对一种月球与火星探测多程微波测量链路定轨定位的数值模拟初步分析

轨道器精密定轨与着陆器的精确定位在深空探测任务中具有非常重要的科学意义。对一种月球与火星探测多程微波测量链路的定轨定位能力进行了初步仿真分析,推导了这种多程微波测量链路的测量模型,分析了该模型的优势。模拟仿真分析结果表明,此测量跟踪模式的数据具有提升轨道精度的潜在能力,并且同时求得着陆器的位置。定量分析表明,在考虑坐标系转换误差,重力场误差,行星历表误差以及星上转发误差的情况下,模拟1 mm/s的噪声,对于月球探测器来说,轨道器的定轨精度可达几米,着陆器的定位精度有望达到分米量级;对于火星探测器来说,轨道器的定轨精度可达到数10 m,着陆器的定位精度可达到几米。     

藏匿在冯·卡门坑南部下方的月球质量瘤

月球着陆探测的候选着陆区域的质量异常分布,预示着对应区域发生过复杂的动力学演化过程,存在着异常丰富的物质组成。对月球的质量异常分布或重力场异常的探测是基于绕月卫星重力探测方法获取的,结合“嫦娥1号”月球探测获得的月球重力场异常模型与地形探测模型的数据,分析揭示存在于月球背面的质量瘤区域,研究结果表明：使用多次任务的数据首次证认了一个位于中尺度撞击区域,冯·卡门（Von Kármán）撞击坑的南半部和边缘的正下部的质量瘤,暂定编号CEFC04,冯·卡门撞击坑是该区域形成后,又一次大型撞击产生的。这类显著的被藏匿的中尺度月球质量瘤的发现,对探测研究月球的演化有重要意义。     

深空卫星重力测量计划研究综述

地球卫星重力测量计划CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)、GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)和月球卫星重力测量计划(Gravity Recovery and Interior Laboratory,GRAIL)的成功实施,以及下一代地球重力卫星(GRACE Follow-On)的即将发射昭示着我们将迎来一个前所未有的高精度和高空间分辨的深空卫星重力探测时代。围绕深空卫星重力测量的研究背景、必要性、可行性、卫星重力反演软件平台构建、轨道摄动和未来研究方向开展了研究论证。研究表明:深空卫星重力测量作为新世纪重力探测技术,在精化量体重力场、提高惯性导航精度、天体动力学、天体物理学和军事技术的研究,以及促进国民经济发展和提高社会效益等方面具有广泛的应用前景。     

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VLBI技术用于月球双探测器精密定轨及重力场解算

同波束VLBI通过同时观测两个探测器的多点频信号,可以得到两个探测器之间高精度的差分相位时延,日本月球探测计划SELENE充分体现了这一技术在月球探测器精密定轨中的贡献。本文针对采样返回的月球探测任务中,轨道器和返回器同时绕月飞行期间,研究利用同波束VLBI跟踪数据在探测器精密定轨和月球重力场仿真解算中的贡献。结果表明,加入同波束VLBI跟踪数据之后,探测器定轨精度有显著提高,改进超过一个量级。综合同波束VLBI跟踪数据解算得到的重力场模型相比于传统的USB双程测距测速数据,中低阶次位系数精度有明显改进,并且定轨精度有望能达到米级。
     

国内外深空探测器精密定轨软件研究综述及WUDOGS简介

深空探测器精密定轨软件系统的研制在深空探测活动中是一个非常重要的环节,一直受到各大航天机构的重视。针对国内外深空探测器精密定轨软件平台的研究现状,重点介绍了具有代表性的美国JPL(Jet Propulsion Laboratory,喷气推进实验室)的DPTRAJ/ODP(Double Precision TRAJectory program/Orbit Determination Program,双精度轨道程序/定轨程序)和MONTE(Mission analysis,Operations,and Navigation Toolkit Environment,任务分析、操作和导航工具箱环境),GSFC(Goddard Space Flight Center,戈达德航天飞行中心)的GEODYN-II以及法国CNES(Centre National dEtudes Spatiales,国家空间研究中心)的GINS(Géodésie par Intégrations Numériques Simultanées,同步数值积分大地测量)软件系统,对这些软件的结构与功能进行了总结。之后对武汉大学自主研制的深空探测器精密定轨软件系统WUDOGS(Wuhan University Deep space Orbit determination and Gravity recovery System,武汉大学深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统)的主要模块与功能进行了介绍,通过与GEODYN-II的交叉对比验证,表明:对于探测器的轨道预报,WUDOGS与GEODYN-II的1个月位置差异小于0.3mm,2d位置差值小于5×10~(-3) mm;双程测距、双程测速的理论计算值和GEODYN-II的差值RMS(Root Mean Square,均方根)分别在0.06mm,0.002mm/s的水平;WUDOGS目前已初步具备了月球和火星探测器精密定轨能力。最后对WUDOGS的下一步发展方向进行了展望。     

“火星快车”的三程多普勒观测

利用中国VLBI网无线电天线和数字信号采集系统跟踪测量了欧洲航天局的＂火星快车＂（MEX）探测器,并研发了相应的三程多普勒信号提取算法和软件。对探测器8.4GHz下行载波1s采样的最终结果显示,多普勒数据随机噪声为1mm/s,这些数据已成功应用于对火星探测器的轨道确定。     

萤火一号火星轨道器开环追踪技术

中国首个火星探测器萤火一号计划于2009年10月和俄罗斯的火卫一采样探测器一道发射升空。萤火一号将探测火星的空间环境,并验证深空导航测控与通信技术。与常规的火星探测任务不同,该探测器的轨道与位置测量主要利用天文甚长基线干涉测量技术、开环跟踪测量技术、差分单程测距测速技术、同波束干涉测量技术以及单程Doppler测速技术承担。     

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。
　
     

基于嫦娥一号卫星获取的DEM研究月球车通信的可达性

月球车通信可达性分析为研究月球车着陆点选择提供了依据。主要通过建立数学模型,将由测高数据获取的数字高程模型(DEM)和地-月轨道参数相结合,来研究我国月球探测首选着陆区虹湾地区和月球极区的通信条件受地形条件的影响。利用"嫦娥一号"探月卫星获取的激光测高数据,得到了全月面高精度的DEM,为本研究的进行提供了精确的数据基础。本研究选取的计算时间为2013年10月1日到2013年10月30日止。计算结果表明:(1)在虹湾地区,测控上海站、昆明站、北京站和乌鲁木齐站与月球车之间的通信条件不受月面地形的影响,通信畅通,这与该地区平坦的地势是一致的;(2)月球极区由于地形的复杂性,通信条件受地形的影响很大。