基于星载GPS数据的HY-2B卫星简化动力学精密定轨.pdf

第43卷第3期2023年5月引文格式：齐鑫敏，王建波，贾永君，等.基于星载GPS数据的HY-2B卫星简化动力学精密定轨J.海洋测绘，2 0 2 3，43（3）：45-48,63.D0I:10.3969/j.issn.1671-3044.2023.03.010海洋测绘HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTINGVol.43,No.3May.,2023基于星载GPS数据的HY-2B卫星简化动力学精密定轨齐鑫敏1-2,王建波1,贾永君3,张龙平4,郭金运,纪兵6（1.江苏海洋大学海洋技术与测绘学院，江苏连云港2 2 2 0 0 5；2.自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室，广东广州510 30 0；3.国家卫星海洋应用中心，北京10 0 0 41；4.航天宏图信息技术股份有限公司，北京，10 0 0 48；5.山东科技大学测绘与空间信息学院，山东青岛2 6 6 590；6.海军工程大学电气工程学院，湖北武汉430 0 33）摘要：为研究满足HY-2B星载GPS定轨要求的EGM2008重力场模型合理阶次和HY-2B卫星简化动力学定轨精度，采用HY-2B卫星14天星载GPS观测数据及不同阶次EGM2008重力场，进行简化动力学轨道确定。结果表明：采用12 0 阶及以上阶次的EGM2008重力场模型，能够获得厘米级高精度定轨结果。同时，检核结果显示：采用简化动力学法定轨时,载波相位残差结果稳定在6.2 6.8 mm之间,重叠轨道对比结果在轨道径向、切向、法向上均优于0.6 cm,SLR检核整体轨道精度优于4cm。定轨结果满足测高卫星需求，可为后续我国海洋系列卫星精密轨道确定等相关科学研究提供借鉴。关键词：低轨卫星；星载GPS；精密定轨；简化动力学；卫星激光测距（SLR)中图分类号：P2281 引 言海洋二号B卫星（HY-2B）作为我国第二颗海洋动力卫星，能够执行海洋环境预报和监测等多种任务，为海洋科学研究及气象预报等领域提供基础数据。其上主要搭载有雷达高度计、后向激光反射棱镜和星载全球定位系统接收机等多种载荷。其中,星载GPS接收机可以通过接收GPS卫星信号,完成HY-2B卫星精密轨道确定任务；后向反射棱镜可以通过反射地面激光脉冲信号，完成精度达1 cm左右2 的卫星激光测距任务,并作为HY-2B轨道独立检核手段。目前日益成熟的星载GPS数据定轨技术已逐渐成为低轨卫星（lowearth orbit,LEO）精密定轨的重要手段3，被广泛应用于CHAMP、G R A CE-FO和SWARM等重力卫星以及TOPEX/Poseidon、Ja s o n-1/2/3和HY-2A/B/C/D等测高卫星的轨道确定3-7 。低轨卫星轨道确定主要分为动力学（D y n a m i c）法、运动学（Kinematic）法以及简化动力学（Reduced-dynamic）法三大类。其中简化动力学法结合动力学法和运动学法的优点，可以降低定轨过程中的误差，是目前广泛采用的卫星定轨方法。文献标志码：A文章编号：16 7 1-30 44(2 0 2 3)0 3-0 0 45-0 4近年来国内学者对简化动力学定轨作了大量研究。张德志等使用BERNESE5.2软件对Jason-3卫星进行简化动力学定轨,轨道精度达到2.2 cml5;夏要伟等利用SWARM卫星进行简化动力学和运动学定轨,轨道径向精度分别优于2 cm和5cml6;杨洲铭等使用星载GPS观测数据,对GRACE-FO卫星进行简化动力学定轨研究,轨道径向精度优于2 cm7。为满足HY-2B卫星海面测高任务厘米级轨道需求,对其进行简化动力学定轨研究具有十分重要的现实意义。另外，卫星精密定轨中重力场模型的阶次对定轨结果也会产生一定的影响。合理的重力场阶次选择也是精密定轨的前提之一,对此国内学者做出许多相关的研究：王晓慧等采用150 阶次的CGM重力模型取得HY-2A的径向定轨精度在3cm左右8 蒋兴伟等基于DORIS数据的12 0 阶次CGM02C重力场模型得出的HY-2A径向精度优于4cm9；孔巧丽等利用DORIS数据得出2 0 0 阶次的CGM02C重力场模型的HY-2A径向精度优于2 cml101;因此,利用GPS数据对HY-2B卫星重力场阶次的研究也具有一定的参考价值，可以为后续我国海洋系列动力环境卫星科学研究提供案例。收稿日期：2 0 2 2-0 9-10；修回日期：2 0 2 2-10-2 2基金项目：国家自然科学基金（418 7 40 91）；自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室开放基金（MESTA-2020-B006）。作者简介：齐鑫敏（1994-），男，山西朔州人，硕士研究生，主要从事地球空间环境信息采集与处理研究。462定轨模型2.1观测方程HY-2B卫星为低轨卫星,其基本的载波相位观测方程为1 :Lim2n,k=Pm2n+c(0t m2n-t)+,Nim2n,+p.ua+式中,Lim2B.k为HY-2B卫星CPS 接收机与 GPS卫星之间的载波相位观测值;pim2B为HY-2B卫星CPS接收机与CPS卫星之间的几何距离;c为光速;tm2B为接收机钟差；8 t为GPS卫星钟差；入，为波长；Nim.k为整周模糊度；0 pm为相对论改正；opm为多路径效应;opion,为电离层延迟;opo.，为CPS接收机天线相位中心偏差；8 pe.为CPS接收机天线相位中心变化；8 为载波相位残差。观测方程采用双频载波相位观测值组成无电离层线性组合,结果如式(2)所示：Lim2B.3=1(fLm2B.1-fLimB.2)联合式（1)和(2）,本文中HY-2B观测方程如式(3)所示:(3)式中,8 tm2B.al.3为接收机无电离层钟差参数;ficl.3为GPS卫星钟差参数;8 pmul.3为GPS多路径效应；opro.3为LEO卫星天线相位中心偏差;8 pen.3为LEO天线相位中心变化；Bimz.3为无电离层的相位模糊度。2.2动力学方程低轨卫星在轨运行时除受到地球重力保守力之外，还受到包括海潮、固体潮、太阳辐射压和大气阻力等因素的影响，根据这些力学模型建立低轨卫星的观测方程12 为：GMr=式中，r为LEO卫星位置；i为LEO卫星速度；为LEO加速度;f 为摄动加速度;q(i=1,2,d)为未知动力学参数；GM为万有引力常量。2.3简化动力学法为解决动力学定轨存在难以模型化处理大气阻力和太阳辐射压等问题，简化动力学通过在一定时间段特定历元内径向（Radial）、切向（Transverse）、法向（Normal）上添加瞬时变化值（伪随机脉冲）来改善未模型化的误差对定轨的影响；同时,在定轨过海洋测绘程中模型化的误差则通过缩短时间间隔产生的伪随机脉冲参数来吸收，以此实现卫星高精度定轨，相应的变分方程13 为：X,=A。x,+8(t-t,)e(t)式中,A。为相应的系数矩阵；，为初始历元下6 个轨道根数线性组合;8(t-t)为 Dirac 函数,e(t)对应(1)伪随机脉冲预设方向。3定轨策略及数据来源3.1数据来源本文采用国家海洋卫星应用中心提供的2 0 2 0年2 月1 14日（DOY3245）14天星载GPS双频观测数据进行精密定轨。相关的数据详细信息见表1。表1数据来源数据类型数据来源星载GPS观测数据NSOAS(http:/)精密星历CODE(ftp:/ftp.aiub.unibe.ch/CODE)卫星钟差CODE(ftp:/ftp.aiub.unibe.ch/CODE)(2)地球自转参数3.2定轨策略为得到高精度定轨结果并探究HY-2B卫星重力场模型的合适阶次，本文采用不同时间段内30、50、7 0、90、110、12 0、130、140 阶次的EGM2008重力场模型进行精密定轨，通过相互检核选取适合HY-2B卫星定轨的重力场阶次。之后利用HY-2B卫星2 0 2 0 年2 月114日（DOY32-45）的星载GPS观测数据进行简化动力学法定轨，相关参数见表2，定轨结果通过3种方法（载波相位残差、重叠轨道对比、卫星激光测距)检核。表2 定轨模型与参数类别模型及参数地球重力模型EGM2008_SMALL行星星历JPL DE405单日极移IERS2010XY固体潮模型TIDE2000(4)海潮模型GPS天线相位模型伪随机脉冲参数常经验加速度参数4HY-2B卫星定轨结果分析HY-2B卫星简化动力定轨结果的验证包括内部符合精度验证和外部符合精度验证。在内部符合精度检验中，载波相位残差分析和重叠轨道比较两种方法可以反映定轨过程中所选择的模型是否合理,在一定程度上反映了定轨精度的优劣；外部符合第43卷(5)CODE(ftp:/ftp.aiub.unibe.ch/CODE)FES2004IGS14.atx每15min估计一组每 6 min 估计一组第3期精度检核利用SLR（s a t e l l i t e l a s e r r a n g i n g）进行检验，测距信息与轨道反算的距离对比的结果作为评价定轨精度依据。4.1不同阶次重力场分析EGM2008是由美国国家空间信息局（NGA）基于PGM2007重力场，利用GRACE卫星和TOPEX卫星的重力数据、测高数据以及高分辨率的地形数据开发出的新一代重力场模型，全阶扩展可达2 190次，被广泛应用于卫星定轨以及地球重力场反演等科学研究中14-15。本文采用不同时间段（2 0 2 0 年2月1 7 日、5月1 7 日）的30、50、7 0、90、110、12 0、130、140阶次的EGM2008重力场模型，对HY-2B卫星进行精密定轨，通过轨道互检验证适合HY-2B卫星定轨的阶次。精度统计信息见表3。表3不同阶次检核汇总结果统计表单位：m阶次R30500.067 750700.007 570 900.000 8901100.000 4110 1200.000 1 1201300.000 01301400.000 0从表3中可见,在不同时间段中,结果呈现如下趋势：在30 阶与50 阶轨道检核在R、T、N3个方向上精度差异较大,其中R方向上结果最优为0.0 6 7 7 m,N方向上最差为0.1557 m，均无法满足高精度定轨需求。30 阶与50 阶的EGM2008模型检核结果说明，低阶次的重力场模型定轨结果不稳定，无法满足高精度定轨需求,需采用更高阶次进行解算。而采用90阶和110 阶进行互检的结果比7 0 阶和9 0 阶检核R、T 和N方向上分别提高0.0 0 0 4m,0.0014m，0.0002m，定轨结果提升到毫米级。在110 阶与120阶检核时,R、T、N3个方向上检核结果相同,均为0.0 0 0 1m，定轨精度开始趋于稳定。而12 0 阶以上在R、T、N3个方向上结果均为0,说明定轨精度在这些阶次已经稳定。可以看出，在HY-2B卫星定轨过程中，随着重力阶次逐渐扩大到较高阶数，定轨精度逐渐提高,且达到12 0 阶以上时,定轨结果开始趋于稳定。因此,HY-2B卫星在进行精确定轨时,选择12 0 阶及以上更为合理。4.2载波相位残差分析载波相位残差能够反映定轨中力学模型的符合程度16 ,在一定程度上可以反映定轨结果优劣,通常作为内符合精度指标之一。本文采用双频无电离层组合来消除电离层延迟对定轨结果的影响17 ，通过载波相位残差均方根（rootmean square，R M S）齐鑫敏,等：基于星载GPS数据的HY-2B卫星简化动力学精密定轨38394041424434445年积日/天图1载波相位残差汇总结果统计示意图4.3重叠轨道对比分析在实际定轨过程中由于力学模型和理论观测模型存在一定的误差,因此可以通过重叠轨道对比进TN0.155 70.092 60.016 50.005 50.001 90.000 50.000 50.000 30.000 1 0.000 10.000 00.000 00.000 00.000 047值来评价定轨精度,其中,RMS值越小代表定轨精度相对较高。简化动力学定轨结果见图1，14天观测弧内的载波相位残差相对稳定,RMS值均在7 mm之内,其中最大值为6.8 mm,最小值为6.2 mm,波动区间0.6mm,波动幅度较小。这表明定轨过程中的选用模型与实际情况吻合较好，简化动力学定轨结果稳定可靠。7.56.55.53233343533637行定轨结果的评价。本文将单日定轨弧段分为0 18h和12 2 4h两个弧段分别独立定轨,两定轨弧段重叠部分为6 h,为消除边界效应的影响,选取两弧段其中4h(即13 16 h)重叠时段对比验证其精度。结果见表4,其中,RMS值越小代表重叠轨道吻合程度越高，定轨结果越好。表4重叠轨道对比汇总统计结果单位：cmMAXMINR1.31简化T1.44动力学N0.70R1.18运动学T4.771.35从表4可以看出,HY-2B简化动力学轨道R方向上的RMS值为0.40 cm；T 方向上的RMS精度较差为0.53cm；在N方向上的RMS值最优为0.35cm；且R、T、N3个方向的最大值分别为1.31cm、1.44c m、0.70 cm,最小值分别为-0.6 8 cm,-1.43cm,-0.83cm。RMS值显示，与运动学定轨法相比，简化动力学法定轨结果在3个方向上精度较高。结果表明，采用简化动力学定轨重叠轨道差异较小，3个方向上的定轨结果表现稳定，满足精度要求。4.4SLR轨道检核分析卫星激光测距(SLR)是根据跟踪观测装有激光反射棱镜的卫星来测定测站到卫星之间距离的一种技术,能够提供高精度的距离信息，其精度可达12cm,因此常用作为卫星轨道的外部的检核手段。根据地面测站的测距信息,本文计算HY-2B卫星和测站之间的距离公式为：p=/(-x,)+(y-y.)*+(2-z,)2MEAN-0.680.00-1.430.00-0.830.01-1.800.00-2.160.00-0.910.01RMS0.400.530.350.690.710.52(6)48式中，(,z）为LEO卫星(质心)位置;(x;,yi,z）为第i个SLR测站位置。本文采用ILRS提供14天（DOY32-45）SLR 原始观测数据,通过将SLR数据预处理后的站星距离与HY-2B卫星轨道反算出的星站距离作差从而对HY-2B轨道精度进行检核。表5中统计得出14天观测弧段内的16 个测站共8 2 3个标准点NP（n o r ma l p o i n t)数据,结果表明：与运动学（Kinematic）轨道结果相比,采用简化动力学轨道精度较高，检核统计数据中最大值为51.6 mm，最小值为-2 9.6 mm，平均RMS值为39.8 mm，整体SLR轨道检核残差RMS值优于4cm，且各测站之间没有明显的系统偏差,均达到厘米级精度，符合预期要求。表5SLR检核汇总结果统计轨道测站数NP数MAXRD16KN165结束语为利用星载GPS数据计算EGM2008重力场适合HY-2B定轨的阶次以及探究采用简化动力对HY-2B卫星进行定轨的精度，本文通过利用14天(DOY32-45)的星载GPS数据对HY-2B卫星进行精密轨道确定，结论如下：（1)H Y-2 B卫星在采用ECM2008重力场模型进行简化动力学定轨的过程中，合理的阶次选择范围是12 0 阶次及以上。（2)通过分析HY-2B卫星简化动力学定轨的轨道载波相位残差RMS看出,其值在6.2 6.8 mm之间浮动，波动幅度较小，说明解算轨道过程消除误差较为理想,结果稳定,策略可靠。（3)通过4h重叠轨道比较后，可以看出HY-2B卫星在14天简化动力学定轨结果径向上的RMS值0.40 cm,切向上差异的RMS值为0.53cm,法向上差异的RMS值为0.35cm，整体精度均优于采用运动学法定轨。内符合精度符合预期精度，证明简化动力学定轨内符合精度能够达到厘米级。（4)利用SLR数据进行外符合精度检核结果显示：HY-2B简化动力学轨道整体优于4cm，相较采用运动学法定轨精度有所提高。结果说明采用简化动力学定轨策略对HY-2B卫星定轨可以满足厘米级定轨需求，能够为海平面测高任务提供高精度轨道信息。海洋测绘参考文献：1王广哲,郭金运,郭恒洋，等.HY-2B星载GPS数据质量及简化动力学精密定轨分析J大地测量与地球动力学,2 0 2 2,42(5):47 2-47 6,550.2GUO J Y,WANG Y C,SHEN Y,et al.Estimation ofSLR Station Coordinates by means of SLR Measurementsto Kinematic Orbit of LEO Satellites J.Earth Planetsand Space,2018,70(1):1-11.3孔巧丽,郭金运，秦建，等.HY-2卫星星载DORIS和SLR的cm级综合精密定轨仿真研究J武汉大学学报（信息科学版）,2 0 13,38（6)：6 94-6 99.4周旭华，王晓慧，赵罡，等。HY-2A卫星的GPS/DORIS/SLR数据精密定轨J武汉大学学报（信息科学版）,2 0 15,40(8)：10 0 0-10 0 5.5张德志,孔巧丽，张令纲，等.JASON-3卫星星载GPS单位:mm厘米级精密定轨J测绘科学,2 0 2 0,45（1）：42-47.MIN6夏要伟，郭金运，刘路，等基于运动学和简化动力学RMS82351.682384.5第43卷-29.639.8-45.955.5的SWARM卫星精密定轨研究J大地测量与地球动力学,2 0 19,39(4)：392-398.7杨洲铭,郭金运,夏要伟，等.GRACE-FO卫星简化动力学精密定轨研究J地球物理学进展，2 0 2 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Sciences,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National LaboratoryAbstract:A bathymetric inversion model combining CatBoost and XGBoost models is proposed in order to obtainhigh precision bathymetric information to meet the needs of various fields of Marine research.By selectingSentinel-2A satellite remote sensing data and taking Oahu island as the research area,CatBoost and XGBoostmodels were introduced to construct Catboost-XGboost combined model through linear combination of them.The experimental results show that the determination coefficient,root-mean-square error,mean absolute errorand mean relative error of the combined model are 95.32%,1.29 m,0.86 m and 20.51%,respectively.Compared with the single model,the accuracy of the combined model is improved to a certain extent.Key words:ocean remote sensing;water depth retrieval;combined model;CatBoost;XGBoost曾书玉，等：基于CatBoost和XGBoost组合模型的水深反演ZENG Shuyu,XIE Taol.2,KONG Ruiyaofor Marine Science and Technology,Qingdao 266237,China)+三+三+三+三+三+三63海洋学报，2 0 2 0，42(8）：12-2 0.17党存禄,武文成,李超锋，等基于CatBoost算法的电力短期负荷预测研究J电气工程学报，2 0 2 0，15(1):76-82.+(上接第48 页)Simplified dynamic precision orbit determination of HY-2B satellitesbased on spaceborne GPS dataQI Xinmin-2,WANG Jianbo2,JIA Yongjun,ZHANG Longping*,GUO Jingyun,JI Bing?(1.School of Marine Technology and Surveying and Mapping,Jiangsu Ocean University,Lianyungang222005,China;2.Key Laboratory of Marine Environment Detection Technology and Application,Ministry of Natural Resources,Guangzhou 510300,China;3.National Satellite Marine ApplicationCenter,Beijing 100041,China;4.Piesat Information Technology Co.,Ltd.,Beijing 100048,China;5.School of Surveying and Spatial Information,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;6.Naval University of Engineering,School of Electrical Engineering,Wuhan 430033,China)Abstract:In order to study the reasonable order of EGM2008 gravity field model that meets the requirements ofHY-2B spaceborne GPS orbit determination and the simplified dynamic orbit determination accuracy of HY-2Bsatellites,this paper uses the 14-day spaceborne GPS observation data of HY-2B satellites and EGM2008gravity fields of diferent orders to simplify dynamic orbit determination.The results show that the EGM2008gravity field model of order 120 and above can obtain high-precision orbit determination results.At the sametime,the inspection results show that the carrier phase residual results in the simplified kinetic legal orbit arestable between 6.26.8 mm,the overlapping track comparison results are better than 1cm in the orbital radial,tangential and normal directions,and the overall orbital accuracy of the SLR inspection results is better than4 cm.The orbit determination results meet the needs of altimetry satellites,and can provide reference forsubsequent scientific research on precision orbit determination of Chinas marine series satellites.Key words:low-orbit satellites;on-board GPS;precision rail setting;simplified kinetic methods;satellitelaser ranging