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  大地测量与地球动力学  2021, Vol. 41 Issue (10): 1030-1034  DOI: 10.14075/j.jgg.2021.10.008

引用本文  

张小贞, 卢晓春, 孔垚. 短弧段ETALON卫星的SLR数据解算分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2021, 41(10): 1030-1034.
ZHANG Xiaozhen, LU Xiaochun, KONG Yao. Short-Arc Analysis of SLR observations of ETALON Satellites[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2021, 41(10): 1030-1034.

项目来源

转发式卫星导航试验系统项目(ZFS19001D);陕西省自然科学基础研究计划(2021JQ-656)。

Foundation support

Project of Chinese Area Positioning System, No.ZFS19001D; Project of Basic Research Program of Natural Science in Shaanxi Province, No.2021-JQ-656.

第一作者简介

张小贞,博士生,主要从事卫星激光测距数据处理研究,E-mail: zhangxiaozhen@ntsc.ac.cn

About the first author

ZHANG Xiaozhen, PhD candidate, majors in SLR data processing, E-mail: zhangxiaozhen@ntsc.ac.cn.

文章历史

收稿日期:2021-01-26
短弧段ETALON卫星的SLR数据解算分析
张小贞1,2,3     卢晓春1,2,3     孔垚4     
1. 中国科学院国家授时中心,西安市书院东路3号,710600;
2. 中国科学院大学天文与空间科学学院,北京市玉泉路19号甲,100049;
3. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室,西安市书院东路3号,710600;
4. 西安工程大学电子信息学院,西安市金花南路19号,710048
摘要:提出一种短弧段ETALON卫星的SLR数据处理策略,仅解算卫星轨道、测站距离偏差、地球自转参数,并利用2018-01~10数据进行验证。结果表明,ETALON-1/2卫星定轨残差RMS分别为1.11 cm、1.08 cm;与IERS-C04产品相比,短弧段数据解算的XpYp、LOD参数误差RMS分别为2.21 mas、2.26 mas、218.30 μs/d;与ILRS事后最终轨道相比,ETALON-1卫星RTN方向轨道精度分别为1.6 cm、8.5 cm、6.8 cm,ETALON-2卫星RTN方向轨道精度分别为2.1 cm、8.9 cm、8.7 cm。
关键词卫星激光测距(SLR)短弧段ETALON卫星地球自转参数

ETALON系列卫星轨道高度为19 120 km,因其正球形、高面质比、激光反射器数量大,成为国际激光测距组织(ILRS) 的主要观测对象和数据处理目标[1-4]。但现有涉及ETALON系列卫星的SLR数据处理多集中于对LAGEOS+ETALON卫星进行联合数据解算分析[5-12],而仅包含ETALON系列卫星的数据分析研究均为长弧段数据分析,且观测数据比较陈旧。短弧段数据分析是ILRS利用LAGEOS系列卫星数据解算获取地心坐标、地球自转参数等地球物理参数的数据处理方式。此外,近年来大量ILRS跟踪站增强了对高轨卫星的跟踪观测能力,为提高SLR数据解算产品的精度及ETALON卫星在SLR数据处理中的作用,有必要使用最新观测资料进行ETALON系列卫星的短弧段解算分析。

1 数据情况

本文使用ILRS数据中心EDC提供的ETALON-1/2卫星标准点格式观测数据进行处理,弧段为2018年doy007~300,采样率为300 s。图 1给出了激光跟踪站的分布,可以看出,期间共有32个SLR跟踪站对ETALON-1/2卫星进行观测,北半球26个,主要分布在欧洲及亚洲区域,南半球6个,其中7501号和7503号跟踪站的坐标重合。

图 1 跟踪站分布 Fig. 1 Distribution of SLR tracking stations

图 2~5分别给出了2018年ETALON-1/2卫星的单天测站数量统计和观测数据量统计。从图中可得出,ETALON-1卫星的单天最大测站数量为10个,单天平均测站数量为4个,单天最大观测量为54个,单天平均观测量为19个;ETALON-2卫星的单天最大测站数量为8个,单天平均测站数量为3个,单天最大观测量为47个,单天平均观测量为18个。通过查阅ILRS数据中心报告中关于LAGEOS卫星每天的观测数据情况可知,因轨道高度较高的特性,ETALON-1/2卫星的SLR观测量和测站数量明显低于LAGEOS-1/2卫星。

图 2 2018年ETALON-1卫星单天测站数量 Fig. 2 Numbers of daily SLR stations of ETALON-1 in 2018

图 3 2018年ETALON-1卫星单天观测量 Fig. 3 Numbers of daily SLR observations of ETALON-1 in 2018

图 4 2018年ETALON-2卫星单天测站数量 Fig. 4 Numbers of daily SLR stations of ETALON-2 in 2018

图 5 2018年ETALON-2卫星单天观测量 Fig. 5 Numbers of daily SLR observations of ETALON-2 in 2018
2 数据处理策略

由于ETALON-1/2卫星观测数据量明显小于LAGEOS-1/2卫星,因此ILRS标准周解算策略不适用于ETALON-1/2卫星。对此,本文提出一种适用于ETALON-1/2卫星的短弧段数据处理分析策略。ETALON-1/2数据处理采用修改版的Bernese GNSS Software 5.2[13],数据处理使用简化动力学定轨方法,表 1具体给出了ETALON-1/2卫星参数估计策略。由表 1可知,因数据量较少,在数据处理时对数量较多的测站坐标参数不再进行估计,将其固定为SLRF2014参考框架下的先验值,数据处理时仅估计卫星轨道参数、地球自转参数、测站距离偏差参数,卫星轨道参数具体包括6个轨道根数和5个动力学轨道参数。其中,5个动力学轨道参数是卫星切向常数加速度、2个切向周期项加速度、2个法向周期项加速度;地球自转参数(Earth rotation parameter,ERP)采用分段常数模型进行建模,仅估计每天中午12:00历元的参数值,并对XpYp、LOD分别添加32 mas、32 mas、0.000 01 s约束;对于测站距离偏差(range bias,RB)参数,按照ILRS分析中心的推荐,仅对部分核心站进行估计,测站RB参数先验值为0,参数估计时添加1 m大小的约束。表 23给出了数据处理时测量模型和力学模型的具体设置信息。

表 1 ETALON-1/2卫星参数估计策略 Tab. 1 Parameter estimation strategy for ETALON-1/2 satellites

表 2 ETALON-1/2卫星数据处理测量模型 Tab. 2 Measurement model for data processing of ETALON-1/2

表 3 ETALON-1/2卫星数据处理力学模型 Tab. 3 Force model for data processing of ETALON-1/2

表 2可看出,数据处理弧段长度为7 d,卫星截止高度角为3°,不同高度角观测数据等权处理。ETALON系列卫星的测量误差改正包括对流层延迟改正、潮汐改正(固体潮、海潮、大气潮汐)、广义相对论引力时延迟改正、卫星质心改正、测站距离偏差改正等。对流层延迟采用Mendes and Pavlis模型进行修正[14];潮汐改正根据IERS2010协议采用FES2004模型进行修正;广义相对论引力时延迟根据IERS2010协议进行修正;卫星质心改正使用ILRS最新发布的卫星质心改正信息,不同测站对同一卫星具有不同卫星质心改正信息,具体信息参见文献[15];RB参数根据ILRS数据处理文件,仅对部分测站构建RB未知参数,并进行参数估计。

表 3具体给出了ETALON-1/2卫星在数据处理时考虑的各种摄动力及修正模型,可以看出,ETALON卫星在运行过程中主要受到包括地球重力场摄动、N体摄动、太阳光压、潮汐力摄动、相对论效应等摄动力的影响。其中,地球重力场摄动力采用30阶×30阶的EGM2008模型建模;N体摄动主要包括日、月及其他行星等对卫星的作用力,并采用DE405行星历表进行计算;太阳光压采用DRSW模型进行建模,其中D表示太阳-卫星方向,RSW分别表示卫星轨道径向、切向、法向;对于固体潮汐、海洋潮汐则使用30阶的FES2004模型进行建模[16];相对论效应根据IERS2010协议进行建模。数值积分时卫星运动方程和变分方程均采用12次多项式进行拟合,数值积分步长为120 s[17]

3 结果分析 3.1 残差统计

激光残差RMS是反映SLR数据处理策略的一项重要指标,本文采用7 d弧段数据进行处理,图 6~7代表性地给出了2018年doy007~301期间ETALON-1/2卫星的SLR定轨残差,其中不同颜色代表不同的SLR测站残差。从图中可以看出,2颗卫星激光残差基本分布在-4~4 cm范围内。表 4给出2颗卫星激光残差的统计信息,可以发现,ETALON-1和ETALON-2卫星的激光残差RMS分别为1.11 cm、1.08 cm,残差平均值分别为0.089 cm、0.080 cm。目前SLR观测值精度水平在1 cm左右,激光残差统计信息验证了本文采用的数据处理策略的正确性。

图 6 ETALON-1卫星残差序列 Fig. 6 Time series of range residual for ETALON-1

图 7 ETALON-2卫星残差序列 Fig. 7 Time series of range residual for ETALON-2

表 4 ETALON1/2卫星残差统计信息 Tab. 4 Statistic information for range residual of ETALON-1/2
3.2 ERP参数

为了评估本文解算的ERP参数,将IERS提供的C04序列作为参考。由于本文解算的ERP参数历元为中午12:00,而IERS C04序列参数历元为每日00:00,因此对IERS C04序列进行线性插值,然后与本文解算的ERP参数作差。图 8给出了2018年XpYp、LOD参数的误差序列,从图中看出,XpYp参数误差基本分布在-20~20 mas范围内,LOD参数误差分布在-1 000~1 000 μs/d范围内。表 5给出了XpYp、LOD参数的精度统计,可以发现,与IERS C04相比,Xp参数误差均值为0.19 mas,Yp参数误差均值为-0.67 mas,LOD参数均值为-6.75 μs/d,Xp参数误差RMS为2.21 mas,Yp参数误差RMS为2.26 mas,LOD参数误差RMS为218.30 μs/d。

图 8 XpYp、LOD参数误差时间序列 Fig. 8 Time series of Xp, Yp and LOD

表 5 XpYp、LOD参数误差统计信息 Tab. 5 Statistic information of Xp, Yp and LOD range residual
3.3 卫星轨道参数

将ILRS产品中心发布的综合轨道产品作为参考,对2018年doy007~300期间解算的ETALON-1/2卫星轨道精度进行评估。图 9~10给出了ETALON-1/2卫星轨道径向(R)、切向(T)、法向(N)的轨道误差序列,其中2018年doy056、077、238、280因ETALON-1/2卫星观测数据较少、轨道解算精度低,没有绘制相应天数的轨道误差。表 6(单位cm)给出了相应的轨道误差统计信息,可以看出,ETALON-01卫星R方向轨道误差在-20~20 cm范围,TN方向轨道误差在-50~50 cm范围;ETALON-2卫星R方向轨道误差在-30~30 cm范围,T方向轨道误差在-60~60 cm范围,N方向轨道误差在-100~100 cm范围。统计可得,ETALON-1卫星RTN方向轨道精度分别为1.6 cm、8.5 cm、6.8 cm,ETALON-2卫星RTN方向轨道精度分别为2.1 cm、8.9 cm、8.7 cm,2颗卫星轨道在R方向精度最高,N方向次之,T方向最差。2颗卫星的轨道精度处于同一水平,但ETALON-1卫星轨道精度稍高。

图 9 ETALON-1卫星轨道误差序列 Fig. 9 Orbit error series for ETALON-1 satellite

图 10 ETALON-2卫星轨道误差序列 Fig. 10 Orbit error series for ETALON-2 satellite

表 6 ETALON-1/2卫星轨道误差统计 Tab. 6 Statistic information of orbit error for ETALON-1/2
4 结语

本文利用简化动力学精密定轨方法开展了短弧段ETALON卫星精密大地测量参数解算分析。数据采用7 d弧段长度,仅解算ETALON-1/2卫星轨道、地球自转参数、测站距离偏差参数,利用2018-01~10实测数据对解算策略进行验证分析。结果表明,ETALON-1/2卫星精密定轨残差RMS分别为1.11 cm、1.08 cm;解算的XpYp、LOD参数精度为2.21 mas、2.26 mas、218.30μs/d;ETALON-1卫星RTN方向轨道精度分别为1.6 cm、8.5 cm、6.8 cm,ETALON-2卫星RTN方向轨道精度分别为2.1 cm、8.9 cm、8.7 cm。由于受观测数量限制,利用短弧段ETALON卫星解算的卫星轨道、地球自转参数精度与LAGEOS卫星解算结果存在一定差距,建议ILRS协调全球激光观测站增加对ETALON卫星的跟踪观测。此外,本文解算策略中仅解算了卫星轨道、地球自转参数、测站距离偏差参数,后续可考虑使用更丰富的ETALON卫星观测数据实现对测站坐标、地心坐标、低阶次地球重力场系数等大地测量参数的解算分析。

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Short-Arc Analysis of SLR observations of ETALON Satellites
ZHANG Xiaozhen1,2,3     LU Xiaochun1,2,3     KONG Yao4     
1. National Time Service Center, CAS, 3 East-Shuyuan Road, Xi'an 710600, China;
2. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, A19 Yuquan Road, Beijing 100049, China;
3. Key Laboratory of Precise Positioning and Timing Technology, CAS, 3 East-Shuyuan Road, Xi'an 710600, China;
4. School of Electronics and Information, Xi'an Polytechnic University, 19 South-Jinhua Road, Xi'an 710048, China
Abstract: We propose a new strategy of SLR data short-arc analysis of ETALON satellites in this paper, which also solves satellite orbit parameters, earth rotation parameters and range bias parameters. The new strategy is verified using the data from January to October in 2018. The results show that: the root mean square of residuals for ETALON-1/2 satellites is 1.11cm and 1.08cm respectively; compared with IERS-C04 product, the precision of Xp, Yp and LOD parameters is 2.21 mas, 2.26 mas and 218.30 μs/d respectively; compared with the final orbit of ILRS, the orbit accuracy of ETALON-1 satellite in radial, track and normal direction is 1.6 cm, 8.5 cm and 6.8 cm respectively, while that of ETALON-2 satellite is 2.1 cm, 8.9 cm and 8.7 cm respectively.
Key words: satellite laser ranging; short-arc; ETALON; Earth rotation parameters