海洋2A(HY2A)是我国自主研制的一颗海洋动力环境卫星，于2011年8月16日在太原卫星中心发射成功，2012年3月2日正式交付国家海洋局使用。它的发射和应用标志着我国已迈入了海洋环境监测行列。HY2A卫星以实时提供海面高、浪高、海流和海面温度等多种海洋信息为主要目标，提升我国在海洋科学研究，海洋环境监测和预报，全球气候变化等研究中的能力。HY2A卫星设计为太阳同步轨道，倾角99.34 °，寿命为3 a。任务前期采用重复周期为14 d的回归冻结轨道，后期采用重复周期为168 d的回归轨道(www.nsoas.gov.cn)。星载设备有雷达高度计、雷达散射计和微波辐射计以及国产双频GPS接收机，法国DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite)接收机，SLR(Satellite Laser Ranging)反射棱镜等。

精密轨道的跟踪和确定是HY2A卫星的关键技术，也是有效利用星载设备(如雷达高度计)开展海洋环境监测和研究的前提条件。为满足径向定轨精度优于10 cm的设计要求，HY2A卫星装载了GPS、DORIS和SLR等三种精密跟踪系统，主要由于精密定轨。星载GPS由于其成本低、重量轻、低功耗、全天候、高精度、连续观测等优点，被广泛地安装在精密对地观测的低轨卫星和飞行器上，目前已成为许多低轨卫星精密定轨的主要手段^{[1, 2, 3, 4, 5]}。DORIS 是由法国空间研究中心(CNES)、法国空间测地研究院(CRGS)和国家地理研究院(IGN)联合研制的星基多普勒轨道确定和无线电定位组合系统，该系统主要用于卫星精密定轨和地面精确定位。DORIS具有高精度及全天候等优点，被应用于SPOT-2、TOPEX、Jason-1/2和HY2A等卫星的精密定轨中^{[6, 7, 8, 9, 10]}。SLR单次测距精度己达cm级，逐渐成为卫星精密定轨的重要手段之一^{[11, 12, 13]}。由于SLR观测受天气条件及地面测站分布不均匀等因素的影响，难以实现对空间飞行器的全球、实时跟踪，因此SLR一般作为定轨手段之一，或用于轨道精度检验。

为配合HY2A卫星的科学应用，该卫星的地面应用系统中专门设置了精密定轨分系统，主要负责和协调GPS、SLR、DORIS跟踪站的观测、数据收集、处理及精密轨道确定等工作。当前，HY2A精密定轨分系统中安装了国内4家单位(武汉大学、中科院测量与地球物理研究所、西安卫星测控中心和中科院上海天文台)的精密定轨软件。为实现卫星精密定轨结果的备份和相互检验，4家定轨软件使用的观测资料不完全相同，如上海天文台只用SLR资料进行精密定轨。由于HY2A卫星搭载了DORIS接收机，因此，法国空间研究中心(CNES)每天定时通过FTP向国家卫星海洋应用中心的服务器上传其定轨产品。

随着空间技术的迅速发展，高精度对地观测技术在经济、国防和科研中的地位越来越重要。由于单一数据的定轨模式难以满足高精度、快速、稳定等实际需求，为满足我国航天及相关领域对高精度卫星轨道的迫切需求，需要一种可同时处理多种空间跟踪观测数据的精密定轨软件。为充分发挥GPS、DORIS和SLR三大测量技术的各自优势，本文建立了一套具有对GPS、DORIS和SLR三种数据进行单独和联合(表示为GPS/DORIS/SLR)精密定轨软件，并基于不同数据的先验精度选择适当的权，应用于HY2A卫星的精密定轨中。本文选取HY2A卫星2013年2月的实测数据，以CNES的精密轨道作为参考标准，研究了GPS、DORIS及SLR三种观测手段的单独和联合定轨问题。

采用的定轨数据、模型及解算参数如下：

1) GPS、DORIS和SLR观测数据：时间跨度为2013-01-31~2013-02-28。GPS数据由国家卫星海洋应用中心提供，采样间隔为1 s。DORIS和SLR数据取自NASA网站。

2) 测站坐标：SLR，SLRF2005；DORIS，DOPOD2005。

3) 地球自转参数：EOP，IERS 08 C04；岁差/章动，IAU2000A。

4) 力学模型：重力场，EIGEN5C模型(150阶×150阶)；固体潮摄动，IERS96规范^[14]；太阳光压摄动，Box-Wing模型^[15]；海潮摄动，CSR4.0模型^[16]；N体行星摄动，JPL DE/LE 200大行星历表；广义相对论摄动，IERS2003规范^[17]；经验RTN摄动；大气阻力摄动，DTM94模型^[18]。

5) 对流层延迟改正：SLR，IERS2003；DORIS，Saastamonien+Neil。

7) 基于观测数据先验精度，并考虑少量SLR站的测量精度较差的特点，设定的三种观测数据权重为：GPS相位，1 cm；DORIS，0.5 mm/s；SLR，5 cm。

8) CNES的精密轨道由国家卫星海洋应用中心提供。

9) GPS卫星轨道与钟差：采样间隔为15 min的GPS星历和采样间隔为30 s的GPS钟差,上海天文台提供^[19]。实际计算中，利用10阶Chebyshev多项式插值GPS星历，利用3阶Lagrange插值GPS钟差。

采用HY2A卫星的GPS、DORIS和SLR观测资料，计算出2013-01-31~2013-02-28的卫星轨道，并通过内符合精度、轨道互比及SLR检验三种手段对定轨结果进行精度评估。

数据残差体现了定轨观测资料的拟合程度，分析定轨观测残差能初步判断定轨参数的解算水平，是定轨精度的一个重要标志。表1给出了2013年1月31日利用GPS/DORIS/SLR资料联合定轨的观测残差统计。

从表1中可以看出，三种数据的观测拟合残差符合要求，定轨结果基本可靠。但由于内符精度体现的是观测数据的拟合程度，不能定量地评估卫星轨道的真实精度，因此还不能作为评估定轨结果的绝对手段，必须和其他轨道精度评定方法结合，确保轨道误差分析的可信度。

根据法国CNES向国家卫星海洋应用中心提供的轨道检测报告，其利用GPS和DORIS数据确定的轨道，两者差异小于5 mm，SLR检验DORIS轨道的径向精度约为2 cm。为此，我们将CNES的轨道作为参考标准来分析定轨精度。图1以2013年1月31日数据为例，并用CNES结果作为标准轨道，定量估计GPS、SLR、DORIS和GPS/DORIS/SLR 4种不同方案的定轨精度。其中R、T、N分别表示径向、切向和法向。由于SLR单天数据少，在用SLR数据单独定轨时，弧长设定为3 d。GPS、DORIS数据的定轨弧长设定为1 d。

图 1 采用不同资料确定的轨道与CNES结果的比较 Fig. 1 Comparison of CNES Orbits and the Derived Orbits from Different Data

图选项

图1表明，如果把CNES给出的轨道作为标准轨道，那么本文确定2013年1月31日的GPS/DORIS/SLR、GPS、DORIS及SLR 4种不同数据确定的轨道在R方向上的定轨精度分别为 1.20 cm、1.27 cm、1.63 cm和1.37 cm；T方向上的定轨精度分别为5.35 cm、4.25 cm、5.82 cm和7.19 cm；N方向上的定轨精度分别为3.33 cm、4.08 cm、3.15 cm和5.40 cm。三维精度分别为6.4 cm、6.1 cm、6.8 cm、9.1 cm。4种方式计算的卫星轨道径向结果之间差异不大，但从三维位置角度，SLR的定轨结果与CNES结果差别最大。单独采用GPS数据定轨和采用GPS/DORIS/SLR数据联合定轨的差异很小。由于SLR定轨精度取决于观测站对卫星观测弧长、观测站的几何构形等因素，不同时段的SLR定轨结果可能存在较大差异(表2)。特别是对我国一些没有参加国际联测的卫星，如果只依靠中国区域的SLR网，其SLR的定轨结果可能较差。

限于篇幅，其他时段的GPS、SLR、DORIS和GPS/DORIS/SLR定轨结果与图1类似，表2中列出了2013年2月1日~7日的GPS/DORIS/SLR、GPS、DORIS及SLR 4种方案确定的轨道与CNES轨道的差异。

从表2可以看出，联合GPS、DORIS和SLR数据得到的轨道，与CNES精密轨道径向差的平均值为1.26 cm，三维位置差的平均值为6.34 cm，与单独用GPS数据的定轨平均值(径向1.34 cm,三维6.40 cm)非常接近，略好于用DORIS单独数据定轨(径向1.68 cm,三维8.50 cm)。用SLR数据也可以确定出平均值为1.89 cm的径向精度，但由于SLR对径向位置较敏感，对沿迹方向不敏感，所以不同时间段的SLR观测数据量可能差异很大，特别是在观测数据较少时，用SLR数据计算的轨道，其三个方向差异可能较大(如2月5日)。

对精密定轨而言，GPS、SLR和DORIS都可以实现，但卫星的空间环境复杂，在轨设备能否始终保持稳定是一个难题。HY2A卫星装载星载GPS接收机、DORIS系统及SLR反射棱镜，就是为了使三种定轨设备能互为备份和验证，确保卫星科学任务顺利完成。以2013年2月8日数据为例，研究三种数据联合定轨的必要性。具体方法是：(1)直接用GPS数据计算出1 d轨道；(2)假定 GPS只有0~18时的数据，也用这18 h的GPS数据定出1 d轨道；(3)用只有18 h的GPS数据与SLR及DORIS全天数据联合定轨。图2给出了上述三种情况定轨结果与CNES的径向差。

图 2 定轨结果与CNES的径向差 Fig. 2 Difference Between the Derived Orbits with CNES at Radial Direction

图选项

从图2可以看出，用24 h的GPS数据对HY2A卫星进行精密定轨，其径向与CNES差异为1.24 cm；当GPS数据缩短到18 h时，实际上是前18 h在用GPS数据定轨，后6 h为轨道预报，显然预报结果不如定轨结果；如果利用缺失的GPS数据联合DORIS和SLR数据进行精密定轨，与CNES结果的径向差异为1.36 cm。由于图2的结论具有普遍性，因此可知，多源数据联合定轨能保持计算的轨道精度相对稳定，对科学研究和工程应用都具有重要意义。

对于星载GPS、DORIS或联合定轨，评估其轨道精度的一个重要手段就是利用高精度的激光测距数据，其依据是SLR单次测距精度优于1 cm。检验结果是SLR直接测得的站星距与定轨结果计算得到的站星距之差。

HY2A属于海洋测高卫星，其轨道径向精度是制约雷达高度计数据应用的重要因素。SLR的测量量为测站与卫星的距离，星地距与径向并不重合，只有当卫星接近天顶的情况下，两者才较为接近。为了从轨道误差中分离出径向误差用于SLR检验，本文选择了高度角大于60°的SLR数据。为强调SLR检验的独立性，图3给出了2013年2月由GPS/DORIS两种资料联合定轨结果的SLR检验。

图 3 SLR检测GPS/DORIS的轨道残差图 Fig. 3 SLR Residuals for GPS/DORIS Orbits

图选项

可以看出，用SLR检验的2013年2月GPS/DORIS两种资料联合定轨结果，在测距方向的残差RMS为2.51 cm，平均值为-1.12 cm。由于HY2A每天的全球SLR观测站和观测量是变化的^[13]，因此通过站星计算的高度角大于60°的SLR观测数据并不多，可能有些天没有SLR数据参与轨道的检测。评定轨道位置精度角度时，通常使用所有的SLR观测数据，但低高度角往往会导致一些改正项的计算误差较大。假定选择的截止高度角为20°，则此时计算的星地距方向的残差为3.52 cm，比前面选择60°高度角的结果稍大。由于SLR检验卫星轨道时涉及到多项改正，修正后的测距准确值应优于2 cm，检验的站星距结果是可信的。

本文基于2013年2月HY2A卫星的实测数据，研究了GPS、DORIS和SLR三种数据的单独和联合定轨精度，结果如下。

1) 由于HY2A卫星加入了国际SLR联测，保证了SLR观测量的相对稳定，也为SLR的高精度定轨提供了数据保证。与CNES的轨道相比，SLR确定的轨道径向与CNES结果差异小于5 cm。HY2A卫星的SLR全球联测及定轨精度对我国后续卫星的精密定轨有借鉴意义。

2) 利用GPS精密星历及钟差，基于非差动力学方法，对HY2A卫星进行精密定轨，结果发现，GPS确定的HY2A卫星轨道与CNES结果在径向上的平均差异约为1.3 cm，三维位置约为6.2 cm。

3) 利用单一的DORIS数据对HY2A卫星进行精度定轨，其结果与CNES轨道的径向差异约为1.6 cm，三维差异好于10 cm，比用单一星载GPS数据的定轨结果稍差。由于本文不是直接用DORIS的RINEX3.0格式数据定轨，而是用距离变化率数据计算，在数据格式转换过程中，可能带来定轨的精度损失，此种情况需要进一步研究。

4) 用GPS、DORIS和SLR三种数据联合定轨，尽管其结果与用GPS单一数据定轨差异很小，在提高定轨精度上效果不明显，但联合定轨能降低定轨过程中参数解算的相关性，有利于保持计算轨道精度的相对稳定，特别是当GPS或DORIS数据出现中断或缺失时，意义明显。

5) SLR 单次测距精度好于1 cm，是检验卫星轨道的重要手段。由于海洋HY2A卫星对轨道径向精度要求较高，因此本文选取了高度角大于60 °的SLR 数据用于轨道检验。对2013年2月SHAO定轨的结果进行检测，发现在测距方向残差的RMS为2.5 cm，满足HY2A卫星 cm级的定轨要求。