海洋二号卫星厘米级定轨的实施建议
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HY-2卫星DORIS厘米级精密定轨
Ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｅ Ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ Ｄ ｅ ｔ ｅ ｍｉ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ（ Ｐ Ｏ Ｄ）ｉ ｓ ｉ ｍ ｐ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｍａ ｒ ｙ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ， Ｄ Ｏ Ｒ Ｉ Ｓ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ Ｐ Ｏ Ｄ ｆ ｏ ｒ Ｈ Ｙ 一 ２
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｗ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＤＯＲ Ｉ Ｓ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｃ ａ ｌ ｌ ｅ ｄ‘ ＤＧ ＸＸ ’ ｉ ｓ ｎ Ｏ Ｗ ｌ ｆ ｙ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ ＨＹ一 ２ ．Ｔ ｈ ｉ ｓ ｉ ｎ ｓ ｔ ｕｍｅ ｒ ｎ ｔ ｃ ａ ｎ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｄ ｕ ａ ｌ ｒ ｆ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｓ ｅ ｕ ｄ ｏ — ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｎ ｏ ｗ ｄ ｅ ｓ ｃ ｉ ｒ ｂ ｅ ｄ ｉ ｎ ａ ｎ
第３ ４卷 第 ２期
２ ０ １ ３年 ２月
宇 航
学
报
Ｖｏ １ ． ３ ４
Ｎｏ ２
．
Ｊ ｏ ｕ ｍａ １ ｏ ｆ Ａｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ
Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ ２ ０ １ ３
Ｈ Ｙ 一 ２卫星 Ｄ Ｏ Ｒ Ｉ Ｓ厘 米 级 精 密 定 轨
Ｃｅ ｎ ｔ ｉ ｍｅ ｔ ｅ ｒ Ｐｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｅ Ｏｒ ｂ ｉ ｔ Ｄｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ＨＹ． ２ Ｖｉ ａ ＤＯＲＩ Ｓ
博士林明森：立足海洋遥感事业推进海洋卫星发展
一
海洋 遥感 并 非林 明森 的本行 ．计 算数学 博 士后 出身 的他 ． 从 事海 洋卫 星工 作 ． 完 全是 服从 事业需 要 和组 织 安排 此 时 ． 海 洋一 号卫 星 已经立项 研制 ， 与 之 匹配 的地 面应 用系统 刚 刚立项 ．基 础建设 千 头万 绪． 难 点 很多 筹 建期 的 国家卫 星海 洋应用 中心 ， 仅
有一 间 办公室 ． 临 时拼凑 的办公桌 椅 ． 工作条 件极 其
简 陋 从 国家 海洋 局下 属各 遥感部 门抽 调 的专业 技 术人 员挤 在一 起 ． 加班加 点 ， 不分 白天 黑夜地 干 。这 样 的条件 下 ． 林 明森等人 克 服 了各 种 困难 ． 用 时两 年 多建 成 了可靠 、 稳 定业务 化 运行 的地 面应用 系统 ， 为 实现 海洋 一号 卫 星 的顺 利接 收做 好 了准备 ．也 为我 国海 洋卫 星与 卫 星海洋应 用 事业 的发展 打下 了坚 实
根 据病 种进 行分 类 检索 ，也 可 以临床 医 嘱 、影 像所 见、 诊 断等 信息 进行 精 准检 索 。
医 学影 像 学教 学 系 统还 可 以 自动 判 断 客观 题 ． 如 选择 的结论选 项 是否 正确 ．病 灶位 置标 记是 否 正 确． 这 样一 来 帮助教 授减 轻 了工作 量 ． 教学 工作 量 的 减 少让 教授 们 可 以腾 出更 多 时 间与学 生交 流 ．一对
的桥 梁 ． 是卫 星应 用价 值 的直接 体 现 ． 也 是卫 星 能否 发挥 作 用 的关 键 所在 理学 博士 林 明森 ．是 中 国海 洋 卫星地 面 应用 系
保 了海 洋 二 号卫 星 各 项技 术 指 标满 足 用 户需 求 ， 并
最 终在 我 国海洋 事业 的各 个方 面发 挥 了重 要作 用 为 海 洋 系列 卫 星 发展 推 进 的 同 时 ． 林 明森 的海 洋 遥感 科 研 工作 也 硕 果 累 累 ． 他 承 担 了 载人 航 天 民 用 遥感 数 据 处 理 系统 ． 以及 国家 重点 基 础 研究 ９ ７ ３ 计划 、 自然 科 学 基 金 、 ８ ６ ３ 高技 术 计 划 、 总装 备 部 卫
海洋 遥感 并 非林 明森 的本行 ．计 算数学 博 士后 出身 的他 ． 从 事海 洋卫 星工 作 ． 完 全是 服从 事业需 要 和组 织 安排 此 时 ． 海 洋一 号卫 星 已经立项 研制 ， 与 之 匹配 的地 面应 用系统 刚 刚立项 ．基 础建设 千 头万 绪． 难 点 很多 筹 建期 的 国家卫 星海 洋应用 中心 ， 仅
有一 间 办公室 ． 临 时拼凑 的办公桌 椅 ． 工作条 件极 其
简 陋 从 国家 海洋 局下 属各 遥感部 门抽 调 的专业 技 术人 员挤 在一 起 ． 加班加 点 ， 不分 白天 黑夜地 干 。这 样 的条件 下 ． 林 明森等人 克 服 了各 种 困难 ． 用 时两 年 多建 成 了可靠 、 稳 定业务 化 运行 的地 面应用 系统 ， 为 实现 海洋 一号 卫 星 的顺 利接 收做 好 了准备 ．也 为我 国海 洋卫 星与 卫 星海洋应 用 事业 的发展 打下 了坚 实
根 据病 种进 行分 类 检索 ，也 可 以临床 医 嘱 、影 像所 见、 诊 断等 信息 进行 精 准检 索 。
医 学影 像 学教 学 系 统还 可 以 自动 判 断 客观 题 ． 如 选择 的结论选 项 是否 正确 ．病 灶位 置标 记是 否 正 确． 这 样一 来 帮助教 授减 轻 了工作 量 ． 教学 工作 量 的 减 少让 教授 们 可 以腾 出更 多 时 间与学 生交 流 ．一对
的桥 梁 ． 是卫 星应 用价 值 的直接 体 现 ． 也 是卫 星 能否 发挥 作 用 的关 键 所在 理学 博士 林 明森 ．是 中 国海 洋 卫星地 面 应用 系
保 了海 洋 二 号卫 星 各 项技 术 指 标满 足 用 户需 求 ， 并
最 终在 我 国海洋 事业 的各 个方 面发 挥 了重 要作 用 为 海 洋 系列 卫 星 发展 推 进 的 同 时 ． 林 明森 的海 洋 遥感 科 研 工作 也 硕 果 累 累 ． 他 承 担 了 载人 航 天 民 用 遥感 数 据 处 理 系统 ． 以及 国家 重点 基 础 研究 ９ ７ ３ 计划 、 自然 科 学 基 金 、 ８ ６ ３ 高技 术 计 划 、 总装 备 部 卫
海洋二号卫星精密定轨方案设计及实现
约为５ ｍ【 】 ； 欧洲 空 间局 １ ９ ９ １ 年发射 的Ｅ Ｒ Ｓ 一 １ 卫 星
关键技术进行 了分析。
和１ ９ ９ ５ 年发射 的Ｅ Ｒ Ｓ 一 ２ 卫星轨道径 向精度分别为 ８ ～ １ ５ ｃ ｍ和 ７ ～ ８ ｃ ｍ［ ’ ； １ ９ ９ ２ 年美 国和法 国联合发射 了Ｔ ／ Ｐ卫 星 ， 星 上 载有一 台美 国ＮＡＳ Ａ的 Ｔ ｏ ｐ ｅ ｘ 双 频
海洋二号卫星精密定轨方案设计及实现
蒋兴伟 ， 王晓慧 ， 彭海龙 ， 林 明森
（ 国家卫星海 洋应用中心 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
【 摘要】 ２ ０ １ １ 年８ 月１ ６日发射 的海 洋环 境动力 （ 海 洋二号 ） 卫 星是 中国第一颗动力环境卫星 ， 其 中搭载 的雷达
高度计需要连续 的厘 米级海洋地形测 量 ， 轨 道误 差在雷达高度计 整体误差预算 中占主要部分 ， 为实现海洋二
几个毫米 ， 绝 对 精 度 对 于 最 好 的 仪 器 可 以 达 到 １ ｃ ｍ。对 于所 有 的 陆地 跟踪 数 据 ， 中性 大 气 延迟 可
的应 用 加速 了精 密定 轨 技 术 的进 步 。近 三十 年 来 ， 精 密定 轨 技术 取得 了很大 进步 ， 尤 其在 Ｔ ｏ ｐ ｅ ｘ ／ Ｐ ｏ ｓ ｅ ｉ —
２ ０ １ １ 年８ 月１ ６日发射 的海洋 环 境 动力 （ 海 洋 二 号） 卫 星是 中 国第 一 颗 动 力 环 境 卫 星 ， 载 有 雷 达 高
【 基金项 目】 海 洋公 益性行业科研 专项（ ２ ０ １ １ ０ ５ ０ ３ ２ ）
【 作者简介】 王晓慧（ １ ９ ６ ８ 一） ， 女， 黑龙江绥化市人 ， 博士 ， 副研究员 ， 主要研究方 向为卫星精密定轨 ； Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｘ ｈ ｗ ａ ｎ ｇ ＠ｍａ ｉ ｌ ． ｎ ｓ ｏ ａ ｓ ． ｇ ｏ ｖ ． ｃ ｎ
关键技术进行 了分析。
和１ ９ ９ ５ 年发射 的Ｅ Ｒ Ｓ 一 ２ 卫星轨道径 向精度分别为 ８ ～ １ ５ ｃ ｍ和 ７ ～ ８ ｃ ｍ［ ’ ； １ ９ ９ ２ 年美 国和法 国联合发射 了Ｔ ／ Ｐ卫 星 ， 星 上 载有一 台美 国ＮＡＳ Ａ的 Ｔ ｏ ｐ ｅ ｘ 双 频
海洋二号卫星精密定轨方案设计及实现
蒋兴伟 ， 王晓慧 ， 彭海龙 ， 林 明森
（ 国家卫星海 洋应用中心 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
【 摘要】 ２ ０ １ １ 年８ 月１ ６日发射 的海 洋环 境动力 （ 海 洋二号 ） 卫 星是 中国第一颗动力环境卫星 ， 其 中搭载 的雷达
高度计需要连续 的厘 米级海洋地形测 量 ， 轨 道误 差在雷达高度计 整体误差预算 中占主要部分 ， 为实现海洋二
几个毫米 ， 绝 对 精 度 对 于 最 好 的 仪 器 可 以 达 到 １ ｃ ｍ。对 于所 有 的 陆地 跟踪 数 据 ， 中性 大 气 延迟 可
的应 用 加速 了精 密定 轨 技 术 的进 步 。近 三十 年 来 ， 精 密定 轨 技术 取得 了很大 进步 ， 尤 其在 Ｔ ｏ ｐ ｅ ｘ ／ Ｐ ｏ ｓ ｅ ｉ —
２ ０ １ １ 年８ 月１ ６日发射 的海洋 环 境 动力 （ 海 洋 二 号） 卫 星是 中 国第 一 颗 动 力 环 境 卫 星 ， 载 有 雷 达 高
【 基金项 目】 海 洋公 益性行业科研 专项（ ２ ０ １ １ ０ ５ ０ ３ ２ ）
【 作者简介】 王晓慧（ １ ９ ６ ８ 一） ， 女， 黑龙江绥化市人 ， 博士 ， 副研究员 ， 主要研究方 向为卫星精密定轨 ； Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｘ ｈ ｗ ａ ｎ ｇ ＠ｍａ ｉ ｌ ． ｎ ｓ ｏ ａ ｓ ． ｇ ｏ ｖ ． ｃ ｎ
基于单频星载GPS数据的低轨卫星精密定轨
文章 的研 究成 果表 明 ，搭 载 单频 Ｇ Ｐ Ｓ接 收机 的低 轨 卫 星也 可获得 厘 米级 的定轨 精度 。
关键 词 单频 半 和改 正 精 密 定轨 低轨 卫 星
ＤＯＩ ：１ ０ ． ３ ７ ８ ０ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ７ ５ ８ Ｘ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ ０ ７
正 。Ｌ １ 频 率载波 相位观 测值 、码观测 值和 半和 改正组合 观测值 的观测 方程 分别 为
声 １ １ 一Ｐ 。 ＋ｃ （ ｄ ｔ 一 ｄ ｔ ）一 Ｐ １ ～ ＮＡ ｌ ＋。
Ｃ１ 一Ｐ 。 ４ － ｃ （ ｄ ｔ 一 ｄ ｔ ）＋ ８ １ ０ ｌ＋ ｅ
（ １ ）
国家 教 育 部 高 等 学 校 学 科 创新 引 智计 划 （ Ｂ Ｏ ７ ｏ ３ ７ ） ； 中央 高 校 基本 科 研业 务 费专 项 资 金 （ ２ ｏ ｌ ２ ６ １ ８ Ｏ ２ Ｏ ２ ｏ １ ） 资助项 目 收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ６ ０ ７ 。 收 修 改稿 日期 ：２ ０ １ ２ — １ １ １ ０
（ １ 武 汉 大 学 测 绘 学 院 ，武 汉 ４ ３ ０ ０ ７ ９ ）（ ２ 武 汉 大 学 卫 星 导 航 定 位 技 术 研 究 中 心 ，武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ９ ）
摘要 为满足 搭 载单频 ＧＰ Ｓ接 收机 低轨 卫 星 的精 密 定轨 需求 以及 深化 单 频 定 轨研 究 ， 文 中解 决 了单频 星载 ＧＰ Ｓ数据 的周跳 探 测 问题 ，并利 用 “ 海 洋二 号” （ ＨＹ 一 ２ Ａ） 卫星及 “ 资 源 三号” （ Ｚ Ｙ 一 ３ ） 卫 星的 单频 星载 Ｇ Ｐ Ｓ实测数 据 采 用 两种 方 法确 定 了二 者 的 简 化 动 力 学轨
海洋二号卫星微波辐射计系统设计
采用外转子 和冷空反射天线设计 的辐射计系统 ， 采 用 的直 接 微 波 检 波技 术 也是 第 一 次 在 轨 应 用 。系
统 设 计 中 主要 考 虑 的是 天 线 、 通道 、 扫 描 驱 动 和 数
字处理之 间的关 系 ， 解决 了其 中的关键 问题 ， 卫星 于２ ０ １ １ 年８ 月１ ６ Ｈ成 功发 射 。ＨＹ ． ２ Ａ卫 星 微 波 辐 射计得成功研制和发射 ， 为我 国后续 的星载微波辐
得 出了主波束效率 的概念 ， 也就是说微波辐射计天 线设计 的主 旨是尽可能接 收来 自天线 主瓣 范围内
冷空反射器辐射方 向图上 ， 形成 了寄生辐射。由于 主反射器 电轴指 向地球 ， 形成冷空定标天线的对地 旁瓣 ， 从而影响冷空定标的精度 。
的能量 ， 尽量降低接收旁瓣能量 ， 主波束 效率的定
３ 天 线 设 计
３ ． １ 天线 波束 效率
３ ． ２ 冷 空天 线
微 波辐射计系统通常采用冷空背 景作 为在轨 定标 的低 端场 景 ， 实 际应用 采 用 不 同焦距 的两 幅 反 射器实现 ， 当馈源喇叭扫描进入到焦距较短的冷空 反射器覆盖 区域后形成冷空照射波束 ， 如图２ 所示 ， 此时主反射器正好位于冷空反射器背面 ， 由于漏射 和 边缘 绕 射 的原 因 ， 馈 源 辐射 的能量 没 有 被冷 空 反
通道 和配平设计 进行 了介 绍。 【 关键 词】 微 波辐射计 ； 系统设计 ； 天线 ； 微波通道 【 中图分 类号】 Ｖ４ ４ ３ ＋ ． ５ ［ 文献标识 码】 Ａ 【 文章编号】 １ ０ ０ ９ — １ ７ ４ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ — ０ ０ ３ ９ — ０ ５
义见公 式 （ １ ） 。
海洋二号卫星
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。
海洋二号卫星主被动微波遥感探测技术研究
用 状 况 。进 一 步 分 析 了 ＨＹ ＿ ２ Ａ卫 星对 于 全 球 海 洋
测量微 波脉 冲双程传输 时间并结合卫 星平 台位置
和海洋基 准面来确定海 面高度 以及分析 雷达 回波 波 形 来 确 定 海 面波 动 状 况 （ 有效波高 ） 。 星载 雷 达
高度 计 从 发 展 至 今 已 经历 了 ４ ０年 的 发 展 历 程 ， 在
不同风速条件下海 面粗糙 度对 雷达后 向散射系数
的 不 同 响 应 以 及 多 角 度 观 测 数 据 来 反 演 海 表 风
速 和风 向 卅。星载微波散射技术的发展也 已经有 近４ ０ 年的发展历史 。１ ９ ７ ３ 年美 国发射 了天空实验
室（ Ｓ ｋ ｙ ｌ ａ ｂ ） 飞船 ， 船上搭载了 Ｋ ｕ 波段散射计 ， 这是
对地观测体系中发挥了重要作用。 在 系 统 回顾 国内外 与 ＨＹ ＿ ２ Ａ卫 星相关 的主 、 被
动微 波 遥感 技 术 发展 现 状 及趋 势 的基 础上 ， 本文 主
要介绍 Ｈ Ｙ 一 ２ Ａ雷达高度计 、 微波散射计 、 扫描微波 辐射 计和校 正微 波辐射计 的功能 、 性 能 和 设 计 指 标， 概述 了各载荷数据产品在海洋科学领域内的应
下 点 的 海 面高 度 ， 造 成 雷达 高 度计 在 观 测 全球 海 面 高 度 的 空 间和 时 间采 样 率 不足 ， 限制 了高 度计 数 据 在 中小 尺度 海 洋气 象 领 域 的应 用 。针对 这 一 问题 ，
实时监 测 。 ２ ． ２ 星载微 波 散射计
星 载微 波散 射 计 属 于 主动 微 波遥 感 器 ， 它 利用
２ ０ １ ３ 年第 １ ５ 卷第 ７ 期 ５
测量微 波脉 冲双程传输 时间并结合卫 星平 台位置
和海洋基 准面来确定海 面高度 以及分析 雷达 回波 波 形 来 确 定 海 面波 动 状 况 （ 有效波高 ） 。 星载 雷 达
高度 计 从 发 展 至 今 已 经历 了 ４ ０年 的 发 展 历 程 ， 在
不同风速条件下海 面粗糙 度对 雷达后 向散射系数
的 不 同 响 应 以 及 多 角 度 观 测 数 据 来 反 演 海 表 风
速 和风 向 卅。星载微波散射技术的发展也 已经有 近４ ０ 年的发展历史 。１ ９ ７ ３ 年美 国发射 了天空实验
室（ Ｓ ｋ ｙ ｌ ａ ｂ ） 飞船 ， 船上搭载了 Ｋ ｕ 波段散射计 ， 这是
对地观测体系中发挥了重要作用。 在 系 统 回顾 国内外 与 ＨＹ ＿ ２ Ａ卫 星相关 的主 、 被
动微 波 遥感 技 术 发展 现 状 及趋 势 的基 础上 ， 本文 主
要介绍 Ｈ Ｙ 一 ２ Ａ雷达高度计 、 微波散射计 、 扫描微波 辐射 计和校 正微 波辐射计 的功能 、 性 能 和 设 计 指 标， 概述 了各载荷数据产品在海洋科学领域内的应
下 点 的 海 面高 度 ， 造 成 雷达 高 度计 在 观 测 全球 海 面 高 度 的 空 间和 时 间采 样 率 不足 ， 限制 了高 度计 数 据 在 中小 尺度 海 洋气 象 领 域 的应 用 。针对 这 一 问题 ，
实时监 测 。 ２ ． ２ 星载微 波 散射计
星 载微 波散 射 计 属 于 主动 微 波遥 感 器 ， 它 利用
２ ０ １ ３ 年第 １ ５ 卷第 ７ 期 ５
HY-2卫星雷达高度计时标偏差估算
星发射 中心 采用 ｃ ｚ 一４ Ｂ运载火 箭 成功 发射 。ＨＹ一
２卫星 的主 要 载荷 为 雷 达 高度 计 、 微 波 散射 计 、 扫 描
微 波辐射 计 以及 校 正辐 射 计 共 四种 微 波遥 感 器 ，并 使 用激光 反射 阵列 Ｓ Ｌ Ｒ， Ｄ Ｏ Ｒ Ｉ Ｓ接 收 机 和 Ｇ Ｐ Ｓ接 收
度计数据 通过 时标 变量 将 时 间与 其他 相关 的变量 结
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ２ — ０ ６ ； 修 订 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ５ — ２ ６ 。
基金项 目： 国家 海 洋 公 益性 行 业 科研 专 项 经 费 项 目（ ２ ０ １ １ ０ ５ ０ ３ ２ — １ ） ； 国家 高 技术 研 究 发 展计 划 （ ８ ６ ３计 划 ） 项 目（ ２ ｏ １ ３ ＡＡ ｏ ９ Ａ５ ｏ ５ ） 。 作 者简 介 ： 汪栋（ １ ９ ８ ８ ） ， 男， 浙 江省 绍 兴 县人 ， 硕士生， 主要 从 事雷 达 高 度计 数 据 处 理 方 面 的研 究 。Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｗ ａ ｎ ｇ ｄ ｏ ｎ ｇ ８ ８ — １ ０ ＠ｓ ｉ ｎ ａ ． ｃ ｏ ｍ
机作为定 轨设备 ］ 。雷达高度 计 主要 获 取海 面高度 、 有效波 高和海表 面风速这三 类数据 ， 海面 高度综 合测
高精度 的设计指标 为 ５ ～１ ０ ｃ ｍ， 需要 对各种测 高误差
进 行精确 的校正＿ ２ Ｊ 。 时间 的准 确确定对 于高程测 量系统 至关重 要 ， 高
Ｓ ｉ ｎｉ ｃ ａ（ ｉ ｎ Ｃｈｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ）， ２ ０１ ３． ３５ （ ５）： ８７ — ９４ ．
Ｈ Ｙ一２卫星雷 达 高度计 时标偏 差估 算
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ZHY ( t) 。 下述数学论证表明 , 只要各台激光测距仪同
若给海洋二号卫星装备 GPS信号接收机 ,不仅 能够实现米级精度的自主定轨 ,而且能够为激光定轨 提供解算所需的初始值 XHY0 , YHY0 , ZHY0 , 进而求得 。 XHY ( t) = XHY0 +ΔXHY ( t)
YHY ( t) = YHY0 +ΔYHY ( t) ZHY ( t) = ZHY0 +ΔZHY ( t) ( 3)
2 2 2 2 2 2 2
2
2
( 1)
上式经过线性化 , 而求得海洋二号卫星的三维 坐标修正矩阵 :
X =A B
-1
( 2)
式中 ,
ΔYHY ( t) ΔZHY ( t) ] T , X = [ΔX HY ( t)
X a - X HY0 Ya - YHY0 Z a - ZHY0
ρ a0
A = X b - X HY0
ρ a0
Yb - YHY0
ρ a0
Z b - ZHY0
ρ a0 - ρ a
, B = ρ b0 - ρ b
ρ b0
X c - X HY0
ρ b0
Yc - YHY0
ρ b0
Z c - ZHY0
ρ c0 - ρ c
ρ c0 图 2 建议用于海洋二号卫星的星载激光后向反射镜阵列 ρ a0 = ρ b0 = ρ c0 =
收稿日期 : 2005 205 2 23 作者简介 : 刘基余 (1936 2) ,男 ,湖南浏阳人 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事 GPS卫星导航定位和卫星激光测距研究 。
2
海 洋 测 绘
第 25 卷
实践 。 星载激光定轨的基本条件是 ,待测卫星必需装备 作为激光测距合作目标的星激阵列 ; 它是由一定块数 的角反射棱镜组成的 ,角反射棱镜的多少 ,取决于待 测卫星的飞行高度 。在总装备部的资助下 ,笔者主持 研制成功了星载激光后向反射镜阵列 ,如图 1 所示 ; 并于 2005年初通过了项目验收 ,并评测说 : 测试结果 表明 ,武汉大学研制的星载激光后向反射镜阵列 ,各 项技术指标均达到了合同规定的指标要求 ,个别技术 指标优于合同要求 ,适于航天工程应用。该星激阵列 2 的激 光 反 射 面 积 为 31519cm , 适 于 轨 道 高 度 为 20 000km的卫星应用 ; 当地面激光束以 ± 16 ° 倾斜角 射入该星激阵列时 , 地面上的卫星激光测距仪仍能 获得 90%的反射激光 ; 这已超过了日本 ETS2 V III卫 星所用星激阵列 75%的反射率 。目前 , 我们能够为 海洋二号卫星提供定轨工程实用的星载激光后向反 射镜阵列 ; 星激阵列的形状可以依据卫星总体设计 给出的可用外壳空间而定 ; 如图 2 所示的星激阵列 设计 ; 初拟 它的 角 反 射 棱 镜 口 径 Ф 40mm , 块 数 为 2 10,重量为 1kg左右 ,有效反射面积为 11218cm 。
4 海洋二号卫星可装备具有双频载波相位测量能
图 4 作者建议的用于我国卫星厘米 级定轨的 GPS国际基准网
我们的仿真实算成果表明 , 利用 CHAM P 星载
GPS载波相位测量数据和 30 个分布在全球的 IGS
跟踪测量站的 GPS载波相位测量数据 , 组成双差测 量值 ,而解算出 CHAM P卫星的在轨点位 ; 其 1 天运 行轨道的径向误差为 ± 9158cm。
图 1 作者主持研制的星载激光后向反射镜阵列
2
海洋二号卫星可装备无电功耗需求的激光后向 反射镜阵列 ,以便对它进行激光定轨
分析美国哥达德飞行中心 ( GSFC )的资料表明 , 仅自 2000 ～2003 年四年间 ,美国 、 德国 、 日本和俄罗 斯共发射了 26 颗装载着激光后向反射镜阵列的对 地观测卫星 ; 其中还包括美国海军于 2002 年发射的 ATEx军用卫星 。由此可见 , 星载激光定轨 , 已经成 为当 今卫星高精度定轨 的有效手段 ,值得我们仿效
卫星激光定轨 , 已在高达 20 000km的导航卫星 ( GPS / G LONASS卫星 )和高达 1 000km左右的对地观 测卫星上 ,成功地进行了工程实用 ;例如 , 1992年 8 月 10 日 ,美国航空航天局 (NASA )和法国国家空间研究 中心 ( CNES)联合发射了 Topex/ Poseidon 海洋测高卫 星 。它要求其径向误差在 ± 13cm 以内 , 而采用了星
第 6期
刘基余 海洋二号卫星厘米级定轨的实施建议
3
载 GPS定轨和激光定轨并行的实施方案 ; 其结果表 明 ,径向误差为 3 ～4cm , 法向误差为 5 ～10cm , 切向 误差为 9 ～16cm。 2001 年 10 月 7 日 ,美国航空航天 局和法国国家空间研究中心又联合发射了 Topex/ Poseidon海洋测高卫星的后续卫星 ──JASON 2 1。该 颗卫星的有效载荷与 Topex/ Poseidon 卫星相似 ,仅将 星载 Monarch GPS 信号接收机改换为性能更优的
ρ c0
ρ c0
( X a - XHY0 ) 2 + ( Ya - YHY0 ) 2 + ( Z a - ZHY0 ) 2 ( X b - XHY0 ) 2 + ( Yb - YHY0 ) 2 + ( Z b - ZHY0 ) 2 ( X c - XHY0 ) 2 + ( Yc - YHY0 ) 2 + ( Z c - ZHY0 ) 2
图 3 多站激光测距定轨原理示意图
当地面 3 个 SLR 测站 ( A, B , C ) 上的卫星激光测距 仪在时元 t测到海洋二号卫星的距离ρ a ( t) , ρ b ( t) , ρ c ( t) , 则有 :
ρ a ( t) = ρ b ( t) = ρ c ( t) =
[ X a - XHY ( t) ] + [ Ya - YHY ( t) ] + [ Z a - ZHY ( t) ] [ X b - XHY ( t) ] + [ Yb - YHY ( t) ] + [ Z b - ZHY ( t) ] [ X c - XHY ( t) ] + [ Yc - YHY ( t) ] + [ Z c - ZHY ( t) ]
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多站激光测距解算海洋二号卫星的在轨三维位置
图 3 表示多站激光测距定轨的基本构成及其工 作原理 。在地面三个 SLR 测站 ( A, B , C ) 上 , 各设置 一台卫星激光测距仪 ; 它们的站坐标是精确已知的 , 且分别为 X a , Ya , Z a 、 X b , Yb , Z b和 X c , Yc , Z c , 时元 t, 海洋二号卫星的在轨点位坐标记作 XHY ( t) , YHY ( t) ,
海洋二号 ( HY2 2 ) 卫星的厘米级定轨 , 是发展我 国海洋动力环境卫星的关键技术之一 ,也是海洋动力 环境卫星能否实际应用于大地水准面和海洋动力学 [1] 研究的一个重要标志 。本文针对如何实施海洋二 号卫星厘米级定轨 ,提出下述建议 ,供决策参考。
1
代卫星导航系统 ,它相对现行的第二代卫星导航系 统 (如 GPS系统 ) ,存在许多不足 。对于中国卫星定 轨用户而言 , 从星载 DOR IS 接收机到数据处理 , 完 全依赖和受控于人 。而其亚米级的卫星定轨精度 , 又依靠长时间的多普勒定轨观测 。实用成果表明 , 1 天测量的定位精度 ,仅达 ± 20 ～30cm; 5 天测量的定 位精度 ,仅达 ± 10cm。若采用第二代卫星导航系统 的导航定位信号定轨 , 不仅能够在达到厘米级定轨 精度的情况下大为缩短定轨观测时间 , 而且能够自 主地进行精密卫星轨道测量 。特别是能够确保厘米 级定轨精度的卫星激光定轨 ,更值得我们采用 。
时测得至海洋二号卫星的距离 , 就能够精确解算出 时元 t, 海 洋 二 号 卫 星 的 在 轨 三 维 坐 标 XHY ( t) , YHY ( t) , ZHY ( t) ; 其测量精度已为国外实用证明可达 厘米级 。我国现有的武汉 、 上海 、 长春 、 北京和昆明 等 5 个 SRL 测站上的卫星激光测距仪 , 都具备测量 海洋二号卫星的能力 , 能够实现多站卫星激光定轨 。
B lackJack GPS信号接收机。 2002 年 3 月 17 日 ,美国 航空航天局和德国地学研究中心 ( GFZ) 合作发射了
轨观测站和阿根廷圣胡安的卫星激光测距站 , 以及 我国在南极中山站所建立的 GPS跟踪站 , 与国内现 有的 IGS 跟踪站构成 GPS 国际基准网 , 如图 4 所 示 ,并力争国际合作 。例如 , 可以与德国的 W ettzell 卫星观测站合作 ,而建立跨度更大的 GPS国际基准 网 (图 4 中用虚线所示 ) 。
第 25 卷第 6 期 2005 年 11 月
海 洋 测 绘
HYDROGRAPH IC SURVEYI N G AND CHARTI NG
Vol125, No16 Nov1 , 2005
海洋二号卫星厘米级定轨的实施建议
刘基余
(武汉大学 测绘学院 ,湖北 武汉 430079)
摘要 : 针对海洋二号 (HY2 2) 卫星如何实现厘米级定轨问题 ,提出下列建议 : 海洋二号卫星不必采用 DOR IS定 轨 ; 给海洋二号卫星装备无电功耗需求的激光后向反射镜阵列 ,以便对它进行多个 SRL 测站观测的激光厘米级定 轨 ; 给海洋二号卫星装备具有双频载波相位测量能力的 GPS信号接收机 ,实现高精度的星载 GPS测量定轨 。 关键词 : 海洋二号卫星 ; 观测 ; 定轨 中图分类号 : P17311 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 2 3044 ( 2005 ) 06 20001 203
海洋二号卫星不必采用 DO R IS 定轨
20 世纪 80 年代中期 , 法国国家空间研究中心 ( CNES) 、 法国国家大地测量研究所 ( GRGS) 和法国
若给海洋二号卫星装备 GPS信号接收机 ,不仅 能够实现米级精度的自主定轨 ,而且能够为激光定轨 提供解算所需的初始值 XHY0 , YHY0 , ZHY0 , 进而求得 。 XHY ( t) = XHY0 +ΔXHY ( t)
YHY ( t) = YHY0 +ΔYHY ( t) ZHY ( t) = ZHY0 +ΔZHY ( t) ( 3)
2 2 2 2 2 2 2
2
2
( 1)
上式经过线性化 , 而求得海洋二号卫星的三维 坐标修正矩阵 :
X =A B
-1
( 2)
式中 ,
ΔYHY ( t) ΔZHY ( t) ] T , X = [ΔX HY ( t)
X a - X HY0 Ya - YHY0 Z a - ZHY0
ρ a0
A = X b - X HY0
ρ a0
Yb - YHY0
ρ a0
Z b - ZHY0
ρ a0 - ρ a
, B = ρ b0 - ρ b
ρ b0
X c - X HY0
ρ b0
Yc - YHY0
ρ b0
Z c - ZHY0
ρ c0 - ρ c
ρ c0 图 2 建议用于海洋二号卫星的星载激光后向反射镜阵列 ρ a0 = ρ b0 = ρ c0 =
收稿日期 : 2005 205 2 23 作者简介 : 刘基余 (1936 2) ,男 ,湖南浏阳人 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事 GPS卫星导航定位和卫星激光测距研究 。
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海 洋 测 绘
第 25 卷
实践 。 星载激光定轨的基本条件是 ,待测卫星必需装备 作为激光测距合作目标的星激阵列 ; 它是由一定块数 的角反射棱镜组成的 ,角反射棱镜的多少 ,取决于待 测卫星的飞行高度 。在总装备部的资助下 ,笔者主持 研制成功了星载激光后向反射镜阵列 ,如图 1 所示 ; 并于 2005年初通过了项目验收 ,并评测说 : 测试结果 表明 ,武汉大学研制的星载激光后向反射镜阵列 ,各 项技术指标均达到了合同规定的指标要求 ,个别技术 指标优于合同要求 ,适于航天工程应用。该星激阵列 2 的激 光 反 射 面 积 为 31519cm , 适 于 轨 道 高 度 为 20 000km的卫星应用 ; 当地面激光束以 ± 16 ° 倾斜角 射入该星激阵列时 , 地面上的卫星激光测距仪仍能 获得 90%的反射激光 ; 这已超过了日本 ETS2 V III卫 星所用星激阵列 75%的反射率 。目前 , 我们能够为 海洋二号卫星提供定轨工程实用的星载激光后向反 射镜阵列 ; 星激阵列的形状可以依据卫星总体设计 给出的可用外壳空间而定 ; 如图 2 所示的星激阵列 设计 ; 初拟 它的 角 反 射 棱 镜 口 径 Ф 40mm , 块 数 为 2 10,重量为 1kg左右 ,有效反射面积为 11218cm 。
4 海洋二号卫星可装备具有双频载波相位测量能
图 4 作者建议的用于我国卫星厘米 级定轨的 GPS国际基准网
我们的仿真实算成果表明 , 利用 CHAM P 星载
GPS载波相位测量数据和 30 个分布在全球的 IGS
跟踪测量站的 GPS载波相位测量数据 , 组成双差测 量值 ,而解算出 CHAM P卫星的在轨点位 ; 其 1 天运 行轨道的径向误差为 ± 9158cm。
图 1 作者主持研制的星载激光后向反射镜阵列
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海洋二号卫星可装备无电功耗需求的激光后向 反射镜阵列 ,以便对它进行激光定轨
分析美国哥达德飞行中心 ( GSFC )的资料表明 , 仅自 2000 ～2003 年四年间 ,美国 、 德国 、 日本和俄罗 斯共发射了 26 颗装载着激光后向反射镜阵列的对 地观测卫星 ; 其中还包括美国海军于 2002 年发射的 ATEx军用卫星 。由此可见 , 星载激光定轨 , 已经成 为当 今卫星高精度定轨 的有效手段 ,值得我们仿效
卫星激光定轨 , 已在高达 20 000km的导航卫星 ( GPS / G LONASS卫星 )和高达 1 000km左右的对地观 测卫星上 ,成功地进行了工程实用 ;例如 , 1992年 8 月 10 日 ,美国航空航天局 (NASA )和法国国家空间研究 中心 ( CNES)联合发射了 Topex/ Poseidon 海洋测高卫 星 。它要求其径向误差在 ± 13cm 以内 , 而采用了星
第 6期
刘基余 海洋二号卫星厘米级定轨的实施建议
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载 GPS定轨和激光定轨并行的实施方案 ; 其结果表 明 ,径向误差为 3 ～4cm , 法向误差为 5 ～10cm , 切向 误差为 9 ～16cm。 2001 年 10 月 7 日 ,美国航空航天 局和法国国家空间研究中心又联合发射了 Topex/ Poseidon海洋测高卫星的后续卫星 ──JASON 2 1。该 颗卫星的有效载荷与 Topex/ Poseidon 卫星相似 ,仅将 星载 Monarch GPS 信号接收机改换为性能更优的
ρ c0
ρ c0
( X a - XHY0 ) 2 + ( Ya - YHY0 ) 2 + ( Z a - ZHY0 ) 2 ( X b - XHY0 ) 2 + ( Yb - YHY0 ) 2 + ( Z b - ZHY0 ) 2 ( X c - XHY0 ) 2 + ( Yc - YHY0 ) 2 + ( Z c - ZHY0 ) 2
图 3 多站激光测距定轨原理示意图
当地面 3 个 SLR 测站 ( A, B , C ) 上的卫星激光测距 仪在时元 t测到海洋二号卫星的距离ρ a ( t) , ρ b ( t) , ρ c ( t) , 则有 :
ρ a ( t) = ρ b ( t) = ρ c ( t) =
[ X a - XHY ( t) ] + [ Ya - YHY ( t) ] + [ Z a - ZHY ( t) ] [ X b - XHY ( t) ] + [ Yb - YHY ( t) ] + [ Z b - ZHY ( t) ] [ X c - XHY ( t) ] + [ Yc - YHY ( t) ] + [ Z c - ZHY ( t) ]
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多站激光测距解算海洋二号卫星的在轨三维位置
图 3 表示多站激光测距定轨的基本构成及其工 作原理 。在地面三个 SLR 测站 ( A, B , C ) 上 , 各设置 一台卫星激光测距仪 ; 它们的站坐标是精确已知的 , 且分别为 X a , Ya , Z a 、 X b , Yb , Z b和 X c , Yc , Z c , 时元 t, 海洋二号卫星的在轨点位坐标记作 XHY ( t) , YHY ( t) ,
海洋二号 ( HY2 2 ) 卫星的厘米级定轨 , 是发展我 国海洋动力环境卫星的关键技术之一 ,也是海洋动力 环境卫星能否实际应用于大地水准面和海洋动力学 [1] 研究的一个重要标志 。本文针对如何实施海洋二 号卫星厘米级定轨 ,提出下述建议 ,供决策参考。
1
代卫星导航系统 ,它相对现行的第二代卫星导航系 统 (如 GPS系统 ) ,存在许多不足 。对于中国卫星定 轨用户而言 , 从星载 DOR IS 接收机到数据处理 , 完 全依赖和受控于人 。而其亚米级的卫星定轨精度 , 又依靠长时间的多普勒定轨观测 。实用成果表明 , 1 天测量的定位精度 ,仅达 ± 20 ～30cm; 5 天测量的定 位精度 ,仅达 ± 10cm。若采用第二代卫星导航系统 的导航定位信号定轨 , 不仅能够在达到厘米级定轨 精度的情况下大为缩短定轨观测时间 , 而且能够自 主地进行精密卫星轨道测量 。特别是能够确保厘米 级定轨精度的卫星激光定轨 ,更值得我们采用 。
时测得至海洋二号卫星的距离 , 就能够精确解算出 时元 t, 海 洋 二 号 卫 星 的 在 轨 三 维 坐 标 XHY ( t) , YHY ( t) , ZHY ( t) ; 其测量精度已为国外实用证明可达 厘米级 。我国现有的武汉 、 上海 、 长春 、 北京和昆明 等 5 个 SRL 测站上的卫星激光测距仪 , 都具备测量 海洋二号卫星的能力 , 能够实现多站卫星激光定轨 。
B lackJack GPS信号接收机。 2002 年 3 月 17 日 ,美国 航空航天局和德国地学研究中心 ( GFZ) 合作发射了
轨观测站和阿根廷圣胡安的卫星激光测距站 , 以及 我国在南极中山站所建立的 GPS跟踪站 , 与国内现 有的 IGS 跟踪站构成 GPS 国际基准网 , 如图 4 所 示 ,并力争国际合作 。例如 , 可以与德国的 W ettzell 卫星观测站合作 ,而建立跨度更大的 GPS国际基准 网 (图 4 中用虚线所示 ) 。
第 25 卷第 6 期 2005 年 11 月
海 洋 测 绘
HYDROGRAPH IC SURVEYI N G AND CHARTI NG
Vol125, No16 Nov1 , 2005
海洋二号卫星厘米级定轨的实施建议
刘基余
(武汉大学 测绘学院 ,湖北 武汉 430079)
摘要 : 针对海洋二号 (HY2 2) 卫星如何实现厘米级定轨问题 ,提出下列建议 : 海洋二号卫星不必采用 DOR IS定 轨 ; 给海洋二号卫星装备无电功耗需求的激光后向反射镜阵列 ,以便对它进行多个 SRL 测站观测的激光厘米级定 轨 ; 给海洋二号卫星装备具有双频载波相位测量能力的 GPS信号接收机 ,实现高精度的星载 GPS测量定轨 。 关键词 : 海洋二号卫星 ; 观测 ; 定轨 中图分类号 : P17311 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 2 3044 ( 2005 ) 06 20001 203
海洋二号卫星不必采用 DO R IS 定轨
20 世纪 80 年代中期 , 法国国家空间研究中心 ( CNES) 、 法国国家大地测量研究所 ( GRGS) 和法国