低轨(LEO)卫星，一般指运行在距离地面100 km-2000 km高度轨道上的人造地球卫星。得益于较低的轨道高度和较快的飞行速度，LEO卫星被广泛应用于地球重力场恢复、海洋测高、遥感观测等科学领域。
2021年5月19日，中国新一代海洋动力环境卫星HY-2D卫星发射成功，星上搭载的雷达高度计、微波散射计等载荷可获取海风、海温等海洋动力环境信息，因此需要非常精确的卫星轨道以满足业务需求。为此，HY-2D卫星星上搭载了BDS-3/GNSS接收机、DORIS接收机以及SLR激光反射棱镜等载荷用于精密定轨及精度验证。本论文对HY-2D卫星星载BDS-3新频点观测数据的数据质量进行了详细的分析，分别从内符合检验和外符合检验两方面对定轨精度进行评估。论文同时比较了法国空间中心(CNES)发布的基于全球DORIS数据解算的HY-2D卫星精密轨道产品。结果表明，基于BDS-3新频点的精密定轨结果与利用DORIS解算的结果外符合精度3D方向达到5cm。
论文近期以“Precise orbit determination for the Haiyang-2D satellite using new onboard BDS-3 B1C/B2a signal measurements”为题，发表在SCI期刊《GPS Solutions》。整个工作由团队博士生慕仁海在其导师李敏教授的精心指导下完成。该项研究受到了多项国家自然科学基金（42074032, 41931075, 42030109以及42004020）资助。
论文主要内容
中国新一代海洋动力环境卫星HY-2D卫星搭载的GNSS接收机可以跟踪到BDS-3的B1C和B2a新频点观测数据，这使得利用BDS-3新频点进行精密定轨成为可能。鉴于此，我们收集了2021年7月为期一周的星载BDS-3新频点数据，首先从数据可用率和伪距多径误差两方面对星载BDS-3新频点数据的观测质量进行分析，然后基于B1C和B2a新频点观测数据开展HY-2D卫星精密定轨研究，并通过内符合检验和外符合检验两种方式对轨道精度进行评估。图1为HY-2D卫星飞行状态图，图中详细标出了HY-2D卫星星上与精密定轨相关的各种载荷。
图1 HY-2D卫星飞行状态图
HY-2D卫星观测数量全球分布图和统计图分别见图2和图3。可以明显看出，HY-2D卫星星载GNSS接收机在93%的时间以上可以观测4颗以上的BDS-3卫星。得益于BDS-3中的IGSO卫星星座和GEO卫星星座，使得HY-2D卫星可以在中国及周边地区接收到的BDS-3卫星较多。图4为BDS-3各卫星各频点多路径误差统计图，与BDS-3的B1C频点相比，B2a频点多路径误差和观测值噪声更小。
图2 HY-2D卫星观测到BDS-3卫星数量天空图
图3 单天内观测到的BDS-3卫星数量百分比
图4 BDS-3各卫星各频点多路径误差统计图
卫星在轨环境和质心变化可能导致星载接收机天线相位中心PCV发生变化，将引起系统误差。我们采用残差法对PCV模型进行改正，从图5可以看出PCV改正后定轨残差提高至7.5 mm左右，每天的载波相位残差精度均有13%以上的提升。我们也利用卫星激光测距(SLR)检核的方式对PCV改正前后的定轨结果进行评估，具体结果见图6。通过PCV改正，SLR检核精度从2.89 cm提升至2.26 cm，改正效果较好。
图5 PCV改正前后相位残差统计图
图6 PCV改正前后SLR检核精度统计图
在最终的定轨精度评估方面，除了上述的SLR检核外，我们还利用了法国空间中心（CNES）发布的HY-2D精密轨道产品进行外符合精度检验，该产品是由CNES利用HY-2D星载DORIS观测数据解算得到。图7为一周内的轨道差异时间序列图，统计看出两种轨道在切向、法向和径向的差异的平均值分别为1.3 cm、-0.3 cm以及-0.6 cm，三方向差异的STD值分别为3.6 cm、3.5 cm以及1.6 cm, 3D方向的STD值为5.2 cm。这些结果表明，基于BDS-3新频点的精密定轨结果与利用DORIS解算的结果外符合精度达到5cm。
图7 轨道差异时间序列图
结论
通过上述研究和分析可以看出，HY-2D卫星在基于星载BDS-3新频点观测数据进行精密定轨时，轨道径向精度达到2.0 cm，三维精度达到5cm，稍低于基于GPS星载观测数据的定轨精度，但随着BDS-3卫星精密产品（轨道、钟差、相位硬件延迟参数）等产品精度的不断提升，低轨卫星基于BDS-3观测数据的定轨精度将得到进一步提高。此外，利用BDS-3新频点观测数据进行精密定轨时模糊度固定也将会提高低轨卫星的定轨精度。
论文信息：
Li, M., Mu, R., Jiang, K. et al. Precise orbit determination for the Haiyang-2D satellite using new onboard BDS-3 B1C/B2a signal measurements. GPS Solut 26, 137 (2022). https://doi.org/10.1007/s10291-022-01322-3
