火星探测器精密定轨定位与火卫一低阶重力场研究EI北大核心CSCD

论文详细地研究了火星探测器精密定轨定位理论与方法。从火星轨道器精密定轨问题入手,重点对欧空局火星快车号探测器进行了相关研究。通过梳理定轨策略,全面处理了火星快车多普勒跟踪数据,获得了高精度的火星快车重建轨道。同时在国际上首次融合处理多次火星快车飞掠火卫一期间的观测数据,提高了火卫一低阶重力场模型的精度。     

中国VLBI观测网对木星低阶重力场解算的贡献

随着中国深空探测进程的不断推进,研究热点逐渐从月球、类地行星转向气态行星。木星探测任务中,探测器精密定轨软件的研制是探测初期模拟仿真以及任务实施期间无线电跟踪数据处理的重要工具,而其中涉及的木星重力场模型、自转定向模型等相关参数的解算则是重要的科学问题。介绍了自研木星探测器精密定轨及动力学参数解算软件(Jupiter gravity recovery and analysis software,JUPGREAS),并与GEODYN-Ⅱ(geodetic parameter estimation and precision orbit determination system-Ⅱ)进行了对比验证。结果显示,轨道预报7 d的精度在10-4m量级;均使用高斯白噪声为1 mm/s的双程测速观测值进行精密定轨解算,两套软件之间的初轨改正量最大差异为1.84 m。基于JUPGREAS仿真处理了中国深空网和甚长基线干涉测量观测网(Chinese very long baseline interferometry network, CVN)跟踪的木星探测器数据,对甚长基线干涉测量时延和双程多普勒观测量中分别加上0.5 ns和0.5 mm/s的高斯白噪声,其定轨位置误差为0.822 m。结果还表明,相较于单纯使用多普勒数据,加入CVN跟踪的时延数据后,木星重力场带谐项系数解算精度有了明显提高。     

天问一号拓展任务对火星低阶重力场解算的潜在贡献分析

天问一号是中国首次独立开展的行星际探测任务,实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测。天问一号正常科学任务阶段环绕以极轨设计为主,与历史火星任务类似,对当前火星重力场模型精度改进有限,因此其拓展任务轨道选取至关重要。通过对极轨圆轨道和近赤道大偏心率轨道进行仿真模拟,分析两种典型轨道构型对现有火星重力场模型改进的可能性,基于不同误差考量仿真解算了对应6个重力场模型。借助重力场功率谱分析,发现在测量噪声为0.1 mm/s的情况下,不论采用极轨还是近赤道轨道,一个月的跟踪数据均可较好地反演出42阶次的火星重力场模型;考虑综合误差影响之后,发现两种轨道对于重力场解算精度类似,其中实施近赤道大偏心率轨道对35阶次以上约束略强。     

利用重力场模型MRO120D分析火星探测器的轨道演化

针对火星探测器在轨运行时长的问题,使用武汉大学自主研制的火星探测器精密定轨与重力场解算软件系统MAGREAS(Mars gravity recovery and analysis software/system),分别对火星探测器在不同初始轨道高度、不同初始轨道倾角、不同初始轨道偏心率以及不同阶次火星重力场等影响因素下,进行轨道演化的分析。结果表明,小偏心率且轨道高度在250 km及以上的探测器可以长时间运行,在不进行任何调整的情况下运行时间接近两年;初始轨道倾角为90°时,不利于探测器的运行时长;在轨道积分的运算中,火星重力场模型MRO120D可以截取到100阶而不影响计算精度。该成果可以为中国的火星探测工程提供一定参考。     

火星探测器精密定轨软件研制及实测数据处理

研发了一套具有自主知识产权的火星探测器精密定轨及动力学参数解算软件系统,介绍了软件的设计思路与基本结构。对2009年8月中国甚长基线干涉测量网跟踪的火星快车号三程多谱勒数据和相同弧段欧洲空间局的双程多谱勒数据进行了处理。结果表明,对于三程多谱勒数据,精密定轨后的残差处于0.079 mm/s的水平,轨道与比利时皇家天文台发布的火星快车精密轨道（精度20~25 m）最大差距小于100 m;对于欧洲空间局双程多谱勒数据,精密定轨后的残差处于0.067 mm/s的水平,轨道与精密轨道最大差距小于10 m。对火星快车跟踪数据的处理结果表明该软件可靠。     

月球探测器精密定轨软件研制与四程中继跟踪测量模式研究

正本文以我国即将发射的"嫦娥五号""嫦娥四号"任务为背景,系统性地讨论了行星探测器精密定轨和重力场解算的原理、技术和具体算法,完善月球卫星精密定轨的各个细节,开发了一套具有自主知识产权的月球探测器精密定轨与重力场解算软件系统LUGREAS;提出了基于月球着陆器-轨道器的四程中继跟踪测量模式,定量计算了该跟踪模式对轨道器精密定轨和着陆器精密定位的贡献。具体研究内容包括:     

深空探测器精密定轨与重力场解算系统(WUDOGS)及其应用分析

WUDOGS是武汉大学自主研发的深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统。该软件目前已经具备月球、火星探测器的高精度定轨能力。本文首先简要介绍了WUDOGS设计思路及其主要功能,然后重点介绍了WUDOGS与国际上领先水平的行星探测器精密定轨软件系统GEODYN-Ⅱ的交叉验证测试过程。结果表明: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的差值分别在0.06 mm、0.002 mm/s的水平;对月球探测器"嫦娥一号"的精密定轨显示WUDOGS和GEODYN-Ⅱ符合在2cm水平,对火星探测器MEX的精密定轨显示WUDOGS和欧空局精密轨道符合在25m水平。该软件目前的研发情况及其与国外研究水平的对比表明WUDOGS具有良好的应用前景,对满足我国后续深空探测发展的需求以及深空探测器精密定轨软件的研发具有重要意义。     

重力卫星的星载GPS精密定轨

利用CHAMP和GRACE卫星的实测数据,研究了重力卫星的精密定轨问题,并针对几何法精密定轨方法给出了一种有效的星载数据编辑策略;在PANDA软件的基础上,处理了101 d的实测数据;通过与不同机构卫星轨道的比较、激光测距观测值检验以及重力场模型恢复等外部检核的方式,分析了卫星轨道的精度.结果显示,本文的简化动力学轨道的精度为2～3 cm;几何学轨道的定轨精度为3～4 cm,适用于重力场模型的解算.     

水星探测器精密定轨软件研制及应用

考虑到中国有望开展自主水星探测任务,研制了国内首套具有自主知识产权的水星探测器精密定轨及动力学参数解算软件系统MERGREAS（Mercury Gravity Recovery and Analysis Software/System）。从星历预报、仿真观测量、精密定轨等3个方面与GEODYN-Ⅱ软件进行详细的对比分析,两者一天内的探测器星历预报位置差异在10-7~10-8 m的量级,速度差异在10-9~10-12 m/s的量级;仿真双程测距差异接近10-4 m的量级,双程测速差异为4×10-6 m/s左右;仿真定轨差异则为X方向0.2 m,Y方向0.7 m,Z方向0.5 m,表明MERGREAS各项精度与GEODYN-Ⅱ基本达到一致。模拟同波束数据进行水星探测器和着陆器定位解算,轨道器位置误差为1 m左右,着陆器位置误差为0.88 m;考虑水星重力场和自转模型误差的影响之后,解算的轨道器位置误差为13.6 m,着陆器位置误差为250.3 m。该软件可以为中国未来水星探测任务中的轨道跟踪数据处理提供参考,具有一定的应用价值。     

小天体探测器精密定轨与引力质量解算EI北大核心CSCD

小天体探测器精密定轨与引力质量解算是小天体探测任务的关键环节。论文以我国未来小天体探测任务为背景,以欧洲航天局的Rosetta探测任务为切入点,紧紧围绕小天体探测器精密定轨与引力质量解算,深入研究了相关的基本理论、模型方法和技术细节。论文的具体研究内容包括如下6个方面。     

火星表面含水矿物探测进展

火星表面含水矿物类型识别和空间分布特征研究对圈定火星表面生命活动有利区域和探索可能存在的火星生命形式具有重要科学意义。本文总结了20世纪90年代以来火星表面含水矿物的探测进展,从火星轨道器光谱仪遥感探测、着陆器和巡视器就位探测两方面介绍了矿物探测使用的数据源,重点阐述了目前火星表面已经探测到的各类含水硅酸盐矿物、硫酸盐矿物、碳酸盐矿物、氯盐及高氯酸盐矿物等含水矿物的光谱特征、矿物具体类别及分布特征,分析了火星表面含水矿物定量反演的主要方法与地质意义。最后从比较行星学角度倡议开展地球和火星含水矿物形成环境和形成过程的类比研究。     

“萤火一号”火星探测计划进展和Mars-SST火星卫星重力测量计划研究

本文回顾了国际火星探测计划的历史进程和科学意义,介绍了中国"萤火一号"火星探测计划的基本参数、发射过程、科学目标、核心载荷和关键技术,并且提出了中国将来Mars-SST火星卫星重力测量计划的实施建议:①基于探测精度较高、技术需求较少、测定速度较快、定轨要求较低、可借鉴GRACE的成功经验等优点,采用SST-LL-Doppler-VLBI系统观测模式;②先期开展高精度激光干涉星间测距仪、非保守力补偿系统等关键载荷和地面Doppler-VLBI系统的研制;③卫星轨道高度和星间距离分别设计为50～100 km和100±50 km;④先期开展仿真模拟研究。     

GPS-based precise orbit determination of the very low Earth-orbiting gravity mission GOCE

 A prerequisite for the success of future gravity missions like the European Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) is a precise orbit determination (POD). A detailed simulation study has been carried out to assess the achievable orbit accuracy based on satellite-to-satellite tracking (SST) by the US global positioning system (GPS) and in conjunction the implications for gravity field determination. An orbit accuracy at the few centimeter level seems possible, sufficient to support the GOCE gravity mission and in particular its gravity gradiometer. Received: 21 January 2000 / Accepted: 4 July 2000     

月球重力场模型发展现状及展望

探讨了月球探测多重意义及月球重力场在月球探测中的重要作用,介绍了月球重力场模型发展的历史及现状,给出了利用我国“嫦娥一号”轨道跟踪数据解算月球重力场模型。     

大范围GNSS水准与重力场模型间的系统偏差校正

大范围GNSS水准数据是评估重力场模型精度的重要独立数据源,通常大范围GNSS水准数据与地球重力场模型所对应的大地水准面不一致,导致两者间会存在系统偏差,该系统偏差会影响直接利用GNSS水准数据评估重力场模型精度的效果。本文以利用美国24 152个GNSS水准数据评估EIGEN-6C4重力场模型精度为例,提出采用分区常系统偏差校正法和四、五、七参数校正法校正两者间的系统偏差。试验结果表明,分区常系统偏差校正法和四、五、七参数校正法均可以有效校正两者间的系统偏差,系统偏差校正后,2160阶次的EIGEN-6C4模型在美国区域内的高程异常精度优于10 cm。     

A geopotential error analysis for a non planar satellite to satellite tracking mission

This study is concerned with gravity field recovery from low-low satellite to satellite range rate data. Compared against a coplanar mission an improvement is predicted in errors associated with certain parts of the geopotential by the separation of the orbital planes of the two satellites. Using Hill's equations an analytical scheme is developed to model the range rate residuals. It is flexible enough to model the residuals between pairs of satellites in the same orbital plane or whose planes are separated in right ascension. This scheme should allow the possibility of larger planar separations than previously since no small angle approximation is made. The effects of such an orientation on gravity field recovery can therefore be analysed by means of an extensive error analysis. The results of this analysis indicate that a significant improvement in the errors of the near sectorial coefficients are obtained when the satellite's orbital planes are separated. Received: 9 April 1996; Accepted: 26 September 1996     

高低卫卫跟踪模式恢复地球重力场的误差分析

基于高低卫卫跟踪的模式用积分方法分别研究轨道误差和加速度计误差对于重力场模型位系数的影响,模拟结果表明,轨道误差对于重力位系数的影响很大,5 cm精度的轨道数据至多能恢复40阶的重力位模型;加速度计的随机误差对于重力位系数的影响相对轨道误差要小得多,即使是10-7m/s2的加速度计误差引起的位系数误差比3 cm的轨道误差引起的位系数误差要小得多,加速度计的系统误差对于重力位系数的影响很大,但是采用估计的方法可以很好地削弱该项的影响。     

木星探测器Juno精密定轨分析及低阶引力场解算

随着中国深空测控技术的进步和深空探测计划的推进,木星探测计划已经进入日程,木星探测器的精密定轨和木星的引力场的解算是木星探测中的重要研究内容。首先给出了木星探测器的坐标系统和动力学模型,并利用已公布的朱诺号木星探测器精密星历数据进行验证,动力学拟合结果与参考星历的位置偏差在10 m量级,速度偏差小于6 mm/s;然后利用深空多普勒测量模型处理已经发布的朱诺号无线电测量数据进行精密定轨,结果与参考星历的差距在数百米量级;最后利用仿真数据验证引力场系数解算的可靠性,并利用朱诺号探测器4个近木点附近的实测数据解算引力场系数,得到了截至8阶的带谐项系数。