《1 前言》

1 前言

激光跟踪系统（SLR）成为地测主要跟踪系统已经超过了20年[1~3] 。SLR跟踪系统测量的是地面发射器发射的脉冲到卫星上激光反射器，再由激光反射器反射到地面跟踪站接收系统的双程的时间。许多现代系统使用的是几个光子或者单光子的水平，从跟踪精度上看 SLR 代表最先进的跟踪系统，精度达到几个毫米，绝对精度对于最好的仪器可以达到1 cm。对于所有的陆地跟踪数据，中性大气延迟可以计算，与无线电波相比，激光所在的波段不受电离层的影响，而且水汽的影响也比无线电波小。SLR 系统主要弱点就是跟踪站稀疏的地理分布和测距局限在晴朗天气的条件。

2011 年 8 月 16 日发射的海洋二号（HY-2）卫星是中国第一颗海洋动力环境卫星，载有雷达高度计、雷达散射计、微波辐射计和校正辐射计，辅助设备有多普勒雷达和无线电定位组合系统（DORIS）接收机、双频 GPS 接收机和激光反射棱镜阵列，其中激光反射棱镜阵列为国内自主研制。SLR 跟踪系统作为HY-2卫星定轨基准系统，同时也是HY-2定轨系统之一，本文介绍了 HY-2 卫星 SLR 轨道预报和精密定轨技术。

《2 激光站控制子系统组成》

2 激光站控制子系统组成

国际激光测距服务（ILRS）于1998年成立，功能是服务于全球 SLR 观测和数据管理，通过向 ILRS 组织的申请，HY-2卫星加入了SLR国际联测。

HY-2卫星激光站控制子系统由上海处理中心和北京处理中心两部分组成，上海处理中心承担与国内 7 个激光测距站、国家卫星海洋应用中心（NSOAS）、地壳动力学数据信息系统（CDDIS）之间的自动化、业务化的SLR数据传输和交换以及SLR 轨道预报。北京处理中心承担SLR数据统计分析、 SLR 精密定轨和精密轨道评估。激光站控制子系统组成如图1所示。

《图1》

图1 激光站控制子系统组成

Fig. 1 The configuration of SLR station control subsystem for HY-2 satellite

1）北京数据处理中心将精密卫星预报星历数据上传到数据交换文件传输协议（FTP），传输给上海处理中心。

2）ILRS组织将HY-2卫星 SLR地面跟踪站坐标数据上传到数据交换FTP，传输给上海处理中心。

3）国际激光测距数据处理中心从数据交换FTP获取CPF格式激光观测数据文件，并将全球激光数据资料上传到数据交换FTP，传输给上海处理中心。

4）上海处理中心从数据交换 FTP 获取观测数据文件，经过数据预处理模块，获取预处理后的 SLR观测数据，并将其上传到数据交换FTP，经过精密轨道确定模块处理，得到精密轨道，并将其上传到数据交换FTP，进行轨道预报，包括CPF格式轨道预报数据及J2000.0坐标系和地固系下的轨道预报数据。

5）北京数据处理中心从数据交换 FTP 获取激光观测数据，经过激光数据预处理与分析，生成预处理后的SLR观测数据与SLR月分析报告。

6）北京数据处理中心从数据交换 FTP 获取精密轨道数据，经过轨道产品外部质量检验评估生成质量外部检验报告。

《3 HY-2卫星SLR观测情况》

3 HY-2卫星SLR观测情况

当前全球约有50多个人卫激光测距跟踪站，且分布比较均匀。相当多的SLR站通过了仪器改造，具备白天观测功能。从地理位置角度，SLR站大致分属 3 个国际网，美国宇航局网（NASA）、欧洲网（EUROLAS）和西太平洋网（WPLTN）。我国有7个激光测距站，为ILRS提供激光测距数据。

《3.1 全球SLR激光站及观测数据统计》

3.1 全球SLR激光站及观测数据统计

截至 2013 年 8 月 31 日，国内外共有 28 个激光站参与对HY-2卫星跟踪观测，获得71 849个观测记录。图2为SLR站对HY-２卫星的观测统计。横坐标的四位数字为台站的国际编号，纵坐标为观测记录。

《图2》

图2 SLR站对HY-2卫星的观测统计

Fig. 2 The measurement statistics of HY-2 satellite for the SLR stations

从图 2 可看出，7090（Yarragadee，澳大利亚） SLR 站获得的 HY-2 的激光测距数目最多，7825 站（Mt Stromlo，澳大利亚）、7105（Greenbelt，马里兰）和7810（Zimmerwald，瑞士）次之。

图 3 为 2011 年 10 月 2 日—2012 年 2 月 29 日按时间序列给出的全球 SLR 跟踪站每天的观测数据统计。

《图3》

图3 SLR站对HY-2卫星的观测统计

Fig. 3 The measurement statistics of HY-2 satellite for the SLR stations

由图3可看出，观测前期获取SLR的观测数据相对少些，以后就比较稳定，每天都有 4 个以上的 SLR站在跟踪HY-2卫星。HY-2的SLR观测记录足以实现对HY-2卫星的精密定轨、轨道预报和轨道检核等工作。

《3.2 中国SLR激光站及观测数据统计》

3.2 中国SLR激光站及观测数据统计

我国有7个激光测距站，为ILRS提供激光测距数据。武汉等SLR站由于设备和天气问题，一直没有给出HY-2卫星的SLR观测记录。

对于北京天文台在阿根廷建立的 SLR 激光站应属于中国SLR站，截至2012年3月29日，跟踪到 HY-2 卫星的中国 SLR 站有 3 个：长春（7237）、上海（7821）和天文台阿根廷（7406）站。

图 4 给出 2011 年 10 月 2 日—2012 年 2 月 29 日上述3个站的SLR跟踪观测数据统计。

由图4可看出，长春几乎每天都有SLR观测数据。上海和天文台阿根廷站由于天气等原因，跟踪有间断。

《图4》

图4 SLR站对HY-2卫星的观测统计

Fig. 4 The measurement statistics of HY-2 satellite for the SLR stations

注：（a）为长春（7237）；（b）为天文台阿根廷（7406）；（c）为上海（7821）

《4 HY-2卫星SLR轨道预报》

4 HY-2卫星SLR轨道预报

从SLR站常规观测角度，每天都要根据CPF格式的预报轨道拟定跟踪计划。根据跟踪计划，对地球卫星进行有选择的跟踪。如果 SLR 站获取的 CPF格式轨道预报精度很差，就有可能跟踪不到卫星，因此高精度预报轨道对SLR跟踪站非常重要。

上海处理中心每天定时下载HY-2卫星的SLR 数据。利用前3天SLR数据在精密定轨的同时向后提供3天的HY-2卫星预报轨道，并用FTP传给国际激光测距卫星预报中心。如果把预报轨道和法国太空总署（CNES）的精密轨道作比较，则可以评价其精度。下面给出 2012 年 2 月 3 日—5 日之间 3 天预报轨道与定轨结果的比较，结果见图5。

《图5》

图5 预报轨道与法国DORIS精密定轨结果的比较

Fig. 5 The orbit comparison between DORIS solution and the predicted SLR solution

用中误差对上述数据进行统计，发现3天预报轨道与精密定轨结果在 X、Y、Z 方向的中误差分别为 24.4 m、24.6 m 和 33.7 m；在 RTN 方向分别为 0.2 m、48.8 m 和 2.1 m；三维差异为 48.4 m，满足 SLR观测要求。

分析 1 个月的轨道预报，发现 3 天预报结果与 CNES 的 MOE 差异的 RMS 都小于 200 m。目前的 SLR站对HY-2的跟踪状况也证实了上海处理中心发布的预报轨道精度满足要求。

《5 HY-2卫星SLR精密定轨》

5 HY-2卫星SLR精密定轨

《5.1 SLR精密定轨策略》

5.1 SLR精密定轨策略

在用 SLR 数据对 HY-2 卫星精密定轨中，运用的是动力学方法，力学模型及参数如表1所示。

《表1》

表1 力学模型及解算参数设置

Table 1 SLR solution for POD of HY-2 satellite

《5.2 SLR精密定轨》

5.2 SLR精密定轨

由于卫星没有真实的轨迹，因此需要对精密定轨结果进行轨道评估，轨道评估一般包括内部验证和外部验证两种类型，内部验证主要完成轨道精度的内部评估，外部验证主要实现与其他软件定轨结果的互比验证分析。本文内部验证采用了重叠弧段比较和激光检核两种方法，外部验证采用独立轨道比较方法，选取的中等精度轨道星历（MOE）产品时间为2012年3月。

5.2.1 重叠弧段比较

重叠弧段比较定轨弧段采用30 h，相邻弧段重复6 h，图6给出了2012年3月SLR精密定轨重叠弧段比较结果。从图6可看到，SLR定轨结果重叠弧段比较均方差（RMS）为2 cm左右。

《图6》

图6 SLR精密定轨重叠弧段比较结果（2012年3月MOE）

Fig. 6 The overlap orbit comparison results for SLR solution（MOE，March，2012）

5.2.2 激光检核

激光检验过程中，SLR残差为SLR直接测得的站星距与星载GPS/DORIS定轨结果计算得到的站星距之差。卫星轨道径向误差检验一般采用高仰角激光数据，考虑HY-2激光数据量，这里采用仰角大于60°的激光数据进行HY-2卫星轨道径向精度检验。图7给出了2012年3月利用SLR资料精密定轨的轨道 SLR 残差分布，其中 SLR 残差 RMS 为 3.73 cm。从图7可看出，SLR残差有些偏差。

《图7》

图7 SLR定轨产品SLR检核结果（2012年3月MOE）

Fig. 7 The results of SLR validation for SLR solution（MOE，March，2012）

5.2.3 独立轨道比较

分别将DORIS和GPS定轨产品与SLR定轨的 MOE产品进行比较，图8给出了SLR和DORIS观测数据精密定轨的径向MOE的比较结果，图9给出了 SLR和GPS观测数据精密定轨径向MOE的比较结果。从图中可以看到，SLR定轨产品在2012年3月运行比较稳定，SLR定轨与DORIS定轨结果比较径向RMS为2.97 cm，与GPS定轨产品比较径向RMS 为3.49 cm。

《图8》

图8 DORIS定轨与SLR定轨产品径向比较结果（2012年3月MOE）

Fig. 8 The radial orbit comparison results between DORIS and SLR solution（MOE，March，2012）

《图9》

图9 GPS定轨与SLR定轨产品径向比较结果（2012年3月MOE）

Fig. 9 The radial orbit comparison between GPS and SLR solution（MOE，March，2012）

《6 结语》

6 结语

1）HY-2卫星利用SLR联测数据实现了轨道预报、数据收发、精密定轨和轨道预报的闭环运行，运行稳定。

2）截至 2013 年 8 月 31 日，国内外共有 28 个激光站参与对HY-2卫星跟踪观测，获得71 849个观测记录。中国SLR网有3个站参与观测。SLR观测精度优于1 cm，与国外同类卫星联测相比观测数量和质量相当。长春SLR站在联测中首次测到HY-2，中国SLR网采用kHz和白天测距技术在晴夜、地影和白天都能成功观测到HY-2。

3）利用3天SLR数据，可以给出3天HY-2卫星高精度预报轨道。与CNES的MOE轨道相比，其差异不超过200 m，能满足正常SLR观测要求。

4）对 2012 年 3 月的 SLR 精密定轨结果进行了内部和外部质量验证，径向MOE运行比较稳定，重叠弧段比较残差为2 cm左右，激光检核为3.73 cm，独立轨道比较为3.5 cm左右。

5）从激光联测的数据获取看，中国SLR网的数据由于天气的影响，数据偏少，数据主要来源于长春站、上海站和境外的阿根廷站。通过SLR联测中国网数据对HY-2精密定轨结果表明，如果能在我国天气较好的西部增加 2 个站，可以独立使用中国 SLR网的联测数据对类似HY-2的卫星精密定轨达到分米精度，将对我国卫星的精密定轨有广泛应用。另外，在HY-2的SLR联测中，中国SLR网的有些站激光器工作不正常（目前主要使用国外激光器），降低了 SLR 联测的效率。目前我国研制的 SLR专用激光器已有一定的基础，希望我国有关部门支持，提高国产SLR激光器的研发水平。