微波遙感海洋應(yīng)用(高度計(jì))課件

海面測高--衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)2010年海面測高--衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)2010年衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)衛(wèi)星測高是一門涉及到不同學(xué)科和不同專業(yè)的綜合學(xué)科。它利用衛(wèi)星上安裝的微波雷達(dá)高度計(jì)，實(shí)時(shí)的測量衛(wèi)星到海面的高度、有效波高、和后向散射系數(shù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析，進(jìn)行地球物理學(xué)和海洋動(dòng)力學(xué)的研究。對(duì)于衛(wèi)星高度計(jì)的研究已經(jīng)有三、四十年的歷史。早在1973年，美國就發(fā)射了Skylab，飛船載有微波遙感器S-193，兼有高度計(jì)和散射計(jì)功能，可以觀測海面風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)。1975年美國又在Geos-3衛(wèi)星上裝載了一臺(tái)衛(wèi)星高度計(jì)，Geos-3是高度計(jì)專用衛(wèi)星，用于觀測海洋大地水準(zhǔn)面、海面風(fēng)速及有效波高。衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)衛(wèi)星測高是一門涉及到不同學(xué)科和不同專業(yè)的綜合學(xué)1978年美國發(fā)射了世界上第一顆海洋專用遙感衛(wèi)星Seasat-1，其中衛(wèi)星高度計(jì)是主要載荷之一，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海面風(fēng)速的觀測。美國海軍1985年發(fā)射的測地衛(wèi)星Geosat也是一顆高度計(jì)專業(yè)衛(wèi)星。進(jìn)入90年代以來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高度計(jì)整體性能有很大的提高。1991年7月歐空局發(fā)射了第一顆歐洲遙感衛(wèi)星(ERS-1)，同Seasat-1一樣，微波遙感器是該星的主要載荷，其中雷達(dá)高度計(jì)(RA)有兩種模式：海洋模式和海冰模式，海洋模式可測量海洋風(fēng)速等參數(shù)。1978年美國發(fā)射了世界上第一顆海洋專用遙感衛(wèi)星Seasat

據(jù)1978年Seasat三個(gè)月飛行后已發(fā)表的科學(xué)論文的數(shù)量判斷，星載雷達(dá)高度計(jì)取得的觀測資料吸引了許多海洋科學(xué)家的注意力，高度計(jì)可以測量衛(wèi)星和海面之間的距離，測量誤差在10cm以內(nèi)。測量距離約800km，準(zhǔn)確度為800萬分之一，這不能不說是一項(xiàng)了不起的成就。高度計(jì)帶給海洋學(xué)工作者的機(jī)會(huì)，即實(shí)現(xiàn)了海面絕對(duì)斜率的測量，正是他們百年來夢寐以求的事情。高度計(jì)測量成就的重要意義越來越明顯。還應(yīng)該補(bǔ)充一點(diǎn)，高度計(jì)還具有準(zhǔn)確地測量有效波高，同時(shí)估算海面風(fēng)速的能力。我們有充分的依據(jù)可以解釋為什么主要的航天大國的空間部門都在規(guī)劃后續(xù)的衛(wèi)星高度計(jì)（ERS-1/2，T/P，GFO，JASON，ENVISAT）。

海洋的尺度如一張紙據(jù)1978年Seasat三個(gè)月飛行后已發(fā)表的科學(xué)論文Jason-1Satellite海面高度SSH（SeaSurfaceHeight）有效波高SWH(SignificantWaveHeight)

風(fēng)速(WindSpeed)Jason-1Satellite海面高度SSH高度計(jì)測量原理圖高度計(jì)測量原理圖雷達(dá)高度計(jì)觀測示意圖雷達(dá)高度計(jì)觀測示意圖雷達(dá)高度計(jì)脈沖前沿首先到達(dá)衛(wèi)星星下點(diǎn)的海洋，然后，以脈沖圓形波向外移動(dòng)。實(shí)際效果：圓點(diǎn)-圓形-環(huán)形足印大?。浩届o海面:ra=(2hctp)1/2

，粗糙海面:其中:雷達(dá)高度計(jì)觀測足印雷達(dá)高度計(jì)脈沖前沿首先到達(dá)衛(wèi)星星下點(diǎn)的海洋，然后，以脈沖圓形脈沖時(shí)間τ與平滑海面的相互作用。圖的下方表示受照區(qū)的輪狀形，右邊表示回波信號(hào)的強(qiáng)度。脈沖時(shí)間τ與平滑海面的相互作用。圖的下方表示受照區(qū)的輪狀形，回波波形的產(chǎn)生(PulseLimited)回波波形的產(chǎn)生(PulseLimited)海面參數(shù)的反演理論上的回波波形及相應(yīng)的反演參數(shù)海面參數(shù)的反演理論上的回波波形及相應(yīng)的反演參數(shù)1有效波高（SWH）的測量SWH的定義1有效波高（SWH）的測量SWH的定義1有效波高（SWH）的測量1有效波高（SWH）的測量2海面高度（SSH）的校正2海面高度（SSH）的校正2海面高度(SSH)的測量RangeCorrectedRange=Range+WetTroposphereCorrection+DryTroposphereCorrection+IonosphereCorrection+SeaStateBiasSeaSurfaceHeight=Altitude-CorrectedRangeSeaSurfaceHeightAnomaly=SeaSurfaceHeight-MeanSeaSurface-TideEffects-InverseBarometer-HighFrequencyWindResponse2海面高度(SSH)的測量Range海況的影響(SWH)是高度計(jì)距離測量中最大的誤差來源（5cm）。都是海面的非高斯分布造成的。Electromagnetic(EM)bias(2%-5%ofSWH)Skewnessbias(10%-20%ofSWH)MeanSealevelMeanScatteringSurfaceMedianScatteringSurface海況的影響(SWH)是高度計(jì)距離測量中最大的誤差來源（5cm海面粗糙度誤差

海面隨波浪而起伏，這一事實(shí)已經(jīng)根據(jù)對(duì)擴(kuò)展回波脈沖鋒的效應(yīng)，同時(shí)也根據(jù)對(duì)擴(kuò)大地面有效覆蓋區(qū)的效應(yīng)進(jìn)行了描述。海面越粗糙，跟蹤脈沖前沿斜率的邏輯算法的準(zhǔn)確運(yùn)算就越難，況且跟蹤器還產(chǎn)生一定偏差。此外，大洋波并非是正弦波形，波谷趨于平緩，波峰趨于陡峭，致使波谷的雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)于波峰的回波，產(chǎn)生一個(gè)突出波谷的電磁波偏差，而且使衛(wèi)星與平均海平面之間距離估算偏高。海面粗糙度的整個(gè)效應(yīng)稱之為海況偏差，據(jù)估計(jì)，Seasat海況偏差為有效波高的7%，應(yīng)從衛(wèi)星至海面的距離中減去這一偏差（Bornetal.1982）。電磁波偏差大約為有效波高1.5%---2%,對(duì)于工作頻率為13.5GHz的所有高度計(jì)，都是普遍存在的；而跟蹤器誤差，具體對(duì)于Seasat來說，大約是5%至5.5%。即使偏差訂正達(dá)到7%觀測資料中仍有為有效波高的3%的離散度，這已根據(jù)不同波浪條件下同一海區(qū)的重復(fù)軌道進(jìn)行過檢驗(yàn)。海面粗糙度誤差海面隨波浪而起伏，這一事實(shí)已經(jīng)根據(jù)對(duì)擴(kuò)展回波EMbias的校正EMbias是因?yàn)楹Ｃ娴姆歉咚狗植?，波谷比波峰有更大的曲率半徑，因此散射更?qiáng)，造成測量得到的海平面趨向于波谷。理論的方法：經(jīng)驗(yàn)的方法：EMbias的校正EMbias是因?yàn)楹Ｃ娴姆歉咚狗植迹⊿kewnessbias的校正SkewnessBias是平均散射面和中值散射面之間的高度差。直接影響到回波波形上升沿的形狀。可以通過波形重構(gòu)去除。Skewnessbias的校正SkewnessBias大氣傳輸?shù)挠喺?/p>

假設(shè)雷達(dá)信號(hào)以光速傳播，根據(jù)測量的脈沖傳輸時(shí)間t可計(jì)算高度。然而，脈沖傳播速度通過大氣層和對(duì)流層時(shí)降低，造成距離（即高度）過高估算。如果令C為光在真空中的傳播速度，Cm為脈沖在介質(zhì)中傳播的速度，那么，過高估算的距離為即:大氣傳輸?shù)挠喺僭O(shè)雷達(dá)信號(hào)以光速傳播，根據(jù)測量的脈沖傳輸時(shí)干燥大氣的訂正值Δhd,潮濕大氣的訂正值式中，T為海面氣溫，單位為K，為海面部分水汽壓，單位為pa。假設(shè)了水汽的垂直分布，但是這種分布也可以根據(jù)地面觀測的氣象要素進(jìn)行計(jì)算。干燥大氣的訂正值Δhd,潮濕大氣的訂正值式中，T為海面氣另一種方法是利用衛(wèi)星被動(dòng)式微波探測器，測量22.3GHz頻率水汽發(fā)射的輻射，從而測量大氣柱可降水的總量。為此目的，Seasat采用了SMMR，取得了比利用內(nèi)插氣象資料，應(yīng)用(10.5)式進(jìn)行計(jì)算所取得的更為滿意的訂正結(jié)果。Tapley等人（1982b）給出了一個(gè)直接利用SMMR亮度濕度的表達(dá)式，而且還給出：另一種方法是利用衛(wèi)星被動(dòng)式微波探測器，測量22.3GHz頻率Sigma0windspeedSB(SmoothedBrown1981)-SEASATGEOS-3altimetermeasurementsof&184coincidentbuoyobservations.MCW(ModifiedCheltonandWentz)-T/P,ERS

CheltonandMcCabe1985

CheltonandWentz1986

WitterandChelton1991Seasataltimeter&Seasat-ASatelliteScatterometer241，000data.FC(FreilichandChallenor1993)

usewindspeedestimatedbynumericalweatherpredictionNWPmodelsE98(Elfouhaily1998)

Sigma0windspeedSB(Smoothe波形重構(gòu)--為什么要進(jìn)行波形重構(gòu)？

高度計(jì)設(shè)計(jì)用于海洋表面的觀測，海面參數(shù)是通過模型擬合得到最優(yōu)的參數(shù)，如距離、有效波高和雷達(dá)后向散射截面。當(dāng)波形與預(yù)期的形狀不同時(shí)，這個(gè)模型就不適用了。這會(huì)發(fā)生在極端的海況（高或者低）和非海洋的表面上。為了更有效的使用這些數(shù)據(jù)，以及或者最準(zhǔn)確的海面參數(shù)，需要進(jìn)行波形重構(gòu)。Oceansurfacewaveformretracking－－為了獲得精度更高的產(chǎn)品Non-oceansurfacewaveformretracking－－為了獲得非海洋表面對(duì)應(yīng)的參數(shù)波形重構(gòu)--為什么要進(jìn)行波形重構(gòu)？

高度計(jì)設(shè)計(jì)用于海洋表面的回波模型雷達(dá)高度計(jì)接受海面回波平均能量可以表示成三個(gè)量的的卷積形式（Barrick,1972，Brown,1977;Hayne,1980;Rodriguez,1988）平均的回波能量

平面的雷達(dá)脈沖相應(yīng)（averageflatseasurfaceresponse）

海面散射面分布的概率密度函數(shù)(surfaceelevationprobabilitydensityofsactteringelements)

雷達(dá)點(diǎn)脈沖相應(yīng)(radarpointtargetresponse)

其中回波模型雷達(dá)高度計(jì)接受海面回波平均能量可以表示成三個(gè)量的的卷1海面的雷達(dá)脈沖響應(yīng)其中1海面的雷達(dá)脈沖響應(yīng)其中2海面散射面的概率密度函數(shù)其中2海面散射面的概率密度函數(shù)其中3雷達(dá)點(diǎn)脈沖相應(yīng)其中其中3雷達(dá)點(diǎn)脈沖相應(yīng)其中其中擬合方法回波波形上升沿?cái)M合:Range,SWH,Sigma0全波形擬合:Range,SWH,Sigma0,Off-nadirAngleJason-1海面波形重構(gòu)處理流程圖Scaled噪聲估計(jì)，并去除噪聲實(shí)測海面回波波形初始化參數(shù)ａ(0)帶入模型，得到仿真波形得到關(guān)于參數(shù)導(dǎo)數(shù)的解析表達(dá)式即需要擬合的關(guān)系式SVD仿真波形和實(shí)測波形的差值用于誤差分析AX=ba(0)擬合得到參數(shù)X確定PTR的高斯型，得到回波模型實(shí)測PTR波形擬合方法回波波形上升沿?cái)M合:Range,SWH,Sigma0在不同表面上的回波波形

SurfaceGeophysicalQuantity

OceanSeaLevelTopographyMeanSeaLevelWavesWindSpeedNon-oceanSurfaceIceSeaIceSurfaceElevationTopographyContinentialIceSheetLandTopographySurfaceElevationInland-waterSurfaceElevation在不同表面上的回波波形SurfaceGeophysicNon-oceansurface的波形重構(gòu)基于模型的算法NASA算法S/V算法ICE-2算法不基于模型的算法OCOG算法閾值算法Non-oceansurface的波形重構(gòu)基于模型的算法NASA算法NASAGoddardSpaceFlightCenter的Martin(1983)第一次提出了對(duì)陸地冰層回波進(jìn)行波形重構(gòu)算法，也被稱作NASA算法。這個(gè)算法及其以后四個(gè)改進(jìn)版本(Zwally,1996)先后用于Seasat、Geosat、ERS-1、T/P、ERS-2和Jason-1的波形重構(gòu)。NASA算法NASAGoddardSpaceFlighOCOG（OffsetCentreofGravity）算法OCOG（OffsetCentreofGravity）OCOG算法閾值的選取25％，50％，75％50％的閾值用來生成產(chǎn)品，但是用戶可以重新選擇閾值進(jìn)行重新計(jì)算。Bamber（1994）指出25％的閾值產(chǎn)生的距離偏移更小，并且不受斑點(diǎn)噪聲的影響。OCOG算法閾值的選取25％，50％，75％OCOG算法的優(yōu)缺點(diǎn)ESA算法在計(jì)算時(shí)間上要優(yōu)于NASA算法。但是由于ESA算法不是基于模型得的，波形重構(gòu)點(diǎn)容易受冰層表面特性的影響。并且閾值的選取帶有一定的隨意性。OCOG算法的優(yōu)缺點(diǎn)確立基準(zhǔn)

精密定軌技術(shù)確立基準(zhǔn)精密定軌技術(shù)我國HY-2衛(wèi)星精密定軌方案林明森國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心2005年11月我國HY-2衛(wèi)星精密定軌方案林明森國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心海洋高度計(jì)衛(wèi)星對(duì)徑向定軌精度提出了厘米級(jí)的精度要求

海平面高度＝衛(wèi)星高度－高度計(jì)測量長期海平面高度的變化、海潮模型、洋流氣候、自然災(zāi)害、“厄爾尼諾”、海嘯、溫室效應(yīng)1、海面測高對(duì)HY-2衛(wèi)星精密定軌的要求海洋高度計(jì)衛(wèi)星對(duì)徑向定軌精度提出了厘米級(jí)的精度要求長期海平面1、海面測高對(duì)HY-2衛(wèi)星精密定軌的要求海面地形大洋環(huán)流模式回波波形估計(jì)海面的有效波高建立海潮模型確定海底地形獲取全球海區(qū)重力異常建立全球重力場模型監(jiān)測海平面變化，如厄爾尼諾，拉尼那精密軌道確定，是以下若干研究的基礎(chǔ):1、海面測高對(duì)HY-2衛(wèi)星精密定軌的要求海面地形大洋環(huán)流模通過以上測高誤差的初步分析和分配，通過交叉點(diǎn)平差可以極大的降低衛(wèi)星軌道徑向誤差、海面時(shí)變殘差所引起的誤差以及部分系統(tǒng)誤差等對(duì)測高數(shù)據(jù)的影響。通過交叉點(diǎn)平差能使測距精度提高2～3倍。由此可知，測高總誤差可由原來的12~14cm降低到4～7cm，滿足小于10cm的需求。表1?4HY-2衛(wèi)星高度計(jì)測量誤差分配表衛(wèi)星校正后誤差（cm）儀器噪聲4~6EM偏差Skewness偏差干對(duì)流層濕對(duì)流層電離層2111~23軌道誤差10總方根誤差12~141、海面測高對(duì)HY-2衛(wèi)星精密定軌的要求通過以上測高誤差的初步分析和分配，通過交叉點(diǎn)平差可以極大的降2、國外衛(wèi)星測高衛(wèi)星的定軌途徑及定軌精度2、國外衛(wèi)星測高衛(wèi)星的定軌途徑及定軌精度圖2?2徑向軌道誤差發(fā)展?fàn)顩r2、國外衛(wèi)星測高衛(wèi)星的定軌途徑及定軌精度圖2?2徑向軌道誤差發(fā)展?fàn)顩r2、國外衛(wèi)星測高衛(wèi)星的定軌途

從表中可以看到，在早期定軌技術(shù)中采用的是TRANET/OPNET和SLR跟蹤技術(shù)，由于早期SLR測距技術(shù)還比較低，TRANET/OPNET測速精度不高，還有動(dòng)力模型誤差較大，使得定軌精度沒有達(dá)到比較理想的水平；隨著T/P的發(fā)射，定軌精度達(dá)到了驚人的水平，這里除了在模型和計(jì)算方法上有所提高之外，跟蹤技術(shù)的提高也起到了舉足輕重的作用，對(duì)于T/P軌道精度起主要作用的是GPS，DORIS和SLR跟蹤手段。2、國外衛(wèi)星測高衛(wèi)星的定軌途徑及定軌精度從表中可以看到，在早期定軌技術(shù)中采用的是TR3、各種精密定軌跟蹤系統(tǒng)的綜合分析表3?1目前高度計(jì)衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)和近似跟蹤精度跟蹤技術(shù)觀測量測量精度發(fā)射衛(wèi)星SLR斜矩0.5-5cmGeosat除外的所有衛(wèi)星DORIS斜矩變化率0.5mm/sT/P,Jason-1，EnvisatPRARE斜矩，斜矩變化率2.5cm，0.25mm/sERS-2GPS相位0.2-0.5cmT/P，Jason-1，EnvisatTRANET/OPNET斜矩變化率2-10mm/sSeasat，GeosatTDRSS斜矩變化率0.3mm/sT/P高度計(jì)高度交叉點(diǎn)5cm所有衛(wèi)星3、各種精密定軌跟蹤系統(tǒng)的綜合分析表3?1目前高度計(jì)衛(wèi)星跟圖

3?4在跟蹤T/P、ERS-1和ERS-2衛(wèi)星期間全球SLR跟蹤站地理分布圖

3、各種精密定軌跟蹤系統(tǒng)的綜合分析圖3?4在跟蹤T/P、ERS-1和ERS-2衛(wèi)星期間全球S2000年DORIS跟蹤網(wǎng)（法宇航中心提供）3、各種精密定軌跟蹤系統(tǒng)的綜合分析2000年DORIS跟蹤網(wǎng)（法宇航中心提供）3、各種精密定軌圖3-4.25個(gè)IGS測站分布網(wǎng)圖

3、各種精密定軌跟蹤系統(tǒng)的綜合分析圖3-4.25個(gè)IGS測站分布網(wǎng)圖3、各種精密定軌跟蹤系3、各種精密定軌跟蹤系統(tǒng)的綜合分析在以上多種定軌技術(shù)中，可以利用GPS（相位）、SLR和DORIS數(shù)據(jù)用來確定軌道。激光數(shù)據(jù)雖然精度高，但是限制于非多云天氣和測距器的可行性，并且全球網(wǎng)絡(luò)較少，目前把激光數(shù)據(jù)主要用于驗(yàn)證。由于GPS（相位）和DORIS系統(tǒng)能夠獲得所有天氣的覆蓋范圍，提供了定軌中必備的時(shí)間和地理覆蓋范圍，補(bǔ)充了激光跟蹤的空間和時(shí)間分布的絕對(duì)精度。GPS與SLR聯(lián)合、DORIS與SLR聯(lián)合跟蹤技術(shù)提供了接近連續(xù)的地面和時(shí)間高精度跟蹤數(shù)據(jù)，是最近幾年來所有高度計(jì)衛(wèi)星的所有選擇。3、各種精密定軌跟蹤系統(tǒng)的綜合分析在以上多種定軌技術(shù)中，可以3、各種精密定軌跟蹤系統(tǒng)的綜合分析國內(nèi)天文系統(tǒng)參加了國際激光測軌組織，并且國內(nèi)上海、北京、長春、南京和武漢等有激光測距站，測距精度最高可達(dá)3厘米，計(jì)劃在昆明、拉薩、成都等地建立激光測距站，組成國內(nèi)激光測距網(wǎng)，而且上海天文臺(tái)作為我國的對(duì)外出口加入了全球激光測距跟蹤網(wǎng)，參與國際激光定軌工作?？茖W(xué)院空間中心為配合神州飛船的高度計(jì)的測高試驗(yàn)開展了利用GPS進(jìn)行2米精度的定軌研究和試驗(yàn)工作，已經(jīng)在神舟四號(hào)飛船上進(jìn)行試驗(yàn)。3、各種精密定軌跟蹤系統(tǒng)的綜合分析國內(nèi)天文系統(tǒng)參加了國際激光4、各種定軌算法的綜合比較幾何法定軌運(yùn)動(dòng)學(xué)方法動(dòng)力法簡化的動(dòng)力學(xué)方法4、各種定軌算法的綜合比較幾何法定軌

幾何法定軌僅僅利用地面跟蹤系統(tǒng)獲得的跟蹤數(shù)據(jù)根據(jù)基本的幾何關(guān)系獲得衛(wèi)星的軌道。對(duì)低軌衛(wèi)星而言，地球引力攝動(dòng)仍然起主要作用；除此之外，還有大氣阻力，太陽光壓的影響對(duì)低軌衛(wèi)星的影響也很大，如果建立的模型不客觀，將給精密定軌帶來很大的困難。因此，純粹的幾何法定軌是有它的積極意義的。根據(jù)幾何法定軌的原理我們知道它所確定的軌道是一組離散的衛(wèi)星狀態(tài)，如果要想獲得連續(xù)的軌道就必須采用合適的內(nèi)插算法；由于幾何法定軌沒有利用衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)信息，當(dāng)我們需要對(duì)軌道進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)可以想象，其外推精度是很差的。在現(xiàn)在的高精度定軌中，基本不采用這種方法了。4、各種定軌算法的綜合比較幾何法定軌僅僅利用地面跟蹤系統(tǒng)獲得的跟蹤數(shù)

在運(yùn)動(dòng)學(xué)法中，去除了估計(jì)過程中由動(dòng)力約束引起的軌道平滑。連同衛(wèi)星狀態(tài)和表示每次測量歷元的三個(gè)力修正的過程噪聲矢量，在Kalman濾波估計(jì)理論中可以應(yīng)用這種方法，通過提高過程噪聲幾乎完全能夠削減動(dòng)力模型效應(yīng)。對(duì)于～700km高度EOS衛(wèi)星，給定將近一天弧段數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果徑向精度可達(dá)3cm（Yunck，1996）。

因此運(yùn)動(dòng)法確定軌道實(shí)際上是根據(jù)潛在的動(dòng)力方程，避開了動(dòng)力模型誤差。這種方法幾乎完全依賴于觀測數(shù)據(jù)的精度和觀測量幾何強(qiáng)度——也就是低軌衛(wèi)星和地面獲得跟蹤數(shù)據(jù)。直到最近，由于星載接收機(jī)的限制和地面接收機(jī)的缺乏使得這些測量要求遇到嚴(yán)重的問題。4、各種定軌算法的綜合比較在運(yùn)動(dòng)學(xué)法中，去除了估計(jì)過程中由動(dòng)力約束引起動(dòng)力學(xué)精密定軌方法利用一個(gè)迭代的最小二乘擬合過程，該過程通過平差將所選的模型參數(shù)和模型預(yù)測的衛(wèi)星位置與速度擬合到軌道弧段的跟蹤數(shù)據(jù)上。這種最小二乘平差方法可以獲得新的初始衛(wèi)星狀態(tài)向量，改正平差前初始狀態(tài)向量和力模型帶來的大部分誤差。對(duì)在軌衛(wèi)星而言，大氣阻力和輻射壓都是通過相對(duì)簡單的公式，采取引入?yún)?shù)的方法來進(jìn)行近似，采用較簡單公式同時(shí)還可以在定軌過程中對(duì)每個(gè)弧段都可以對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行平差。由于阻力系數(shù)和反射系數(shù)存在很大的不確定性，而且衛(wèi)星高度處的大氣密度和衛(wèi)星的橫截面面積并不是知道得很清楚，因此，對(duì)這些力作更復(fù)雜的精確建模十分困難。也正為如此，在定軌中，由大氣阻力和輻射壓力模型不確定性誤差引起的軌道誤差依賴于跟蹤數(shù)據(jù)的密度、觀測質(zhì)量以及這些耦合系數(shù)的更新頻率。4、各種定軌算法的綜合比較動(dòng)力學(xué)精密定軌方法利用一個(gè)迭代的最小二乘擬合過程，該過程通過

簡化動(dòng)力學(xué)定軌與動(dòng)力學(xué)定軌相比，并不是力模型的簡化，而是定軌過程中動(dòng)力學(xué)特性的縮減。將沒有建?；蚰Ｐ筒粶?zhǔn)確的加速度當(dāng)作為平穩(wěn)的隨機(jī)過程，以此來解釋觀測的衛(wèi)星軌道與預(yù)計(jì)的衛(wèi)星軌道之間的偏離

差別如下(ENVISAT為例)：動(dòng)力學(xué)：每天一組經(jīng)驗(yàn)力參數(shù)(互不相關(guān))簡化動(dòng)力學(xué)：每小時(shí)一組經(jīng)驗(yàn)力參數(shù)＋相關(guān)性＋

Gauss-Markov4、各種定軌算法的綜合比較簡化動(dòng)力學(xué)定軌與動(dòng)力學(xué)定軌相比，并不是力模型的簡化，而5、世界上主要的定軌軟件及定軌精度

美國NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室GIPSY－OASIS軟件美國薩斯大學(xué)空間研究中心開發(fā)的UTOPIA軟件

NASA戈達(dá)德空間飛行中心開發(fā)的GEODYN軟件德國波茨坦地學(xué)研究中心開發(fā)的EPOS軟件。5、世界上主要的定軌軟件及定軌精度美國NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)5、世界上主要的定軌軟件及定軌精度總裝第二十六基地研制的“西安衛(wèi)星測控中心并行高精度軌道計(jì)算系統(tǒng)（PASAX）”的精密定軌的軟件。定軌結(jié)果已經(jīng)得到了5cm的結(jié)果。武漢大學(xué)在GFZ的EPOS軟件的基礎(chǔ)上，在原有自主開發(fā)的PANDA軟件上增加了雙頻GPS觀測資料進(jìn)行精密定軌的能力，可以實(shí)現(xiàn)cm級(jí)的能力。上海天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)和武漢測地所也都有自己的精密定軌處理軟件，這些都是HY-2衛(wèi)星的技術(shù)支撐。國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心經(jīng)過3年來的預(yù)研利用UTOPY軟件開發(fā)了SOASO軟件，已經(jīng)具備了利用DORIS結(jié)合激光的精密定軌能力，定軌能力達(dá)到cm量級(jí)以內(nèi)。5、世界上主要的定軌軟件及定軌精度總裝第二十六基地研制的“西6、精密定軌的主要流程HY-2衛(wèi)星精密定軌方法結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

動(dòng)力學(xué)方法定軌非動(dòng)力學(xué)定軌綜合精密定軌數(shù)據(jù)融合簡化力學(xué)模型數(shù)據(jù)處理方法數(shù)據(jù)預(yù)處理誤差源分析觀測數(shù)據(jù)數(shù)值積分方法觀測數(shù)據(jù)處理攝動(dòng)分析姿態(tài)形態(tài)分析統(tǒng)計(jì)分析同類衛(wèi)星比較質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、方法定軌結(jié)果分析6、精密定軌的主要流程HY-2衛(wèi)星精密定軌方法結(jié)構(gòu)關(guān)系圖動(dòng)真實(shí)軌道計(jì)算軌道觀測值（O）計(jì)算值（C）地面跟蹤站星衛(wèi)星軌道估值方法6、精密定軌的主要流程真實(shí)軌道計(jì)算軌道觀測值（O）計(jì)算值（C）地面跟蹤站星衛(wèi)星軌道7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇針對(duì)HY-2衛(wèi)星的測高要求、國內(nèi)外的技術(shù)狀態(tài)和精密定軌的流程等結(jié)合工程的可實(shí)現(xiàn)性綜合考慮，HY-2的精密定軌方案是：

針對(duì)GPS、SLR和DORIS跟蹤技術(shù)的精度及覆蓋密集程度，HY-2衛(wèi)星精密定軌擬采用兩種定軌方案，一是利用GPS和SLR精密定軌技術(shù)綜合定軌，以GPS技術(shù)為主要定軌技術(shù)，以SLR作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；另一個(gè)是利用DORIS和SLR定軌技術(shù)綜合定軌，以DORIS技術(shù)為主要定軌技術(shù)，SLR技術(shù)為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。利用DORIS和SLR跟蹤手段精密定軌，同時(shí)采用動(dòng)力學(xué)和簡化動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行精密定軌；利用GPS跟蹤手段采用簡化動(dòng)力法進(jìn)行定軌。測高要求國外定軌途徑定軌方法比較定軌軟件比較7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇針對(duì)HY-2衛(wèi)星的測高要求、國內(nèi)外GPS定軌方案：（1）載波相位觀測值的差分方案載波相位差分技術(shù)是建立在處理兩個(gè)測點(diǎn)的載波相位基礎(chǔ)上，用戶接收到GPS衛(wèi)星載波相位與來自參考站的載波相位組成相位差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，獲取定位數(shù)據(jù)。載波相位觀測值的精度高至毫米，要達(dá)到精密的定位也只能采用相位觀測值。

差分GPS精密定軌系統(tǒng)組成為：星載雙頻載波相位GPS接收機(jī)及軟件、GPS跟蹤地面站網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理（軟件系統(tǒng)）7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇GPS定軌方案：7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇GPS定軌方案：（2）載波相位觀測值的非差分方案利用非差觀測值對(duì)LEO衛(wèi)星定軌的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)利用率高，可實(shí)現(xiàn)全弧段跟蹤。另一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是不必需要地面設(shè)置基準(zhǔn)站，保留了所有觀測信息；能直接確定軌道坐標(biāo)；不同地面測站的觀測值不相關(guān)，測站與測站之間無距離限制等優(yōu)點(diǎn)。因此，GPS非差定軌方法作為HY-2衛(wèi)星精密定軌的主要方法。非差分GPS精密定軌系統(tǒng)組成為：星載雙頻載波相位GPS接收機(jī)及軟件、數(shù)據(jù)處理（軟件系統(tǒng)）7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇GPS定軌方案：7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇GPS定軌方案：（3）GPS接收機(jī)方案在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，定位精度將大大提高，載波相位觀測值的精度可以達(dá)到毫米，而且雙頻接收機(jī)又可以根據(jù)兩個(gè)頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻載波相位接收機(jī)。7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇GPS定軌方案：7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇GPS定軌方案：（4）數(shù)據(jù)處理依據(jù)GPS觀測模型、誤差處理技術(shù)和算法等觀測數(shù)據(jù)處理方法和軟件，進(jìn)行GPS觀測數(shù)據(jù)的處理，給出精密軌道數(shù)據(jù)。雖然非差定軌與雙差定軌相比，GPS觀測值模型更復(fù)雜，而且必須利用模型估計(jì)的方法消除誤差的影響。另外估計(jì)的參數(shù)也遠(yuǎn)比雙差模型的多，并且受誤差殘差的影響，整周模糊度的確定問題也更加復(fù)雜。但保守力、非保守力、誤差源等還是基本相同的。7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇GPS定軌方案：7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇SLR精密定軌系統(tǒng)方案：（1）星載反射鏡陣列星載反射鏡陣列是由裝在星上鏡片組成，在技術(shù)上不存在任何難度。上海天文臺(tái)、武漢大學(xué)都已經(jīng)具備了基礎(chǔ)。7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇SLR精密定軌系統(tǒng)方案：7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇SLR精密定軌系統(tǒng)方案：（2）地面跟蹤站地面跟蹤站由激光跟蹤儀器組成，用預(yù)測量衛(wèi)星的高度。激光跟蹤儀器和衛(wèi)星地面站國內(nèi)的技術(shù)已經(jīng)很成熟，而且有多家天文臺(tái)有現(xiàn)成的設(shè)備，可供HY-2衛(wèi)星精密定軌使用。國際激光網(wǎng)地面站的合作途徑是暢通的，只要能夠及時(shí)給激光網(wǎng)提供HY-2衛(wèi)星過境時(shí)間，針對(duì)HY-2衛(wèi)星是一顆民用衛(wèi)星，可以提供衛(wèi)星過站的預(yù)報(bào)時(shí)間。7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇SLR精密定軌系統(tǒng)方案：7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇SLR精密定軌系統(tǒng)方案（續(xù)）：（3）數(shù)據(jù)處理對(duì)SLR觀測值還應(yīng)考慮地面站地殼形變引起的位移，地殼形變包括潮汐和板塊運(yùn)動(dòng)影響，其采用的模型與GPS所用的一致，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？梢詮娜蚣す饩W(wǎng)的IGS及時(shí)得到地面的激光站跟蹤數(shù)據(jù)和GPS衛(wèi)星精密星歷。7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇SLR精密定軌系統(tǒng)方案（續(xù)）：7、HY-2衛(wèi)星的方案選擇DORIS精密定軌系統(tǒng)方案（續(xù)）：（1）DORIS設(shè)備方案星上DORIS設(shè)備包括接收機(jī)（冷備份）、超穩(wěn)振蕩器（冷備份）、開關(guān)和全向天線。