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。
　
     

月球重力场对“嫦娥一号”近月轨道的影响

2008年12月6日“嫦娥一号”卫星开始了为期半个月的变轨试验,卫星距离月球表面最近处 约为15 km,这在国内尚属首次。试验期间,国内USB和VLBI测控网进行了跟踪测量,获取了 卫星不同飞行高度的测轨资料。通过对变轨试验期间的USB和VLBI测量数据的定轨计算,分 析了月球重力场误差对于绕月低轨卫星的影响,计算表明,尽管目前的月球重力场模型高阶 项由于没有月球背面的测量数据而不准确,但对绕月低轨卫星的定轨精度提高仍然有重要帮 助。分析了VLBI数据对绕月低轨卫星定轨的贡献,比较了USB数据单独定轨以及USB和 VLBI联合定轨两种情况,结果表明VLBI数据的加入可有效提高定轨精度。该工作对于我国后 续月球探测工程具有一定的借鉴意义。
     

同波束VLBI技术在深空探测器测定轨中的应用

同波束VLBI技术即用射电望远镜的主波束同时接收两个探测器发送的信号,得到两个探测器信号的相关相位并在探测器间进行差分,去掉电离层、大气及观测装置的绝大部分影响,得到超高精度的差分相时延。差分相时延数据能准确反映两个探测器相对位置及其变化,可用来提高两个探测器的绝对和相对定轨定位精度。对同波束VLBI技术的基本原理及其在国内外深空探测器测定轨中的应用进行综述和展望。比如,我们利用同波束VLBI技术把嫦娥三号巡视器相对定位精度提高至1米,并有望把嫦娥五号轨道器和上升器的定轨精度提高至10米量级,把火星环绕器定轨精度和火星车定位精度提高至数百米等。     

CE5T拓展试验轨道精度分析

针对嫦娥5T服务舱(CE5T)拓展试验中的绕地大椭圆轨道，分析了轨道动力学演化趋势，通过测轨数据类型组合策略分析了统一S频段测量(USB)和甚长基线干涉测量(VLBI)在定轨中的贡献，得到了百米级的精密定轨精度；针对地月第二平动点(L2)绕飞轨道，分析了地心和月心积分的轨道动力学差异，制定了精密定轨的参数求解策略，得到了百米级的精密定轨精度；针对月球交会对接轨道的特点，选取三种不同的重力场模型定轨，比较了三者在轨道预报和数据拟合的差异，并与嫦娥3号(CE3)环月轨道的定轨精度进行比对，验证了不同重力场的适用范围，从计算精度和效率两方面制定了优化的定轨策略。     

深空网干涉测量数据对嫦娥五号定轨能力分析

针对嫦娥五号探测器(CE-5)开展基于深空网测量数据的定轨能力分析.首先从测量原理分析了深空网VLBI数据的误差源,然后利用CE-5的精密轨道评估了 VLBI数据的误差,最后基于实测数据与协方差分析理论,分析UXB与VLBI数据的定轨能力.结果表明:转移阶段,单独利用深空网测量数据可以获取优于1 km的转移轨道精度,标...     

月面着陆器与巡视器同波束差分时延相对定位算法

针对月球着陆巡视探测活动中的月面着陆器与巡视器的相对定位问题,建立了月面双目标相对运动方程和状态方程,给出了同波束差分时延测量量关于双目标相对位置的测量方程,进而实现了基于统计估计方法解算双目标相对位置的算法。结合嫦娥三号探测器跟踪测量条件,利用该算法开展仿真分析。结果表明:在测量弧段达到5min以上、同波束干涉测量(SBI)时延仅有1ns随机误差的情况下,相对定位精度可达20m;测量数据存在3ns系统误差时,相对定位精度为200m,此时如果增加甚长基线干涉测量(VLBI)时延数据,可将相对定位精度提高到150m。利用嫦娥三号实测数据处理结果验证了此算法的正确性和仿真分析的有效性,可为合理制定月面双目标相对定位策略提供参考。     

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。
     

卫星跟踪卫星应用于月球重力场探测的模拟研究

月球卫星跟踪卫星技术作为月球和行星重力场探测的一种解决方案已经初步研究和讨论。文章引入已有的解析方法在理论上分析卫星间精密测距与月球重力场信号的频率响应关系，并通过模拟计算，以分析月球卫星跟踪卫星方法应用于月球重力场探测的可行性和恢复重力场的能力。由于月球卫星跟踪卫星方法是目前解决远月面重力探测最有潜力的方法之一，且已为一些月球探测计划采用，而我国的月球探测计划也同样面，临远月面探测的难题，文章的研究成果可为我国月球和行星重力场的探测提供参考。     

应用于深空探测的VLBI技术

分析了河外射电源与空间飞行器甚长基线干涉测量（VLBI）跟踪与资料解析的差异,包括信号波前形式、频谱特征、误差修正方式、解算参数类型和软件实时性需求等。讨论了应用于深空探测的包括宽带、窄带、同波束、多频点、多基线相位参考、连线干涉和局部参考架等多种差分VLBI技术,可作为VLBI技术在我国深空探测应用中技术设计参考。     

环月探测器短弧定轨精度的仿真结果分析

以我国正在实施的探月计划嫦娥一号月球探测器飞行测控需求为背景,利用数值仿真的方法,考虑现有USB卫星测控网和中国科学院VLBI射电天文观测网分布,在观测弧段受到限制的前提下,探讨了环月探测器测轨手段和测控弧段的选择及其相应的定轨精度。     

同波束干涉测量差分相时延观测模型研究及验证

针对月球轨道交会对接地面高精度引导需求,对同波束干涉测量差分相延观测模型进行分析验证。根据甚长基线干涉测量几何时延观测量同一波前的定义,推导出同波束差分时延观测量的观测模型。并提出一种精确的同波束干涉测量差分相时延闭合算法,同时结合SELENE任务实测的数据计算差分相时延闭合值,用于对观测模型进行验证。实测数据计算结果表明,采用本文提出的精确算法显著地消除同一波前差分相时延闭合值中的趋势项,差分相时延闭合值的精度在0.5ps~1ps范围内,验证了观测模型的正确性。该研究对于后续的月球交会对接地面高精度测定轨任务分析设计将具有一定的参考价值。     

载人登月飞行方案研究

根据载人登月任务有无地球轨道和月球轨道交会对接,将登月途径分为地球轨道交会-月球轨道交会、地球轨道交会-直接返回、地球轨道不交会-月球轨道交会,以及地球轨道不交会-月球轨道不交会四类,并对各自可能的演变登月方式进行了分析。对载人登月的质量规模及运载火箭需求进行了分析,讨论并比较了一次发射、基于环月轨道交会组装和基于近地轨道交会组装方案的时间窗口和登月方案,并给出了建议。研究可为我国载人登月任务方案选取提供参考。     

利用多普勒测量确定嫦娥四号着陆器精密定轨

针对嫦娥四号着陆器环月飞行阶段的轨道，开展基于多普勒测量数据的精密轨道计算与精度分析。首先给出了多普勒测量数据的精确观测建模方法。然后，从着陆器姿控力影响，重叠弧段轨道比较，以及独立轨道比较几个方面开展计算与分析，结果表明：姿控喷气会对探测器产生细微的加速度，对轨道计算产生20~50 m的影响；通过重叠弧段的比较，稳定飞行阶段多普勒数据独立解算轨道的精度优于30 m；与测距与VLBI测量联合解算轨道的比较，轨道之间的差异小于50 m。     

USB与VLBI联合确定“嫦娥一号”卫星撞月点的位置

2009年3月1日,“嫦娥一号”卫星成功撞击月球,准确撞击位于月球“丰富海”的预定区域     

嫦娥二号探测器轨道确定与支持

针对嫦娥二号探测器直接进入地月转移轨道、距月面100km高度捕获月球、完成既定任务后飞往日地第二拉格朗日平动点等飞行轨道方面的新特点,分析了定轨预报策略,利用事后精密轨道,全面评估了关键变轨点定轨预报和变轨后快速定轨的精度,其中,近月制动前3h定轨预报至近月点的位置误差为1km,速度误差为 0.3m/s 。利用不同月球引力场模型进行环月轨道精密定轨,根据实测数据残差分析和精密星历比对的结果,采用SGM100h引力场模型的定轨残差均方根最大。此外,针对嫦娥二号扩展任务,分析了不同测轨条件下的定轨精度,测量数据残差分析结果表明,在扩展任务中途修正前的定轨弧段内,测距、时延和时延率数据的残差分别为5m,5ns和1ps/s。     

嫦娥五号平动点拓展任务轨道方案研究

中国嫦娥五号探测器成功实现月球采样返回任务,为最大限度利用任务资源,研究了利用嫦娥五号轨道器的平动点拓展任务轨道方案,设计了平动点轨道及其转移轨道.首先,给出了任务轨道设计的轨道动力学模型,包括圆型限制性三体问题模型和精确力模型.其次,基于嫦娥二号和嫦娥5T1平动点拓展任务设计经验,介绍了平动点轨道直接转移与入轨等轨道...     

基于我国VLBI网航天器定位归算仿真分析

结合我国VLBI观测网现状,通过仿真计算分析了观测时延噪声与系统差、预报轨道偏差和测距误差等对航天器定位归算的影响。结果表明,仅利用VLBI跟踪时附加飞行器地心距约束有利于压制定位点的弥散。 3站 VLBI跟踪的定位解是有偏估计,4站跟踪时要求所加约束的误差应与预报轨道偏差相当,若过大将起不到压制定位点弥散的良好效果,若过小则会在定位结果中引入系统偏差。时延与测距的观测噪声主要引起定位点序列的弥散。若观测量存在系统差则将引起定位结果的系统性偏差,而且定位点序列会发生渐近线性趋势跳变。同时,这也可以作为观测量是否存在系统差的判据。另外,若某时刻前后VLBI跟踪站存在3、4站变更,定位点序列有时发生趋势变化。分析结论对于我国后续探月和萤火计划等工程实践具有借鉴意义。