资源三号03星星载GPS精密定轨与精度评价

资源三号03星星载GPS精密定轨与精度评价

　　配方管理软件,pc测试软件,nb软件文 张浩哲1，常晓涛1,2，朱广彬2，刘伟2，瞿庆亮1（1.山东科技大学 测绘与空间信息学院；2.自然资源部 国土卫星遥感应用中心）

　　针对资源三号03星精密轨道精度评定的问题，该文对资源三号03星星载GPS观测数据进行质量分析，采用简化动力学方法，实现了资源三号03星精密轨道确定，从重叠弧段分析内符合和激光测距检核外符合两个方面评估了资源三号03星精密轨道精度。结果表明，资源三号03星精密定轨内符合精度达到1 cm，外符合精度达到3 cm。精密轨道总体精度达到厘米级，可为资源三号03星遥感影像和激光测高几何精度提升提供高精度的卫星轨道信息。

　　资源三号03星是民用高分辨率光学立体测绘卫星资源三号系列卫星，于2020年7月25日发射。卫星搭载了高分辨率相机、激光测高仪和星载全球定位系统(global positioning system, GPS)双频接收机等载荷，具备多角度立体观测和激光测高能力，与已在轨的资源三号01、02星组网运行，共同构建测绘卫星星座，形成了全球领先的光学立体观测能力，进一步提升了我国光学遥感卫星在1:50 000基础测绘、国土资源调查、防灾减灾等领域的应用服务能力。低轨卫星精密定轨是获取卫星在空间中精确位置的过程，高精度的定轨结果是光学遥感卫星获取高精度高分辨率地形信息的基本条件。开展资源三号03星精密定轨技术研究，实现定轨精度科学评价分析，是评估星载GPS接收机工作性能的重要内容，对于卫星影像高精度处理和定量化应用具有重要意义。

　　星载全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)精密定轨技术经历了20余年的发展，为基于海洋测高卫星、重力卫星、光学遥感卫星等的科学与应用研究提供了必不可少的位置信息。TOPEX/Poseidon (T/P)卫星首次利用星载GPS接收机实现高精度定轨，开创了星载GNSS接收机用于卫星精密定轨的新纪元。之后星载GNSS定轨技术便以观测数据多、定位精度高等优势，成为低轨卫星精密定轨的主要技术。特别是近年来各种观测任务的低轨卫星不断发射，如地球重力场恢复及气候实验 (gravity recovery and climate experiment,GRACE)、地球重力场稳态海洋环流探测(gravity field and steady-state ocean circulation explorer,GOCE) 计划等，其精密定轨精度均达到厘米级。国内相关学者对星载GNSS精密定轨技术做了大量研究。文献研究了PANDA软件的定轨能力，以德国地学中心(German Research Centre for Geosciences,GFZ)发布的参考轨道比较，小卫星挑战计划 (challenging minisatellite payload, CHAMP) 卫星定轨精度在11.4 cm左右。文献利用非差简化动力学方法解算CHAMP卫星轨道，经卫星激光测距 (satellite laser ranging, SLR)数据检核，论证了非差简化动力学方法的优越性。文献对Jason-2卫星进行精密定轨研究，利用星载GPS数据，通过简化动力学方法达到厘米级的定轨精度。我国在海洋二号卫星上首次搭载星载GNSS接收机，以求为科学应用提供更加精密的位置信息。文献利用海洋二号卫星GPS仿真数据，通过Bernese软件进行海洋二号卫星精密定轨，最终的定轨精度达到厘米级。文献[10]对资源三号01星进行精密定轨研究，重叠弧段位置精度在2.3 ~7.9 cm，满足资源三号01星的定轨精度要求。

　　星载GNSS的精密定轨理论已较为完善，但星载GNSS精密定轨精度评价，特别是针对国产遥感卫星星载GNSS观测系统的有效评价一直是应用研究的重点。资源三号03星是我国首次搭载激光测高系统的业务卫星，定轨精度科学评价的重要性更是不言而喻。本研究利用资源三号03星星载双频GPS观测数据，在开展卫星精密定轨技术研究的基础上，从卫星可见数、周跳比、数据完整率等角度对星载GPS观测数据进行质量分析，进而利用重叠弧段内符合精度和SLR外符合检核策略实现星载GPS观测系统的精度评价，可为资源三号03星遥感影像定量化应用和激光测高数据处理等提供参考。

　　简化动力学法求解卫星轨道与动力学法类似，采用力学模型与数值积分求解轨道，其差异在于简化动力学法所使用的力学模型比动力法少。在定轨过程中利用虚拟的随机参数来提高轨道质量。

　　资源三号03星搭载有采样率为1 Hz的GPS双频接收机，实验利用资源三号03星GPS双频观测值进行消电离层组合，采用简化动力学方法对资源三号03星进行精密定轨。数据周期自2020年8月1日—2020年9月5日（年积日229—234）。定轨策略如表1所示。

　　采用表1中的定轨策略对资源三号03星进行简化动力学定轨，定轨流程如下：①利用观测数据中的伪距、欧洲定轨中心 (Center for Orbit Determination in Europe,CODE)精密星历和钟差产品，概略计算卫星的离散点坐标和初始接收机钟差；②利用解算的离散点坐标作为虚拟观测值，以简化动力学方程为约束，解算参考时刻的卫星位置、速度和力学模型参数，确定简化动力学的初始轨道；③利用伪距和载波相位观测值通过TurboEdit方法探测周跳和粗差；④利用确定的简化动力学轨道、双频消电离层组合观测值、CODE精密星历和钟差，通过最小二乘方法改进初始轨道；⑤利用设定的粗差阈值对观测值验后残差进行粗差检验，将大于一定阈值的观测值剔除，重复最小二乘法改进轨道的过程，随着轨道改进，轨道精度也越来越高。

　　星载GPS观测数据质量影响着星载GPS数据预处理策略的制定，制约着卫星精密定轨的精度水平。以下从卫星可见数、周跳比（o/slps）、数据完整率等方面对资源三号03星星载GPS观测数据进行分析，评估星载GPS观测数据质量，对观测数据进行粗差剔除，周跳探测与修复等数据预处理过程，以实现对资源三号03星的高精度定轨处理。

　　卫星可见数是指在观测历元时刻接收机同时锁定的GPS卫星颗数，大于4颗的卫星可见数才可进行定轨解算，卫星可见数越多，精度衰减因子（dilution of precision, DOP）值就有可能越小，定轨精度越高。

　　从单天的原始观测数据中提取每个历元的卫星可见数，统计了30 d的星载GPS观测数据每个历元的卫星可见数，计算单天的卫星可见数平均值，如图1所示。从图中可以看出，资源三号03星星载GPS接收机每个历元的卫星可见数平均在7~8颗卫星。可以看出,星载GPS接收机卫星可见数不像地面静态点GPS接收机会呈现周期性，这是资源三号03星不断运动造成的，资源三号03星是太阳同步轨道，轨道周期为98 min。图2给出了8月1日、8月6日、8月15日的卫星可见数随时间变化情况。在86 400个观测历元中，8月1日最大卫星可见数为12，最小为3，平均可见数为7.5；8月6号最大卫星可见数为12，最小为2，平均可见数为7.4；8月15日最大可见数为12，最小为4，平均可见数为7.5。可见卫星在4颗以下的历元占比不到0.002%，能够满足资源三号03星精密定轨数据处理的需要。

　　周跳比为观测值与周跳的比值，比值大小能够反映周跳的严重程度，数值越大周跳越少，对精密定轨处理精度的影响越小。一般来讲，地面GPS接收机观测数据的周跳比值要高于200，一般在1 000以上。而星载GPS接收机处于电离层中并高速运动，跟踪数据的低信噪比，导致观测误差恶化，周跳和失锁频繁 。图3给出了资源三号03星星载GPS数据的周跳比统计结果，观测数据周跳比介于70~700，较之地面静态观测情况要差，但可满足星载GPS精密定轨处理的需要。文中采用TurboEdit方法对周跳进行处理，通过联合MW ( Melbourne-Wbbena )组合和GF ( Geometry-Free )组合对载波相位周跳进行探测与修复，尽可能地发现和修复周跳并剔除异常观测值。未发现的周跳则在定轨估计过程中通过质量控制部分处理，利用验后残差对参与定轨估计的观测值进行再编辑。确保最后参与估计的观测量不含有未被探测的周跳，得到较高的定轨精度。

　　观测数据完整率能够衡量观测数据中数据缺失比率，反映了星载GPS接收机的工作性能。观测数据完整率越高，可用于定轨的数据也就越多，定轨结果更为可靠。数据完整率是指剔除存在缺失值后的观测历元与总观测历元的比值。在评定过程中，双频GPS接收机只要两个频段中有一个伪距或载波相位观测值缺失，即剔除该历元观测数据。在民用航天指标评价中，当星载GPS观测数据完整率在90 %以上时，认为载荷性能满足设计和数据处理要求。文中对资资源三号03星星载GPS观测数据进行了数据完整率统计，如图4所示。资源三号03星星载GPS数据完整率大于92 %，星载GPS接收机工作状态正常，能够满足卫星精密定轨处理需要。

　　GPS观测值残差并不能完全反映定轨结果的精度，但是残差均方根(root mean square, RMS)在一定程度上反映了定轨策略是否合适，力学模型选取是否恰当，GPS数据预处理的好坏。观测值残差是定轨后的观测值与计算值之间的差值。文中对观测值做消电离层组合（LC）处理进行定轨。其中，LC载波相位观测值残差包含了定轨过程中模型化不准确造成的误差和未被模型化考虑的一些细小误差，定轨过程中采取的各种模型和真实情况越接近，LC载波相位残差就越小。LC载波相位残差RMS可作为内符合精度评估的指标。

　　对2020年8月1日—2020年9月05日（即年积日：214—249）的LC载波相位残差RMS值进行了统计，如图5所示。LC载波相位残差RMS值最大为7.9 mm，最小为7.2 mm，优于8 mm。结果表明，文中所采用的定轨模型与实际情形较为符合，定轨策略较好，各项改正较为理想，周跳探测与修复等数据预处理情况较完善，LC载波相位残差 RMS 值在毫米级。

　　在缺少外部精密轨道检核的情况下，重叠弧段比较是重要的低轨卫星精密定轨精度评定手段，可以作为内符合精度的评定依据。计算单天24 h的轨道，定轨弧段为30 h，从计算当天的T 13:00:00至下一天的T 19:00:00。这样每天的T 13:00:00—19:00:00之间存在6 h的重复定轨结果。尽管重复弧段的6 h观测数据相同，但这两段定轨结果是经过两次独立解算得到，可认为前一天与后一天的6 h重叠轨道互不相关。理论上重叠弧段的定轨结果应该一致，但是在实际定轨过程中，数据处理方法和观测误差等多种因素的影响，重叠弧段的轨道并不完全重合，故可以通过重叠弧段的轨道比较来评定定轨精度。由于存在边界效应，重叠弧段的两端约束较弱,因此截取重叠轨道中间4 h作为精度评价依据。

　　以2020年8月18日（年积日217）数据为例，绘图分析中间4 h重叠弧段残差在各个方向的变化，图6为重叠弧段在切向（along）、法向（cross）、径向（radial）的残差。由图6可以看出,去重叠轨道在切向的差异较径向和法向大，总体上3个方向残差均在10 mm以内。

　　图7给出了资源三号03星30 d定轨结果在切向、法向、径向和三维(3D)位置的重叠弧段 RMS 值统计结果。可以看出，重叠弧段切向、法向、径向的 RMS分别优于11.4、5.7和6.8 mm，三维 RMS 优于14 mm。由于每一个弧段均为独立定轨，可认为定轨精度不相关，根据误差传播定律，可以得到定轨精度优于14/√2 mm，即重叠弧段比较的定轨内符合精度达到1cm。

　　对于星载GPS定轨，评估其定轨精度的一个重要手段就是利用高精度的人造卫星激光测距数据对星载GPS定轨结果进行外部检验。目前，SLR观测数据的观测精度可达1 cm，且无模糊度也不受电离层的影响，因而可用于星载GPS定轨结果的检验。北京房山SLR观测站联合长春站、上海站、昆明站、武汉站对资源三号03星轨道进行检核，利用1 501个标准点检核精密轨道，分析各站的系统误差，去除系统误差后，SLR检核结果见表2，最大残差8.33 cm，最小残差—8.37 cm，RMS为3.06 cm。检核结果表明，定轨外符合精度达到3 cm。

　　文章利用简化动力学方法对2020年发射的资源三号03星进行了精密轨道确定，通过星载GPS观测数据质量分析、载波相位残差分析、重叠弧段分析和激光测距精度检核，评估了资源三号03星精密定轨精度，得出结论如下。

　　1) 资源三号03星星载GPS观测数据质量较好，卫星可见数平均在7~8颗，周跳比介于30~55，数据完整率大于92%，星载GPS接收机工作状态稳定，捕获的观测数据满足精密定轨要求。

　　2) 资源三号03星精密定轨载波相位残差分析结果表明，单天的载波相位残差RMS值最大为7.9 mm，最小为7.2 mm，均优于8.0 mm，载波相位残差RMS 保持在毫米级水平。这些表明，资源三号03星定轨采用的力学模型与定轨策略较好，各项误差改正较为理想，数据预处理过程较为完善。

　　3) 资源三号03星精密轨道残差和SLR激光测距检核结果表明，精密定轨内符合精度达到1 cm，SLR检核残差RMS 值为3.06 cm，资源三号03星精密轨道精度达到厘米级，可为遥感影像定量化应用和激光测高数据处理提供高精度的卫星轨道信息。（原文有删减）

　　作者简介：张浩哲（1997－），男，河南许昌人，硕士研究生，主要研究方向为空间大地测量。

　　引文格式：张浩哲，常晓涛，朱广彬，等． 资 源 三 号 ０３ 星 星 载 ＧＰＳ精 密 定 轨 与 精 度 评 价 ［Ｊ］． 测 绘 科 学，２０２２，４７（６）：３８-４３，８９．

　　本文转载自“测绘学术资讯”，原标题《资源三号03星星载GPS精密定轨与精度评价》。

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