摘要：采用2015年5月24日—30日的Swarm星载GPS双频观测数据，基于Melbourne-Wübbena（MW）和消电离层线性组合，在精密单点定位技术的基础上，采用批处理最小二乘估计法对不同轨道高度的Swarm系列卫星进行非差运动学精密定轨。利用星载GPS相位观测值残差、与欧空局发布的简化动力学轨道对比，以及SLR检核3种方法对Swarm系列卫星非差运动学定轨结果进行精度评估。结果表明：①Swarm系列卫星星载GPS相位观测值残差RMS为6~7 mm；②与欧空局发布的简化动力学轨道进行求差，径向、切向及法向轨道差值RMS为2~4 cm；③与欧空局发布的运动学轨道进行求差，径向、切向及法向轨道差值RMS为1~2 cm；④SLR检核结果表明Swarm-A/B/C卫星轨道精度为3~4 cm。因此，采用非差运动学定轨方法与本文提供的定轨策略进行Swarm系列卫星精密定轨是切实可行的，定轨精度为厘米级。
关键词：Swarm系列卫星 精密单点定位 非差运动学定轨 批处理最小二乘估计法 厘米级
Key words: Swarm satellite preci point positioning undifferenced kinematic method batch least squares estimation method centimeter level
欧空局(European Space Agency，ESA)于2013年11月22日成功发射Swarm卫星，称为小卫星“地球探测”计划。该计划不仅用于探测地球磁场信息，还用于探测地球大气层和重力场恢复等[1]。Swarm星群由3颗相同的卫星组成，分别命名为Swarm-A、Swarm-B和Swarm-C。其中，Swarm-A和Swarm-C卫星在轨道高度为470 km、倾角为87.4°的极轨道平行飞行，Swarm-B卫星在轨道高度为520 km、倾角为88°的极轨道飞行[2]。Swarm系列卫星精密定轨不仅是整个Swarm星群计划顺利实施的关键，也是有效利用卫星荷载开展地磁场反演等相关科学研究的前提条件。
Swarm卫星上搭载了一系列先进的科学仪器。为了探测地球磁场的强度和方向，每颗Swarm卫星安装有矢量磁力仪和标量磁力仪；地球的电场信息则通过相应的电场仪器设备测量，该设备由朗缪尔探针和热离子成像仪组成；Swarm卫星上安装有加速度计，主要用于测量Swarm卫星非保守力加速度，该数据不仅用于获取热层密度和风的一些信息，还可以用该数据参与地球重力场恢复工作；Swarm卫星上的星载GPS接收机主要用于Swarm卫星精密轨道的确定；Swarm卫星上的激光反射棱镜观测的数据用于检核Swarm卫星轨道[3]。Swarm卫星星载GPS观测数据和解算得到的轨道不仅可以用于地磁场位置标定，也可以用于电离层研究、热层密度的确定及地球重力场的恢复等[4]。
近年来，低轨卫星运动学定轨引起了学者们的极大兴趣。与简化动力学定轨相比，运动学定轨方法不采用任何低轨卫星动力学信息(如重力场、大气阻力等)。因此，运动学定轨结果可用于反演地球重力场模型[3, 5]。
Swarm卫星发射之后，国外学者围绕Swarm卫星定轨展开相关学术研究。文献[2]利用超过一年的星载GPS观测数据进行Swarm卫星运动学和简化动力学定轨。SLR检核结果表明，欧空局发布的简化动力学轨道精度约为2.5 cm，运动学定轨精度约为4 cm；运动学轨道与简化动力学轨道3D差值RMS为4~5 cm，在地磁极和地磁赤道的轨道差异会更大。文献[5]解算18个月的Swarm卫星运动学轨道，并进行重力场恢复工作。文献[3]利用PPP技术开展Swarm卫星运动学定轨工作，取得了较好的定轨结果。
国内方面，相关学者开展Swarm卫星简化动力学定轨的相关研究。文献[6]研究天线相位中心改正及其对Swarm卫星简化动力学定轨的影响。文献[7]研究伪随机脉冲先验标准差对Swarm卫星简化动力学定轨的影响。此外，文献[8-9]利用优化的伪随机脉冲进行Swarm卫星简化动力学定轨，定轨结果与欧空局发布的轨道结果精度相当。国内学者主要研究Swarm卫星简化动力学定轨，而关于Swarm卫星非差运动学精密定轨的相关研究却鲜见报
道。由于GRACE卫星已于2017年6月停止工作，而GRACE Follow-On于2018年5月成功发射，相关数据最早于2019年才公布，在此期间，Swarm卫星将填补因GRACE无法工作与GRACE Follow-On公布数据之前的空白，继续监测地球重力场信号[10]。而恢复地球重力场模型需要Swarm卫星运动学精密轨道。因此，自主开展Swarm卫星非差运动学精密定轨和精度评定等相关研究有很强的现实意义。
