基于激光干涉星间测距原理的下一代月球卫星重力测量计划需求论证

月球卫星重力测量是21世纪国际开展深空探测的发展趋势和追逐热点。月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取。本文首先介绍未来国际GRAIL（Gravity Recovery and Interior Laboratory）月球重力场探测双星计划的总体概述、关键载荷以及科学目标和研究方向。其次,重点阐述月球卫星观测模式可行性论证、月球卫星关键载荷的优化选取、卫星轨道参数的优化设计、仿真模拟研究的先期开展等我国将来月球卫星重力测量计划的实施建议。第一,由于高低/低低卫星跟踪卫星结合多普勒和甚长基线干涉系统观测模式（SST-HL/LL-Doppler-VLBI）对中长波月球重力场的探测精度较高,技术要求相对较低,月球重力场测定速度快、代价低和效益高,可借鉴地球重力卫星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）系统的成功经验,对定轨精度的要求较低,而且可有效探测远月面区域的月球重力场信号,因此我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/LL-Doppler-VLBI观测模式较优。第二,我国应先期开展高精度的月球重力卫星关键载荷（激光干涉星间测距仪、非保守力补偿系统等）和地面Doppler\|VLBI系统的研制工作。第三,月球卫星轨道高度（50~100 km）和星间距离（100±50 km）的优化设计是成功实施将来我国月球卫星重力测量计划的重要保证。第四,建议我国将仿真技术应用于月球重力卫星的方案论证、系统设计、部件研制、产品检验、实际应用、故障分析等研制和运行的全过程。本文的研究不仅对我国将来首期月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考价值,同时对未来国际太阳系行星重力探测的发展方向具有广泛的指导意义。
     

月球卫星轨道摄动及冻结轨道研究

利用理论分析、数值仿真与相图分析,论述了月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的区别,分析结果表明,月球重力场存在较大异常,会引起月球卫星轨道发生较大漂移。月球冻结轨道在田谐项影响下,还存在中等周期的漂移。仅简单考虑带谐项系数,无法求得完美的月球冻结系数。月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球相比存在很大区别。月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计,不能按照地球轨道卫星的传统方法。目前使用的月球引力模型精度较差,尽管基于这些不可靠的引力模型,可以得出很多有用结论,但对未来高精度的月球探测任务来说,还存在不足,需要在将来的月球探测任务中,探测高精度的月球重力场,以利于未来月球探测航天系统的任务分析与设计。     

在嫦娥一号探月工程中求定月球重力场问题的探讨

月球重力场制约着近月外空间物体的运动，同时环月飞行器的运动也反映了月球重力场的作用。本文结合我国嫦娥一号探月工程，探讨了利用月球卫星地面跟踪资料，求定月球重力场的基本理论和方法，分析了环月卫星的轨道高度、地面跟踪采样时间间隔和跟踪精度等对月球重力场求定的影响。     

嫦娥一号卫星的初步科学成果与嫦娥二号卫星的使命

嫦娥一号卫星于2007年10月24日在西昌卫星发射中心成功发射,2009年3月1日受控落月,在轨运行495d,一共取得了1.37Tbyte的原始科学探测数据,在此基础上生产出4Tbyte科学应用数据产品。通过对这些科学探测数据的初步分析和应用研究,已经获得了包括＂我国首次月球探测工程全月球影像图＂等在内的一系列科学成果,圆满实现了预期的各项科学目标,为推动我国月球与行星科学的研究和后续月球探测工程的开展奠定了重要基础。嫦娥二号卫星在嫦娥一号卫星取得圆满成功之后,进行了一系列技术改进,作为探月二期工程的先导星,将于今年年底前发射升空。嫦娥二号卫星从发射到第一次近月制动所经历的时间由13d缩短为5d,环月轨道高度由200km降低为100km,CCD相机的像元分辨率由120m提高到10m,激光高度计测量月面高程由1次/s提高到5次/s。嫦娥二号卫星将重点开展对月面着陆区地形地貌的精细探测,试验验证相关关键技术,为探月二期月面软着陆奠定科学和技术基础。     

月球重力场环境对月球卫星轨道影响分析

文章分析了月球复杂的重力场环境对月球卫星轨道运行的影响。通过月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的对比分析,结果表明月球重力场存在较大异常,并由此引起月球卫星轨道发生较大漂移。另外,月球冻结轨道在带谐项影响下还存在中等周期的漂移,仅简单考虑带谐项系数无法求得完美的月球冻结系数。由于月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球轨道卫星情况相比存在很大差异,因此月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计必须充分考虑此影响。     

重力场测量卫星研究概况

首先给出了地球重力场和重力测量卫星的内涵，然后概要介绍了地球重力场、月球重力场的作用和意义及国外地球重力场测量技术的发展现状和趋势，比较了目前国际上具有代表性的CHAMP、GRACE和GOCE等重力卫星测量系统。最后阐述我国重力场测量的现状以及发展我国重力场测量卫星系统的必要性，并简要介绍了最新研究进展。     

日本科学卫星发射计划

日本科学卫星发射计划杨照德随着航天技术的发展，人们期望宇宙科学向更高的方向发展，为此各航天大国相继开展了向月球进军及行星探测活动。空间科学的发展也必将推动天文学、太阳地球系科学和行星科学的发展。针对这一形势，日本开发了Ｍ－５型火箭，并将在９０年代末２...     

日本月球和工程探测卫星简述

1引言 由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）下属的宇宙开发事业团（NASDA）和宇宙科学研究所（ISAS）共同研制的月球和工程探测卫星（SELE—NE,又称“月女神”）是一颗由母卫星和两颗子卫星——“中继星”（RSAT）和“月球重力场分布测量卫星”（VRAD）组成的月球探测卫星。该星不仅仅用所搭载的14种先进的观测仪器进行各种科学观测,而且还利用在轨道上从母卫星上所弹射出的RSAT卫星进行全天候通信,用从母卫星上所弹射出的VRAD卫星对月球的重力场分布情况进行全面、准确的测量,以获取大量详实信息和科学数据。     

月食对环月卫星运行影响及对策分析

从月食与环月卫星的关系出发，讨论了月食对卫星的影响机理。针对如何尽量缩短卫星进入地影时间的问题，给出了相位调整的概念和原理，同时介绍了卫星有效进影时间的概念，说明了相位调整方法的可行性。最后通过实例应用给出了相位调整的效果。文章所介绍的分析和控制方法对于环月卫星具有较广泛的适用性，可以在我国后续的月球探测任务中作为参考依据。     

地月系L2点Lissajous轨道卫星对地月的跟踪规律研究

地月系L2点附近的Lissajous轨道,可以用于月球背面探测。以此为背景,研究运行于Lissajous轨道上的中继卫星对月球和地球的跟踪规律。给出非常适于两轴转动天线运动分析的Lissajous轨道卫星的姿态描述,并初步分析了该卫星本体姿态的测量方案。推导天线中心指向地心和月心的机动角变化规律,并用统计的方法给出了对地跟踪不被月球遮挡的概率;分析Lissajous轨道参数与跟踪规律的关系;基于避免同时处于遮挡区考虑,设计了中继卫星的任务交替策略;最后,研究天线波束宽度对指向精度的影响。所得跟踪规律经数值验证是正确的。     

月球探测器LP精密定轨及月球重力场模型解算

对美国1998年发射的月球探测器LP任务阶段共19个月的双程测距测速轨道跟踪数据进行了精密定轨,对定轨结果通过轨道残差及重复弧段差异进行了精度评价。利用LP正常任务阶段三个月的轨道跟踪数据进行了月球重力场模型解算,通过重力场功率谱、轨道残差和月球自由空气重力异常对解算模型进行了精度评价。结果表明精密定轨及月球重力场模型解算合理。对进一步融合嫦娥一号轨道跟踪数据和LP数据解算自主的高精度月球重力场模型具有参考意义。
　
     

月球探测器着陆冲击试验及关键技术研究

中国正在开展月球探测活动,下一步将发射月球着陆器并实现月面软着陆。为确保着陆器在月面着陆时的稳定性和可靠性,发射前需在地球表面进行着陆冲击试验。对会影响月球着陆器着陆性能的月貌和月壤进行了详细的叙述,以便在试验过程中进行相应环境特征的模拟。用图表详尽阐述了三种月球重力场模拟器的原理和装置,并对各自的优缺点进行了评述。根据试验模型的不同,将月球着陆器着陆冲击试验分为原尺寸试验（模拟的月球重力场下）和1/6模型试验（地球重力场下）两类,分别介绍了两类模型的结构以及试验模型与着陆器原型机之间缩放关系。分别给出了原尺寸试验和1/6模型试验的试验平台和试验步骤,以及初始试验参数的给定方法。根据试验研究的需要以及月球探测器在月球表面着陆时的真实情况,给出了在地球上进行着陆模式模拟的方法。研究表明两种试验结果之间有良好的一致性,但是这两种试验的花费很高,且对试验场地有较高的要求。再者,由于在试验中对月壤没有太好的模拟方法,试验数据与真实着陆时数据存在一定差异。     

低重力环境下复杂结构航天器动特性研究的实现途径

文章从试验技术与理论计算结合的角度,对解决复杂结构航天器低重力环境下大幅度液体晃动非线性动态特性问题和模拟月球重力环境下月球探测器动力学性能的研究,进行了建设性的论述。     

月面和近月空间环境及其影响

月球探测器所经历的月面和近月空间环境主要包括：月面低重力、月面温度、近月空间辐射、月壤、月尘、月面地形地貌、月面静电等。文章在对月面和近月空间环境研究的基础上,结合国外月球探测器在月球环境方面的研究成果,分析了我国月球探测器所经历的月面和近月空间环境特点及其影响效应,并提出相应的改进措施或必要的试验验证,可为月球探测器的研制提供参考。     

Human locomotion and workload for simulated lunar and Martian environments

Human locomotion in simulated lunar and Martian environments is investigated. A unique human-rated underwater treadmill and an adjustable ballasting harness simulate partial gravity in order to better understand how gravity determines the biomechanics and energetics of human locomotion. This study has two research aspects, biomechanics and energetics. The fundamental biomechanics measurements are continuously recorded vertical forces as exerted by subjects of the treadmill which is instrumented with a force platform. Experimental results indicate that peak vertical force and stride frequency decrease as the gravity level is reduced. Foot contact time is independent of gravity level. Oxygen uptake measurements, VO2, constitute the energetics, or workload, data for this study. As theory predicts, locomotion energy requirements for lunar (1/6-g) and Martian (3/8-g) gravity levels are significantly less than at 1-g. The observed variation in workload with gravity level is nonmonotonic, however, in over half the subject population. The hypothesis is offered that energy expenditure increases for lunar, as compared with Martian, locomotion due to the subject "wasting energy" for stability and posture control in simulated lunar gravity. Biomechanics data could influence advanced spacesuit design and planetary habitat design, while workload data will help define oxygen requirements for planetary life support systems.     

月球卫星氢镍蓄电池在轨管理技术及性能分析

针对月球卫星工作模式多,功率需求变化大,自主控制能力要求高的特点,防止蓄电池出现欠充电、过充电,确保卫星供电安全,文章提出了以电子电量计控制为主、压力控制为辅的氢镍蓄电池在轨自主管理技术,包括充电控制模式、多模式多速率充电管理、全光照期充电管理和月食充电管理等内容,并给出了电池在轨测试情况。在整个任务飞行过程中电池以优异的性能在轨运行,实践证明月球卫星氢镍蓄电池在轨管理技术合理、有效。     

月面重力模拟系统恒拉力绳索的动力学研究

月面巡视器在未来探月工程中有非常重要的作用.月球重力场是影响月面巡视器运动性能的重要环境因素,需要对其进行地面模拟试验.文章基于绳索悬挂建立月面重力模拟系统,其关键是对恒拉力绳索进行建模和动力学分析.通过将绳索离散化为一系列集中质量的弹簧阻尼结构,得到多刚体系统来代替连续的弹性系统,用数值计算方法来研究绳索系统的动力学参数(如刚度和阻尼)对月面重力模拟系统的影响,来优化月面重力模拟系统.