到的，即可以認(rèn)定此兩天的重疊軌道不相關(guān)，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(jié)果與SSA軌道比較

JASON-3的SSA軌道由DORIS國(guó)際服務(wù)組織(International Doris Service，IDS)的官方網(wǎng)站提供的，是法國(guó)CNES DORIS數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算的事后精密軌道。01弧段的定軌結(jié)果與SSA軌道之間的差異如圖3所示。圖中，橫坐標(biāo)為歷元個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為軌道差值(單位為cm)，不同顏色的曲線(xiàn)分別表示在X、Y和Z3個(gè)方向上的坐標(biāo)差值。圖3中RMS值為軌道對(duì)比得到的殘差值。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖表4所示。

圖3 01弧段定軌結(jié)果與SSA軌道的比較

弧段方向軌道偏差均值/cm標(biāo)準(zhǔn)差/cm位置誤差/cm01X013471Y-101460Z08531272802X-081469Y123432Z-020368736

從圖3和表4中可以看出，通過(guò)與SSA軌道比較，對(duì)于01、02弧段的定軌結(jié)果，在X、Y、Z3個(gè)方向上標(biāo)準(zhǔn)差都在cm級(jí)，說(shuō)明定軌精度達(dá)到厘米級(jí)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(dāng)。

由于JASON-3為海洋測(cè)高衛(wèi)星，其徑向(R方向)定軌精度是衛(wèi)星任務(wù)中關(guān)注的首要問(wèn)題。圖4反映了01、02弧段的定軌結(jié)果與SSA軌道在R方向上的軌道差異變化，紅色曲線(xiàn)和藍(lán)色曲線(xiàn)分別為01、02弧段R方向的軌道偏差。2弧段的定軌結(jié)果與SSA軌道相比在R方向上的殘差標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.55 cm、1.63 cm，滿(mǎn)足海洋測(cè)高衛(wèi)星對(duì)徑向定軌道結(jié)果的需求。

圖4 01、02弧段定軌結(jié)果與SSA在徑向上的差異

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了基于DORIS系統(tǒng)的JASON-3衛(wèi)星精密定軌問(wèn)題，通過(guò)檢驗(yàn)觀測(cè)資料的擬和程度、重疊弧段比較和與精密軌道對(duì)比的方式驗(yàn)證了定軌的有效性。

采用相同的定軌策略，分別對(duì)01、02弧段進(jìn)行精密軌道確定，2弧段的觀測(cè)值殘差均方根誤差在0.40～0.55 cm范圍內(nèi)。其中01弧段的觀測(cè)資料的數(shù)據(jù)剔除率較小，參與定軌的臺(tái)站數(shù)目多，進(jìn)而觀測(cè)資料的擬合程度較好。通過(guò)重疊弧段檢驗(yàn)，01、02弧段的定軌結(jié)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(jié)果與SSA軌道比較，軌道偏差在X、Y、Z方向上的標(biāo)準(zhǔn)差在3.12～4.71 cm范圍內(nèi)，其徑向軌道偏差分別為1.55 cm、1.63 cm，對(duì)于最關(guān)心衛(wèi)星徑向定軌精度的海洋測(cè)高衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，完全滿(mǎn)足其定軌需求。

[1] 李培佳.利用DORIS測(cè)軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度定軌[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2010，29(3)：58-64.

[2] AURIOL A，TOURAIN C.DIRIS system：The new age [J].Advances in Space Research，2010，46(46)：1484-1496.

[3] 張強(qiáng)，廖新浩，黃瑸.兩種觀測(cè)技術(shù)綜合精密定軌的探討[J].天文學(xué)報(bào)，2000，41(4)：347-354.

[4] 王慧君.高精度DORIS定軌系統(tǒng)[J].光電系統(tǒng)，2010(3)：27-31.

[5] NIKITA P Z，F(xiàn)RANK G L，MAREK Z，et al.DORIS/SLR POD Modeling Improvements for Jason-1 and JASON-2[J].Advances in Space Research，2010，46(12)：1541-1558.

[6] CLAUDIA F，MICHIEL O，TIM S，et al.Generating precise and homogeneous orbits for Jason-1 and JASON-2[J].Advances in Space Research，2011，48(1)：152-172.

[7] 周旭華.HY2A衛(wèi)星的GPS/DORIS/SLR數(shù)據(jù)精密定軌[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2015，40(8)：1000-1011.

[8] 趙春梅.基于DORIS數(shù)據(jù)的JASON-2衛(wèi)星精密定軌分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，28(1)：49-57.

[9] 李文文.利用DORIS相位數(shù)據(jù)的JASON-2衛(wèi)星精密定軌[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2013，38(10)：1207-1211.

[10] 李濟(jì)生.人造衛(wèi)星精密軌道確定[M].北京：解放軍出版社，1995：1.

[11] 孔巧麗.HY-2衛(wèi)星星載DORIS和SLR的cm級(jí)綜合精密定軌仿真研究.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2013，38(6)：694-699.

[12] 朱俊.HY-2衛(wèi)星DORIS厘米級(jí)精密定軌[J].宇航學(xué)報(bào)，2013，34(2)：163-169.

[13] MERCIER F，CERRI L，BERTHIAS J P.JASON-2 DORIS phase measurement processing[J].Advances in Space Research，2010，45(12)：1441-1451.

[14] 盛傳貞.JASON-2衛(wèi)星精密軌道確定：GPS，SLR和DORIS分析[J].中國(guó)科學(xué)，2013，43(2)：219-224.

[15] CHI-TAI H，CHUH-CHIH K，WANG C L，et al.Jason-1 precision orbit determination using GPS combined with SLR and DORIS tracking data[J].Rock and Soil Mechanics，2003，32(10)：2917-2916.

[16] 秦建.JASON-2衛(wèi)星星載GPS數(shù)據(jù)cm級(jí)精密定軌[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2014，39(2)：137-141.

[17] LUTHCK S B，ZELENSKY N P，ROWLANDS D D，et al.The 1-centimeter orbit：Jason-1 precision orbit determinationusing GPS，SLR，DORIS and altimeter data[J].Marine Geodesy，2003，26(3)：399-421.

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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41274018)；科技部基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)(2015FY310200)。

高園園(1991-)，女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星精密定位與定軌。

高園園，趙春梅，張小強(qiáng).基于DORIS數(shù)據(jù)的JASON-3衛(wèi)星精密定軌[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，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