中国团队重大突破！宏图一号车轮构型的多星整网定轨与基线确定方案

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　　随着分布式干涉合成孔径雷达（InSAR）技术从双星模式迈向多星协同，中国自主研发的“宏图一号”（HT-01）卫星星座率先采用四星“车轮构型”，成为全球首个多基线干涉SAR系统，标志着我国在空间对地观测领域取得重大突破！针对国际上首个多星InSAR编队任务中精密定轨（POD）与基线确定（PBD）带来的核心挑战，航天宏图与中山大学研究团队提出创新解决方案，实现了利用模糊度固定约束下的多星协同整网定轨与基线确定。成果发表于《Advances in Space Research》期刊上。

　　论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S02731177****2571?via%3Dihub

　　划重点

　　“女娲星座”宏图一号精密定轨的三大特点

　　1

　　厘米级定轨精度

　　通过融合单接收机模糊度固定（SR-AR），并建立3×3网格化相位中心变化（PCV）模型，将SLR残差从2.12cm优化至1.53cm，突破多星协同定轨精度极限；

　　2

　　毫米级基线一致性

　　单接收机模糊度固定（SR-AR）与双差模糊度固定（DD-AR）的基线解算结果在三维方向一致性达1~2mm，重叠基线三维RMS分别低至1.23mm与1.07mm，验证了多星多基线联合测定的可靠性；

　　3

　　全链路效率提升

　　创新引入机动处理策略，实现复杂构型下高效多基线同步解算，为大规模星座任务奠定技术基础。

　　创新成果：如何实现利用相位模糊度约束，发掘相位测量高精度优势测定轨？

　　2023年3月30日，太原卫星发射中心的长征二号D运载火箭成功地将宏图一号星座卫星发射入预定轨道，图1显示了宏图一号卫星的运行图。

　　图1 宏图一号星座运行示意图

　　高质量的全球导航卫星系统观测是实现高精度轨道和基线确定的先决条件。研究团队首先从卫星跟踪能力、伪码噪声和载波相位噪声三个方面对观测数据的质量进行了分析。

　　卫星可见性指的是接收机在给定时刻跟踪的卫星数量，是接收机跟踪全球导航卫星系统（GNSS）卫星能力的一个指标。观测卫星的数量越多，可提供了额外的冗余测量，从而提高了轨道确定解决方案的准确性。图2显示了观测到的24小时的GPS卫星计数及其统计结果。

　　图2 宏图一号观测GPS卫星数量和历元序列

　　对于宏图一号来说，HT1-A、HT1-B、HT1-C和HT1-D卫星可见的GNSS卫星平均数量分别约为6.77颗、6.78颗、6.75颗和6.68颗。

　　伪码多路径误差是由信号从发射机传播到接收机时来自周围环境的信号反射引起的。如图3（左）所示，伪码多路径误差在低高度角（<30）区域显著增大，是由于GNSS卫星处于快速上升或下降阶段时，信号更易受遮挡与反射影响。HT1-A卫星C1C与C2W伪码的多路径误差均方根（RMS）分别为0.21m与0.19m。图3（右）中显示了相位噪声与信号升高的关系。与伪码情况类似，相位噪声在较低的高度角下也更大，HT1-A的平均RMS为2.6mm。其他三颗辅助卫星（HT1-B/C/D）携带相同的GNSS接收机，且GNSS数据质量与HT1-A完全一致。

　　图3 GNSS观测数据伪码噪声（左）与相位噪声（右）

　　技术突破

　　1

　　模糊度约束下的多星整网定轨

　　首先，利用GNSS原始观测数据进行数据预处理，在预处理的基础上进行非差消电离层组合值的测量误差修正。通过简化动力学定轨获得单颗卫星的绝对定轨结果，同时获得不同低轨卫星的单差观测数据。其次，在不同低轨卫星、不同GNSS卫星之间构建双差观测数据，之后，构建双差MW（Melbourne-Wubeena combination）组合和消电离层组合并利用典型的LAMBDA（Least-squares Ambiguity Decorrelation Adjustment）方法固定双差整数模糊度。再次，联合使用双差整数模糊度信息约束，分别计算各自偏导数。最后，将法方程合成一个整网联合参数估计的大型法方程，设计矩阵分块和参数消去算法对法方程进行求解，整网一体化求解多颗卫星的轨道力学、模糊度和钟差等参数。通过轨道重叠、激光测距等精度检核手段，分析宏图一号绝对定轨精度和相对定轨精度。图4为模糊度约束下处理流程。

　　图4 模糊度约束下精密定轨与基线确定流程图

　　2

　　低轨卫星机动处理

　　由于任务要求，宏图一号星座在在轨运行期间将进行多次姿态机动（见图5中用绿色阴影、红色点划线表示的区间），这些姿态机动由滚动摄影引起；同时还会进行由轨道提升导致的轨道机动（见图中用灰色阴影、点划线表示的区间）。如果没有进行恰当的机动处理，在机动执行期间轨道精度将会下降。

　　对于姿态机动，由于其时机取决于任务需求时刻，因此无法对其进行精确建模，必须依靠姿态数据来解决相关问题。对于轨道机动，则可以通过估计机动作用力参数来进行补偿和消除。结果表明，机动处理后POD定轨残差从39.88 mm显著降低到6.64 mm。

　　图5 HT1-A在没有机动处理的情况下（上图，绿色表示姿态机动，灰色表示轨道机动）和有机动处理的HT1-A的基于GPS的POD的定轨残差

　　验证结果

　　SLR是星载GNSS精密定轨的一种传统的精度检核方法。为了独立评估POD的性能，我们将获得的轨道解与来自长春站（ID:7237）的SLR数据进行了比较。我们使用了32个SLR观察正常点。图6显示了SLR验证的模糊度浮点解结果，三天内平均SLR残差为2.1cm。表1给出了HT1-A不同轨道解的SLR验证结果。

　　图6 HT1-A模糊浮点数解POD的SLR验证残差

　　表1不同轨道解下SLR残差对HT1-A的均方根值（单位：cm）

　　由于宏图一号卫星星座缺乏星间激光测距信息等外部手段，为了进一步证明不同基线解带来的基线一致性，我们给出了基线6小时重叠弧段的比较结果。仅以AB基线为例，图7显示了SR-AR和DD-AR解决方案的基线重叠一致性。

　　图7 基线HT1-A/B的SR-AR和DD-AR的3D RMS重叠结果

　　通过重叠弧段的比较，可以得出两个基线解的基线一致性相似。其中，更高层次的仍然是DD-AR方法，3D RMS的平均统计结果为1.07mm，因为它消除了大部分常见的误差项，并保留了共视GNSS卫星数据，这也是这种解决方案的优点。SR-AR的平均统计结果为1.23mm，也可以达到与DD-AR相同的数量级。对于编队卫星相距仅几百米的宏图一号星座，SR-AR和DD-AR方案都是可行的选择。我们认为，针对具有中短基线和相似轨道高度的低轨编队卫星，DD-AR模式下的多星整网能够带来基线确定的更高效率与精度。

　　应用场景：从科研到防灾的无限可能

　　应用前景广阔：该成果不仅为“宏图一号”海表动力参数反演（如海面流速、高度）提供超精密时空基准，更为未来多星编队遥感任务（海洋监测、灾害预警、冰川动态追踪等）提供了可复用的高精度定轨与基线测定范式，推动分布式InSAR技术走向工程化、业务化！