绕月飞行器近圆形轨道演化的数值分析

利用GSFC/NASA/USA的GEODYNⅡ软件,并引入JPL/NASA/USA最新的165×165阶次的月球重力场模型LP165P,通过对该模型进行截断,仿真计算了不同阶次的月球重力场模型对轨道演化的影响,在相同的重力场模型下,计算了不同轨道高度、不同倾角和不同轨道偏心率的轨道演化情况。大量的仿真计算表明,高倾角、圆轨道的中低轨(150 km或200 km)绕月飞行器具有相对稳定的轨道演化特征,在不进行任何调整的情况下,其轨道持续运行时间超过1 a。同时计算表明,轨道积分过程中可以截断月球重力场模型至100阶次而不损失精度。     

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。     

月球重力场模型GL0660B特征分析及其对绕月卫星轨道的影响

月球重力场可用来研究月球演化过程和内部结构,是影响绕月卫星精密定轨的重要因素。基于GRAIL任务数据解算的GL0660B重力场模型,极大提高了月球重力场空间频谱信号的强度和范围。本文首先通过计算相应重力场的阶方差和地形相关性分析,对GL0660B模型进行了精度分析;其次,利用GL0660B模型和其他几个月球重力场模型进行比较,对月球重力场的特征进行了分析;然后通过绘制GL0660B模型和LP150Q模型在月球外部不同高度处的重力异常图,分析比较了月球重力场模型在不同高度上所反映的月球重力场的特征和差异;最后,利用GEODYN软件模拟计算了不同高度卫星的轨道变化。可以看出绕月卫星离心率随时间的变化,以及周期性变化趋势,而且不同高度卫星轨道处质量瘤的摄动影响不同,远月点、近月点和偏心率的变化也存在差异。     

基于MGS测图段部分弧段的精密定轨及火星重力场模型解算

火星探测器精密定轨关联到火星探测任务的成功实施并为其科学目标的顺利完成提供保障,火星重力场研究除了为精密定轨服务外,还是进行火星内部结构、火星表面质量迁移及火星形成和演化的重要约束条件。基于火星探测器精密定轨及火星重力场研究的重要意义,本文利用MGS（Mars Global Surveyor）测图任务阶段近两个月的轨道跟踪数据进行了解算分析,对精密定轨结果进行了精度评价。在此基础上,进行了火星重力场模型解算,通过轨道残差、火星自由空气重力异常等方式对解算模型进行了精度评价,结果表明解算模型合理。这一研究为我国即将发射的火星探测计划“萤火一号”轨道跟踪数据用于火星重力场研究打下了基础。     

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。     

利用不同月球重力场模型分析嫦娥三号定轨精度

利用最新的月球重力场模型GL0660b对嫦娥三号探测器定轨的影响进行分析,并与LP150Q和SGM150模型进行了比较。首先计算了三个重力场模型的功率谱,分析了系数阶方差和误差阶方差的性质,GL0660b大大提升了月球重力场模型的阶数和解算精度;然后讨论了各模型在月球外部空间不同高度处截断到不同阶次的重力异常分布。利用这三个重力场模型对嫦娥三号环月期间的轨道进行解算,计算结果表明,利用GL0660b模型截断至150阶次,100km×100km轨道重叠弧段精度约为22m,和LP150Q,SGM150全阶次模型精度相当;对于100km×15km轨道,GL0660b模型截断至360阶次,重叠弧段精度约为21m,优于LP150Q和SGM150计算结果。     

新近月球重力场模型的比较与分析

针对以往和新近高阶月球重力场模型,利用多种方式分析和比较了不同重力场模型的功率谱和自由空气重力异常,仿真计算了不同高度、不同倾角、不同重力场模型对探月卫星轨道演化的影响。所有重力场模型对近极轨卫星轨道的影响相同,均适用于近极轨卫星的精密定轨。CEGM02、SGM100h、SGM150较适用于非极轨绕月卫星的精密定轨。未来探月活动可以考虑发射非极轨卫星,进一步完善月球重力场模型。在月球重力场全球模型的基础上,使用局部球谐函数方法,可以对局部重力场进行补充,以完善全球重力场模型。     

面向精密位置服务的低轨卫星轨道预报精度分析EI北大核心CSCD

LEO卫星精密轨道预报是LEO导航增强系统中重要的技术环节之一,本文使用多种算法来实现不同任务需求下的轨道预报。对于在地面处理系统实现的LEO轨道预报,算法1采用定轨预报同时处理的策略,算法2将离散轨道点进行动力学拟合再进行积分外推。GRACE-C卫星预报5、10、15 min的URE平均精度分别为5.25、5.67、6.25 cm;HY2A卫星为7.83、8.69、9.66 cm;SWARM-A卫星为8.88、9.22、9.63 cm;SWARM-B卫星为8.49、8.98、9.63 cm。对于计算条件受限的LEO星上轨道预报,本文利用单个轨道点及简单动力学模型进行轨道积分外推的算法。该算法主要考虑地球中心引力及非球形引力摄动,因此地球重力场阶次对轨道预报精度产生较大影响。平均高度为500 km的LEO卫星选取60阶重力场,高度为1000 km的LEO卫星选取30阶重力场,可实现预报10 min轨道优于10 cm的预报精度。     

我国火星探测器遥控跟踪网效率分析

火星探测一直是深空探测的热点问题.根据我国火星探测器"萤火一号"在发射过程中所经历的不同轨道高度,研究我国遥控跟踪网对其的覆盖区域.另外,选取一组具体的火星探测器的轨道参数,研究我国观测网对该探测器的遥控跟踪效率,并给出结果.     

月球重力场模型质量及可靠性的分析评定

月球重力场模型球谐函数展开式的核心是一组正常化位系数。介绍了当前几种主要月球重力场模型建立所采用的探测器跟踪数据的特点;分析了重力场信号随模型轨道高度、阶次变化的特性。同时以考拉（Kaula）准则为标准比较了各模型位系数的阶方差曲线与考拉曲线的吻合情况。从信噪比的角度出发,提出了对模型进行可靠性分析的方法。通过计算对比各模型的信噪比来反映其空间频谱信号和频谱误差的强度关系,从而对模型质量和可靠性做出分析评定。     

重力异常阶方差模型精度及其截断误差分析

在评估重力场模型计算空间扰动引力精度时,对模型截断误差常采用阶方差方法。文中将6种经典的重力异常阶方差模型与现有超高阶重力场模型的阶方差进行比较,TSD模型与重力场模型的差值最小。根据重力异常阶方差模型TSD,文中分析不同高度、不同阶次利用重力场模型计算空中扰动引力时截断误差的影响。实验结果表明:36阶模型截断误差最大径向和水平方向分别为26.455 1mGal、25.946 3mGal;360阶模型截断误差最大径向和水平方向分别为9.969 0mGal、9.960 9 mGal;2160阶模型截断误差最大径向和水平方向分别为2.538 5 mGal、2.538 1mGal;2160阶模型计算空中扰动引力时,即使在低空附近,截断误差在2.5mGal以内,计算高度超过5km,截断误差可以忽略;超过400km的高度,都可以用36阶模型计算,截断误差在1mGal以内。     

空域最小二乘法用于重力卫星误差分析

重力测量卫星性能不仅与轨道参数、载荷误差、数据分辨率等因素密切相关，也与反演算法有关。传统的分析方法如动力学法、短弧法等用于误差分析，不可避免将算法误差引入分析结果，使得分析结论确定性不足。为解决这一问题，提出了空域最小二乘分析法，用空域格网重力扰动数据替代重力卫星载荷数据反演地球重力场，有效避免了算法误差对于分析结果的影响。分析结果表明，重力卫星在500 km轨道高度、一次数据覆盖条件下，测量重力场最高阶数约为240阶，载荷误差为1×10-10 m·s-2·Hz-1/2水平时，测量重力场最高阶数为136阶，其累积重力异常误差为2.7 mGal，累积大地水准面误差为14 cm。要达到最优测量能力，轨道倾角通常不小于89°。为减小地球引力高频信号对于地球重力场低阶位系数估计值的影响，估计位系数最高阶数需大于240阶。     

月球重力场模型质量及可靠性的分析评定

月球重力场模型球谐函数展开式的核心是一组正常化位系数。介绍了当前几种主要月球重力场模型建立所采用的探测器跟踪数据的特点;分析了重力场信号随模型轨道高度、阶次变化的特性。同时以考拉(Kau la)准则为标准比较了各模型位系数的阶方差曲线与考拉曲线的吻合情况。从信噪比的角度出发,提出了对模型进行可靠性分析的方法。通过计算对比各模型的信噪比来反映其空间频谱信号和频谱误差的强度关系,从而对模型质量和可靠性做出分析评定。     

利用谱分析法估计GRACE Follow-On地球重力场的空间分辨率

利用轨道扰动引力谱和大地水准面累计误差谱分析的方法估计未来GRACE(gravity recovery and climateexperiment)Follow-On卫星反演地球重力场的空间分辨率。基于GRACE Follow-On卫星的轨道特性,计算其在高空所受到的径向扰动引力,并根据谱特性及星载加速度计的测量噪声水平分析该卫星能反演重力场的阶数。利用EGM96重力场模型分别计算200 km和250 km轨道高度处的扰动引力谱。分析其特性表明:在两个轨道高度处分别能反演281阶和242阶的地球重力场模型。给出大地水准面累计误差谱模型,并计算200 km和250 km轨道高度处大地水准面累计误差谱。分析其谱特性表明:在两个轨道高度处分别能反演至286阶和228阶的地球重力场模型。     

利用形状模型进行火卫一高阶重力场建模

火卫一重力场对探测器的轨道设计及在星体表面着陆等任务而言极其重要。由于缺少探测器轨道跟踪数据,利用形状模型正演计算了火卫一高至80阶次的高阶重力场模型。介绍了基于火卫一形状模型计算引力位的边长法、面积法和体积法3种方法。在计算过程中,将多面体模型所在参考系由行星体固坐标系转换为以质心为原点、坐标轴与主惯性轴重合的坐标系。所计算引力位在45～56 m~2/s~2范围间变化,整体分布呈现条带状变化,且在Stickney陨石坑附近出现极大值。解算得到相对于x、y、z轴的惯性矩分别为0.355 45、0.418 10和0.491 34,C_(20)项为-0.029 395 4, C_(22)项为0.015 254。通过比较20阶、50阶、80阶重力场所计算的加速度,得出高阶重力场系数对加速度有明显影响的结论。     

Estimation of the Resolution of Earth＇s Gravity Field for GRACE Follow-On Using the Spectrum Method

利用轨道扰动引力谱和大地水准面累计误差谱分析的方法估计未来GRACE（gravity recovery and climate experimenl）Follow—On卫星反演地球重力场的空间分辨率。基于GRACEFollow—On卫星的轨道特性,计算其在高空所受到的径向扰动引力,并根据谱特性及星载加速度计的测量噪声水平分析该卫星能反演重力场的阶数。利用EGM96重力场模型分别计算200km和250km轨道高度处的扰动引力谱。分析其特性表明：在两个轨道高度处分别能反演281阶和242阶的地球重力场模型。给出大地水准面累计误差谱模型,并计算200km和250km轨道高度处大地水准面累计误差谱。分析其谱特性表明：在两个轨道高度处分别能反演至286阶和228阶的地球重力场模型。     

基于超高阶重力场模型阶方差的截断误差分析

针对利用重力场模型方法计算地球外空间扰动引力的精度时,模型截断误差是主要的影响因素这一问题,该文利用重力场模型阶方差分析地球外部空间扰动引力截断误差,并与用重力异常阶方差Rapp模型进行比较。实验结果表明:在低阶低空部分,Rapp模型与实际重力异常阶方差相差最大,达到17.125 3mGal;重力场模型计算扰动引力与计算点高度有着密切联系,截断误差的大小随着高度的增加迅速衰减;当计算高度为0.2km时,使用36阶的模型计算扰动引力,截断误差达到25.957 8mGal;当计算高度超过400km时,即使用36阶模型,截断误差也可以控制在1.5mGal内。     

基于能量守恒的星间距离变率与地球重力场频谱关系的建立与分析

基于能量守恒原理,建立了SST-ll星间距离变率观测噪声谱与重力场误差谱的关系,以GRACE相关指标模拟分析了卫星间距、卫星高度和距离变率精度对恢复地球重力场的影响.结果表明,增大卫星间距可提高恢复低阶次位系数的精度,卫星间距超过500 km对提高恢复重力场精度的作用已不明显;降低轨道高度可提高恢复高阶次位系数的精度,卫星高度每降低100 km,恢复位系数的有效阶次提高20阶以上;提高星间距离变率精度可大幅度提高恢复重力场的精度,距离变率精度每提高一个量级,恢复位系数的有效阶次提高约28阶.将模拟结果与GGM02S和EIGEN-GRACE02S模型进行比较,初步验证了本文方法的可行性.     

高精度海岸带重力似大地水准面的若干问题讨论

针对海岸带多源重力数据和地形特点,通过理论分析和试算,对若干影响cm级似大地水准面确定的关键问题进行了剖析,得出了一些有益的结论。我国海岸带Molodensky一阶项对高程异常的贡献在10～30cm,需在Molodensky框架中精化重力似大地水准面;精细处理地形影响是提升多源重力场数据处理水平的重要途径;地球外空间不同高度、任意类型重力场参数的地形影响、地形补偿和地形Helmert凝聚算法可以统一;重力场数据处理中大地测量基准不一致的影响会随数据处理算法的不同而变化,在多源重力数据处理时此类影响易变得不可预测和控制;将地形Helmert凝聚理论引入Molodensky框架,可以解决以其他重力场参数(如扰动重力、垂线偏差等)为边界条件的似大地水准面精化问题。     

高精度海岸带重力似大地水准面的若干问题讨论

本文针对海岸带多源重力数据和地形特点,通过理论分析和试算,对若干影响厘米级似大地水准面确定的关键问题进行了剖析,得出一些有益的结论。我国海岸带Molodensky一阶项对高程异常的贡献在10～30cm,需在Molodensky框架中精化重力似大地水准面;精细处理地形影响是提升多源重力场数据处理水平的重要途径;地球外空间不同高度、任意类型重力场参数的地形影响、地形补偿和地形Helmert凝聚算法可以统一;重力场数据处理中大地测量基准不一致的影响会随数据处理算法的不同而变化,在多源重力数据处理时此类影响易变得不可预测和控制;将地形Helmert凝聚理论引入Molodensky框架,可以解决以其他重力场参数（如扰动重力、垂线偏差等）为边界条件的似大地水准面精化问题。