俄月球-全球等探测任务中的无线电科学试验

俄罗斯航天局正在规划和推进新的月球探测计划,包括月球-资源和月球-全球探测任务,它们搭载了3个无线电科学载荷:2个无线电信标机分别安装在2个着陆器上,1个Ka波段接收机安装在月球-全球轨道器上。信标机发射频率为8.4GHz和32GHz。8.4GHz的微波信号将被发回地球,利用地面VLBI监测网对信号进行测量,其结果可用于精密的天体力学观测及导航,还能用于月球天平动研究;32GHz信号将用于定轨和月球重力场研究。Ka波段信号天线轴指向着陆区天顶方向,信号由轨道器接收。本文基于对Ka波段信号多普勒频移的精确测量,通过研究着陆区附近重力场的微小变化(约3~5mGal精度),探讨月球重力场的不均匀性,其测量数据的空间分辨率约为20km。     

美将试验火星探测器激光通信技术

美国航宇局将用3亿美元开展一项行星际激光通信试验，以便科学家能通过激光与远在火星的探测器实现通信。对于想“下载”行星轨道器和着陆器等探测器采集的大量图像和其它数据的科学家来说，这项技术将能大大提高探测器可靠地发回地球的信息量。试验所用的激光器将以近1O倍于任何现有行星际无线电通信链路的速度发送数据。     

基于脉冲星和紫外敏感器的自主定轨定姿授时研究

为提高深空探测器的自主导航能力, 利用脉冲星导航的脉冲到达时间和脉冲星 角位置测量值、紫外敏感器中心天体质心相对于探测器的方向矢量和距离测量 值以及紫外敏感器输出的航天器姿态角, 以探测器在惯性坐标系下的位置和速度、 探测器本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态角、星载时钟钟差为系统状态变量, 通过联邦扩展卡尔曼滤波器估计组合导航系统的系统状态, 并利用火星环绕段 轨道数据进行仿真实验. 仿真结果表明, 该组合导航方法能够使火星轨道器 在环绕段飞行中同时进行定轨、定姿和授时, 且具有较高的导航精度和授时能力.      

撞月大片的真实背景

2004年,美国总统布什发布了新的“空间探测新构想”,提出了雄心勃勃的“重返月球”计划。为实现这一计划,美国航宇局提出先期实施一系列月球机器人任务（包括月球轨道器、着陆器和巡视探测器）,即LPRP计划。     

环火星测量数据处理及精密轨道确定

为支持我国首次火星探测任务取得圆满成功，宇航动力学国家重点实验室将全自主开发的精密定轨平台系统，应用于环火星轨道确定中。为满足多对象、多弧段、多中心天体的定轨需求，平台系统设计了卫星结构、测站结构、观测结构和天体结构4大基础结构，并在4大基础结构之上，设计了灵活的弧段结构和估计结构。为验证平台系统是否具备环火星定轨能力，平台系统首先使用2020年上半年跟踪火星快车实验的数据对测量模型进行了检核，得到了理论测距和实测测距偏差（11m~21m）；其次，使用2009年实测双程测速和三程测速数据定轨，单独使用双程测速定轨，轨道与欧空局精密星历位置偏差最大不超过100m，测速残差的均方根（Root Mean Square, RMS）为0.0137(cm/s)。使用三程测速定轨，位置偏差不超过250m，三程测速RMS为0.0119（cm/s）；最后，使用两天三站测距仿真进行了自定轨验证，初轨和随机差都基本收敛回仿真初值。结果显示，宇航动力学国家重点实验室精密定轨系统能够满足我国首次火星探测任务的基本需求。     

“嫦娥4号”中继星任务轨道确定问题初探

"嫦娥4号"任务将采用着陆器、巡视器和绕飞地月拉格朗日L2点中继星进行月球背面的探测,中继星已先期发射,进入环绕地月L2点的晕(Halo)轨道。在中继星使命轨道动力学模型的基础上,通过相关仿真工作,开展了中继星在Halo轨道上的摄动源量级及影响定轨预报的主要因素分析,结果表明:太阳光压摄动是其主要影响因素。为降低其相关影响,提高定轨精度,在太阳光压球模型的基础上,结合中继星在轨运行特点及其星体结构特点,提出了一种求解光压等效面积的方法。经仿真分析,使用修正后的太阳光压球模型进行定轨求解,速度精度可提升约一个量级。     

2016HO3探测任务星载光学观测量建模及定轨

以中国首次小行星探测任务为背景，根据星载相机获取的光学影像构造三种观测量，分别为小行星相对于航天器的高度角和方位角、赤经赤纬以及探测器与行星/小行星之间的夹角，分析了其在探测器定轨中的作用。仿真定轨结果表明，观测时长为100 h，探测器三轴位置误差小于50 km，满足工程上对巡航段的轨道精度要求，但x和y方向的位置和速度分量具有较强自相关性。此外还发现，使用单一观测数据类型比联合观测量的定轨精度低3～4个量级，第三类观测量相对于其他两类观测量在定轨精度方面具有显著作用，这表明在2016HO3探测中，利用太阳系大天体的位置信息有助于约束探测器轨道，提高探测器的定轨精度。     

火星进入点误差对开伞点分布影响分析

随着火星探测任务需求的提升,着陆器在火星表面着陆精度的要求越来越高。着陆器开伞点分布是影响着陆精度的重要因素。文章围绕火星大气进入过程,简要介绍了着陆器运动学方程,并给出相应的数学模型。针对进入点（接触大气层）存在的初始状态误差,借助MonteCarlo法进行了着陆器开伞点分布情况分析。通过1000次重复仿真试验得出结论,着陆器开伞点的纵向误差在20~40km,横向误差在5~10km。最后,针对提高开伞点精度,提出两点建议并简要介绍了相关制导算法。     

高精度VLBI技术在深空探测中的应用

介绍了适合单探测器测定轨的高精度VLBI技术和适合多探测器测定位的同波束VLBI技术的研究进展。利用"嫦娥3号"着陆器的ΔDOR型VLBI观测,得到了误差0.67ns的VLBI群时延数据。利用"嫦娥3号"着陆器和月球车的同波束VLBI观测,得到了随机误差0.3ps的差分相时延数据,以数厘米的灵敏度监测出月球车的移动、转弯等动作,并把月球车的相对定位精度提高至1m。针对深空探测,提出了使VLBI时延测量精度进一步提高所需要开展的部分研究内容。     

火星土壤物理力学特性分析

火星土壤既是火星表面探测活动的主要探测对象,也是表面探测器设计中需考虑的重要因素之一。火壤的物理力学特性将直接影响着陆器着陆缓冲系统、火星车移动系统等的设计。此外,在着陆器和火星车等表面探测器的地面研制过程中,需要研制模拟火壤,形成模拟的火星表面环境,开展相关的着陆器着陆缓冲性能、火星车移动性能等验证试验。迄今为止,人类已经有多个探测器登陆火星,获取了大量的有关火壤的信息,也研制了多种模拟火壤。通过对已有火壤和模拟火壤的物理力学特性分析,梳理出火壤物理力学特性的参数范围,可为我国火星探测器的研制提供参考。     

基于火卫二视线测量的火星接近段自主导航算法

针对火星接近段导航通信时延大、存在通信盲区、自主导航可用观测信息有限等问题,提出了一种基于一组火卫二相对探测器视线矢量测量的天文自主导航算法,每个导航周期测量一组火卫二视线矢量可得到其中某一时刻探测器的完整轨道信息的估计值,该方法不依赖于轨道渐近线方向等先验信息。考虑到存在火卫二和火星在同一视场的情形,此时结合火星中心视线矢量方向以及火卫二的星历信息可估计出精度较高的探测器轨道半径,作为第一种方法的补充观测量,提高导航精度。最后给出仿真校验,验证了该方法的导航精度和可行性,表明该方案能够满足未来火星探测接近段自主导航需求。     

Mars Phobos and Deimos Survey (M-PADS) – A martian Moons orbiter and Phobos lander

We describe a Mars ‘Micro Mission’ for detailed study of the martian satellites Phobos and Deimos. The mission involves two ∼330 kg spacecraft equipped with solar electric propulsion to reach Mars orbit. The two spacecraft are stacked for launch: an orbiter for remote investigation of the moons and in situ studies of their environment in Mars orbit, and another carrying a lander for in situ measurements on the surface of Phobos (or alternatively Deimos). Phobos and Deimos remain only partially studied, and Deimos less well than Phobos. Mars has almost always been the primary mission objective, while the more dedicated Phobos project (1988–89) failed to realise its full potential. Many questions remain concerning the moons’ origins, evolution, physical nature and composition. Current missions, such as Mars Express, are extending our knowledge of Phobos in some areas but largely neglect Deimos. The objectives of M-PADS focus on: origins and evolution, interactions with Mars, volatiles and interiors, surface features, and differences. The consequent measurement requirements imply both landed and remote sensing payloads. M-PADS is expected to accommodate a 60 kg orbital payload and a 16 kg lander payload. M-PADS resulted from a BNSC-funded study carried out in 2003 to define candidate Mars Micro Mission concepts for ESA’s Aurora programme.     

Enhancing the kinematic precise orbit determination of low earth orbiters using GPS receiver clock modelling

Clock error estimation has been the focus of a great deal of research because of the extensive usage of clocks in GPS positioning applications. The receiver clock error in the spacecraft orbit determination is commonly estimated on an epoch-by-epoch basis, along with the spacecraft’s position. However, due to the high correlation between the spacecraft orbit altitude and the receiver clock parameters, estimates of the radial component are degraded in the kinematic approach. Using clocks with high stability, the predictable behaviour of the receiver oscillator can be exploited to improve the positioning accuracy, especially for the radial component. This paper introduces two GPS receiver clock models to describe the deterministic and stochastic property of the receiver clock, both of which can improve the accuracy of kinematic orbit determination for spacecraft in low earth orbit. In particular, the clock parameters are estimated as time offset and frequency offset in the two-state model. The frequency drift is also estimated as an unknown parameter in the three-state model. Additionally, residual non-deterministic random errors such as frequency white noise, frequency random walk noise and frequency random run noise are modelled. Test results indicate that the positioning accuracy could be improved significantly using one day of GRACE flight data. In particular, the error of the radial component was reduced by over 40.0% in the real-time scenario.     

基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度，传统几何定轨法精度受限，只能达到亚米级，而基于精密单点定位（PPP）模式的几何定轨法一般采用浮点解，定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位较差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能，利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品，对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号（HY-2）和资源三号 (ZY-3) 卫星进行固定模糊度PPP的定轨解算，与事后精密轨道结果进行比较，分析其外符合精度。结果表明：仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据，切向与径向的定轨精度可达2cm左右，法向为5cm左右，较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨。     

Autonomous navigation for lunar final approach based on gravity gradient measurements

Lunar final approach navigation is critical for pin-point lunar landing in future missions. This study investigates the use of lunar gravity gradient measurements for autonomous navigation of a lunar probe during the final approach phase. As the spacecraft approaches the Moon, the strength of gravity gradient signals improves. A spaceborne gravity gradiometer can precisely measure local gravity gradients, and the latest lunar gravity model GL1500E is used to provide reference values. The employed truncation degree and order of the gravity model are increased stepwise considering the decreasing altitude of the spacecraft in order to reach a compromise between computational costs and model accuracy. An iterative Kalman filter is developed for coupled orbit and attitude estimation using gravity gradient measurements and attitude quaternions obtained from star sensors. A simulated spacecraft with a gradiometer noise level of 0.01 E is considered. Simulation results show that the spacecraft’s position converges rapidly and achieves an accuracy of less than 100 m at the last epoch.     

“嫦娥4号”中继星任务分析与系统设计

作为"嫦娥4号"任务的重要组成部分,中继星将为着陆器和巡视器提供中继通信支持。不同于其它月球探测器,中继星首次选择了绕地月L2平动点运行的晕(Halo)轨道以保证对月球背面的着陆器和巡视器提供连续的中继通信服务,面临诸多技术挑战。在对中继星任务特点进行分析的基础上,梳理了研制中的技术难题,包括使命轨道的选择、使命轨道的到达和长期维持、中继通信体制选择等,并提出了解决方案。中继星的总体设计方案概述也在文中给出。     

基于随机森林的月球表面软着陆实时最优控制

针对传统月球表面软着陆在处理入轨偏差或降落过程轨迹偏离实时性差,文章提出一种通过监督学习离线训练随机森林结构,使得着陆器在降落过程中根据其状态,通过训练的随机森林结构在线计算其控制量,从而达到实时控制的目的。文章还提出一种基于随机森林的模型对月球着陆过程轨迹重规划技术,通过动力学建模将月球着陆过程分成制动段、接近段和着陆段共3个阶段,利用离线训练好的模型根据航天器状态在线计算其控制量,并通过三段下降过程逐渐降低航天器位置速度误差。仿真结果表明,针对入轨偏离500m的情况,通过第一阶段将位置误差缩短至50m,保证了航天器状态位于第二阶段训练集内,经过接近段后再将位置误差缩小至10m范围内,速度误差降至0.01m/s量级,满足着陆误差要求,且控制量计算时间短,达到了轨迹实时重规划的目的。     

基于X射线脉冲星的航天器自主导航数值分析研究木

基于X射线脉冲星的天文自主导航方法稳定、可靠、精度高.是航天器自主导航领域重要的发展方向.论文介绍了基于X射线脉冲星导航的基本原理,给出了脉冲星自主定位的滤波模型;基于扩展卡尔曼滤波导航算法,以地球同步轨道为例,分析了不同初始误差、轨道倾角、轨道偏心率以及不同脉冲星方位误差下的导航精度.仿真算例表明,在脉冲星方位误差为0.001"、脉冲到达时间测量误差为0.1μs的情况下,导航定位精度优于1 km,且对初始误差不敏感;脉冲星方位精度、脉冲计时精度、轨道面位置和轨道偏心率是影响导航精度的主要因素.     

基于X射线脉冲星的航天器自主导航数值分析研究

基于X射线脉冲星的天文自主导航方法稳定、可靠、精度高,是航天器自主导航领域重要的发展方向.论文介绍了基于X射线脉冲星导航的基本原理,给出了脉冲星自主定位的滤波模型;基于扩展卡尔曼滤波导航算法,以地球同步轨道为例,分析了不同初始误差、轨道倾角、轨道偏心率以及不同脉冲星方位误差下的导航精度.仿真算例表明,在脉冲星方位误差为0.001″、脉冲到达时间测量误差为0.1μs的情况下,导航定位精度优于1km,且对初始误差不敏感;脉冲星方位精度、脉冲计时精度、轨道面位置和轨道偏心率是影响导航精度的主要因素.      

考虑太阳自转的天文多普勒差分导航方法

基于太阳震荡的时间延迟是一种新型天文导航量测量，可以提供探测器相对反射天体的距离信息，与星光角距量测量结合，可以提高导航性能。然而，星光角距量测模型与时间延迟量测模型均含有火卫一相对火星的位置矢量，火卫一的星历误差将影响导航精度。针对这一问题，提出了一种基于在线估计的天文测角/时间延迟量测组合导航方法，建立了包含火卫一位置及速度的状态模型，利用星光角距及时间延迟量测量同时对火卫一的位置和速度进行在线估计，仿真结果表明，提出的方法可以有效抑制火卫一星历误差对组合导航精度的影响，为探测器提供高精度的自主导航信息。