基于大倾角卫星轨道跟踪数据的月球重力场模型仿真解算

本文针对已有月球探测任务主要为极轨的特点,仿真分析了大倾角轨道卫星跟踪数据在月球重力场解算中的贡献.文中针对极轨道、77°倾角和极轨道结合77°倾角轨道三种情况各三个月的轨道跟踪数据进行了月球重力场模型仿真解算,通过重力场功率谱、基于解算模型位系数协方差矩阵的重力异常及月球大地水准面误差以及精密定轨等手段对解算模型进行...     

空间跟踪技术的发展对月球重力场模型的改进

本文基于绕月卫星跟踪技术的三种模式,即地面跟踪模式、高低跟踪模式和低低跟踪模式,将月球重力场的发展历程分为四个阶段.分别介绍了各阶段跟踪模式的主要原理、技术特点以及所获取的具有代表性的重力场模型,并对这些模型的精度特征进行了评述.进而,通过分析不同阶段重力场模型所获取的月球重力异常特征和精度、不同阶段重力场模型的定轨精度,阐明了:空间跟踪技术的进步,极大地提高了月球重力场模型的精度,并且,有效地促进了对月球物质结构特征的认识和绕月卫星定轨的可靠性.最后对月球重力场模型中尚存在的问题以及探测技术的发展前景进行了分析和展望.     

在嫦娥一号探月工程中求定月球重力场

月球重力场制约着近月外空间物体的运动,同时环月飞行器的运动也反映了月球重力场的作用. 本文结合我国嫦娥一号探月工程,探讨了利用月球卫星的地面跟踪资料,求定月球重力场的基本理论和方法,分析了环月卫星的轨道高度、地面跟踪采样时间间隔和跟踪精度等对求定月球重力场的影响. 若单独利用我国嫦娥一号探月工程的地面跟踪数据,恢复30阶次左右的月球重力场模型是一个比较实际的目标. 地面跟踪最好能以75s的时间间隔进行采样,数据连续提供时间应不少于30个昼夜,月球卫星星下点的月面轨迹间距不大于110km.     

基于新近数据的月球地形、重力场及内部构造研究进展

月球地形、重力场和内部构造不仅对于研究月球起源和发展具有重要意义,而且对月球探测器轨道的飞行控制、月球着陆器的着陆区选择也有重要的影响.本文首先回顾了月球地形观测的方法和模型,并对新近"嫦娥一号"和"Kaguya/Selene"得到的地形模型做了分析和比较.其次,讨论了新近月球重力场研究的现状,并给出了综合新近及既往数据解算重力场的方法.最后,分析了综合地形和重力场,并给出利用新近数据研究月球内部构造的进展.     

三种关于引力位及其一、二阶导数计算方法的比较与分析研究

引力位及其一、二阶导数的计算在卫星精密定轨和重力场解算等研究中有着广泛的应用.本文综合已有方法,选择了其中的3种计算方法进行比较研究,即传统Legendre方法,Cunningham直角坐标递推方法,Zhang方法.首先对3种方法重新推导整理,给出较为准确的计算公式,并采用最新月球探测器GRAIL得到的660阶次重力场模型GRGM660PRIM,从计算效率和精度角度对3种方法进行了分析比较,结果表明Zhang方法在效率和精度方面有较高优势.本文结论可为月球卫星精密定轨和重力场解算等相关研究提供重要参考.     

月球探测及月球重力场的确定

针对近年月球探测渐成热点和我国即将发射“嫦娥卫星”的状况，本文首先归纳了月球各项几何与物理特性以及月球探测的经济、科学和战略意义.然后，讨论了月球重力场在探月中的作用，并对国外月球重力场研究的发展历程、主要方法及面临的困难进行了综述.最后，结合我国“嫦娥工程”，对我国月球重力场探测的可行性，从航天运载能力、轨道跟踪手段、重力场恢复技术以及方法创新等方面进行了分析，以期为我国自主确定月球重力场模型提供参考依据.     

新53阶次月球重力场及其精细结构

月球重力场是了解月球内部结构的重要信息之一.日本SELENE卫星首次获得月球背面卫星轨道的直接探测数据并建立了更高精度的全月球重力场模型.本文根据日本公布的采样间隔为60 s、轨道高度为100 km的SELENE卫星观测资料并利用作者移植的GEODYN-II微机版本软件求解出新53阶次月球球谐场模型LG-53.经过测试表明移植后的微机版本比原始工作站版本的计算效率提高了5到10倍.理论上表明60 s采样间隔、100 km高度的轨道数据能够计算出60阶次的月球球谐系数模型,但是作者在实际计算过程中发现:在接近理论阶次(60阶次)的一系列模型中出现了平行于经线的高频噪声,且模型越接近理论阶次其噪声越高.因此本文将53阶次月球球谐系数模型LG-53作为最后的解算结果并建立各种月球重力异常场,并将其与美国GLGM-2 (70阶次)模型和利用嫦娥1号数据解算出的CEGM-01(50阶次)模型对比,发现新53阶次重力场模型LG-53在高纬度和月球背面都显示出了更高分辨率的异常特征;与美国LP165P(165阶次)模型对比发现LG-53所建立的自由空气重力异常在月球背面不存在LP165P中所出现的高频噪声.与日本90阶次SGM90d模型对比后发现新模型的精度较日本模型还有所差距.主要是由于两者参与计算的数据采样率不同所致.53阶次的模型LG-53能够反映100 km尺度的重力异常,而日本90阶次模型则可以反映60 km尺度的异常.利用新53阶次模型计算的自由空气重力异常图并结合月球地形图探讨了四种类型的Mascon重力异常特征及其地形特征.     

基于嫦娥一号卫星激光测高数据的月球数字高程模型

利用嫦娥一号激光高度计获取的800多万个有效记录点科学数据,描述了一种基于Kriging插值方法来生成空间分辨率为0.25°×0.25°全月球均匀网格的数字高程模型.即对激光高度计科学数据进行加权插值,通过引进以距离为自变量的变差函数来计算权值.因变差函数既可以反映激光测高数据的空间结构特性,又可以反应激光测高数据的随机分布特性,故采用Kriging方法插值可以得到较理想的月球高程模型.同时,基于生成的全月球数字高程模型得到了月球的汉麦尔投影、麦卡托投影、正面、反面、南极、北极等月球地形图.该模型也与国际上的月球模型Clementine、ULCN2005与CLTM-s01进行了对比.由于嫦娥一号激光测高数据达800多万个记录点,得到的月球数字高程模型的精度更高.     

联合多代卫星测高和多源重力数据的局部大地水准面精化方法

本文研究了基于泊松小波径向基函数融合多代卫星测高及多源重力数据精化大地水准面模型的方法.分别以沿轨垂线偏差和大地水准面高高差作为卫星测高观测量,研究了使用不同类型测高数据对于大地水准面建模精度的影响.针对全球潮汐模型在浅水区域及部分开阔海域精度较低的问题,引入局部潮汐模型研究了不同潮汐模型对于大地水准面的影响.数值分析表明:相比于使用沿轨垂线偏差作为测高观测量,基于沿轨大地水准面高高差解算得到的大地水准面模型的精度更高,特别是在海域区域,其精度提高了2.3cm.由于使用沿轨大地水准面高高差作为测高观测量削弱了潮汐模型长波误差的影响,采用不同潮汐模型对大地水准面解算的影响较小.总体而言,船载重力及测高观测数据在海洋重力场的确定中呈现互补性关系,联合两类重力场观测量可以提高局部重力场的建模精度.     

联合星载GPS和KBRR星间测速数据反演GRACE时变重力场模型

高精度GRACE卫星时变重力场反演一直是卫星重力测量中的难题.为了恢复高精度的时变地球重力场模型,本文联合GRACE卫星的星载GPS和KBR星间测速观测数据,在对GRACE卫星进行精密定轨的同时,解算出60阶月平均地球重力场模型.通过对GRACE卫星的定轨精度、星载GPS相位和KBR星间测速数据的拟合残差以及时变地球重力场模型解算精度等分析,表明:(1)与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)发布的约化动力学精密轨道相比,本文确定GRACE卫星轨道三维位置误差小于5 cm.(2)星载GPS相位数据拟合残差为5~8 mm,KBR星间测速数据拟合残差为0.18~0.30μm·s~(-1).(3)解算的月平均重力场模型与美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)、德国地学研究中心(GFZ)和JPL发布的RL05模型精度接近,时变信号在全球范围内具有很好的空间分布一致性.通过计算亚马逊流域和长江流域的水储量变化,本文与上述三个机构的计算结果无明显差异,且相关系数均达0.9以上.可见,本文建立的卫星轨道与重力场同解算法具有反演高精度GRACE时变重力场能力,为我国卫星重力场反演提供了重要的技术支持.     

重力场恢复中的基于星载GPS的低轨卫星简化动力学定轨方法研究

低轨重力卫星轨道的精确确定是获得精密地球重力场模型的前提, 而精密重力场模型又是获得高精度定轨结果的保证.本文简述了利用卫星重力方法恢复地球重力场及简化动力学方法确定低轨卫星轨道的数学模型，并简单分析和比较现有的几种重力场模型.用CHAMP实测数据，结合现有的重力场模型，系统分析、研究了不同阶次、不同重力场模型对低轨卫星定轨精度的影响；研究了不同间隔的随机速度脉冲在简化动力学方法中对模型误差的吸收、调节作用.计算结果表明，在定轨中，选择合理阶数的、较精确的重力场模型及合理间隔的随机脉冲参数，不但可以提高计算效率，更能提高定轨精度.     

基于绕月单卫星和双星测量的月球重力场恢复仿真分析

月球重力场是月球科学研究的重要部分，是进一步了解月球内部结构和构造的基础，也是我国探月计划“嫦娥工程”一个重要的科学研究内容.本文针对“嫦娥工程”，利用GSFC/NASA/USA的GEODYNII/SOLVE轨道分析软件，分析计算了利用单星跟踪数据恢复月球重力场的能力，同时模拟计算了双星跟踪数据在恢复月球重力场方面的能力，结合可能的工程环境我们对两种情况分别给出了30天、60天和90天的计算结果.计算表明双星相比于单星对月球重力场的中低阶位系数有比较显著的改善.     

利用SWARM卫星高低跟踪探测格陵兰岛时变重力信号

GRACE重力卫星任务即将结束,后续GRACE Follow-On卫星计划于2017年发射,在此期间,迫切需要一个新的卫星计划继续对全球时变重力场进行连续监测,以保证时变重力场信息时间序列的连贯性.SWARM计划包括三颗轨道高为300~500 km的近极轨卫星星座,类似于三颗CHAMP卫星,具有接替时变重力场探测的潜力.本文首先分析SWARM(模拟)、CHAMP、GRACE反演至60阶时变重力场球谐系数的误差特性及不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,然后分别利用SWARM、CHAMP、GRACE的时变重力场模型恢复全球质量变化,结果表明,SWARM模拟观测数据的高频误差低于CHAMP观测数据,探测时变重力场的整体精度优于CHAMP,略低于GRACE探测精度;其次,对比2003年1月—2009年12月期间CHAMP(hl-SST)和GRACE(ll-SST)时变重力场模型反演格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果显示,CHAMP数据得到格陵兰岛冰盖质量变化趋势为-50.2±2.0 Gt/a,GRACE所得结果为-41.2±1.6 Gt/a,两者相差21.8%;最后,对比2000年1月—2004年12月间SWARM模拟数据和"真实"模型数据反演的格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果表明,两者相差19.2%.本文研究表明,利用SWARM hl-SST数据探测时变重力场可以达到20%相对精度水平,有潜力用于填补GRACE和GRACE Follow-On期间探测地球时变重力场的空白.     

基于星载GPS的HY-2卫星高精度精密定轨模拟研究(英文)

HY-2卫星是我国第一颗测高卫星,其径向定轨精度要求厘米量级,搭载了星载GPS接收机。目前HY-2还处于测试阶段,没有公布观测数据。为了确定基于星载GPS的HY-2精密定轨流程及其定轨精度,本文模拟了HY-2卫星星载GPS观测数据,结果表明HY-2星载GPS天线每个历元至少观测7颗GPS卫星。给出了基于星载GPS的精密定轨流程,分别采用简化动力学方法和动态几何法进行了精密定轨实验。对于相位1mm和3mm随机误差的相位观测数据,简化动力学法和动态几何法定轨都能够实现厘米量级的径向精密定轨,几何法定轨精度略低于简化动力定轨。地球重力场模型是影响HY-2卫星精密定轨的重要因素,本文对不同阶次的重力场模型EIGEN2、EGM96、TEG4和GEMT3进行了简化动力学定轨实验,高于50阶次的重力场模型都能够实现厘米级径向精密定轨,主要原因在于大量的高精度星载GPS观测数据和重力场模型精度的提高。     

基于"嫦娥一号"激光测高数据的月球极区光照条件研究

月球极区光照模型为研究月球车着陆点选择和水冰存在的探测提供了依据.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数字高程模型(DEM),特别是在月球两极地区,地形细节清晰可见,为极区光照模型的建立提供了精确的数据基础.本文通过由测高数据建立的DEM和月球轨道参数相结合,采用地形最大高度角法,对月球极区的光照条件及其应用进行了研究和分析.光照率的计算周期为19年,考虑了黄道和白道交点进动的影响(18.6年).计算结果表明:(1)未发现有持续光照区;(2)有长久阴影区存在;(3)在南极或北极的夏季,撞击坑边沿高地处可以享受到连续的光照;(4)Shackleton撞击坑可以作为月球车着陆的首选目标之一.     

先验光压模型对Galileo卫星产品性能的影响分析

光压模型的精确与否对导航卫星的定轨精度起着至关重要的影响.为了分析先验光压模型对Galileo卫星轨道和钟差解算精度的影响,本文利用Galileo/GPS联合数据处理策略对比了先验光压模型加入前后,IOV(In Orbit Validation)卫星和FOC(Full Operational Capability)卫星轨道和钟差解算精度的改善情况.结果显示,先验光压模型对IOV卫星定轨精度改善显著,尤其表现在径向方向,与COM轨道产品比较,定轨精度为1.6 cm,改善率达到68.6%;先验光压模型对FOC卫星定轨精度的改善效果不如IOV卫星,但同样提高了FOC卫星的定轨精度,与COM轨道产品比较,径向定轨精度2.6 cm,改善率为29.7%.此外,先验光压模型也显著改善了IOV卫星和FOC卫星钟差解算的STD结果,与COM钟差产品比较,改善率分别为44%和37%.     

顾及多方向观测值权比反演地球重力场的动力积分法

考虑到不同坐标系下各个方向观测值对反演地球重力场的频谱贡献不同,建立了顾及多方向观测值权比的动力积分法,并利用该方法反演了高精度的GOCE HL-SST卫星重力场模型.首先,分析了不同坐标系下各个方向观测值与地球重力场信息的响应关系,其中惯性系(IRF)下X、Z方向的观测值分别对扇谐系数、带谐系数最为敏感,Z方向的解算精度在全频段均略高于X、Y方向;地固系(EFRF)下各个方向的独立解算精度均与能量守恒法的解算精度相当;局部指北坐标系(LNOF)下X、Z和Y三个方向的解算精度依次递减,且Y方向在47阶附近有明显"驼峰"现象.其次,比较了不同坐标系下顾及三个方向观测值权比的加权解算模型,其中加权联合解算模型精度在20至70阶次均明显优于等权解算模型,在带谐项和共振阶次精度提升明显,且LNOF下的加权联合解算精度要优于IRF和EFRF.最后,比较了GOCE和CHAMP卫星的模型解算精度,采用本文计算方法,仅利用2个月GOCE轨道观测值解算的模型精度优于包含更长观测时段信息的AIUB-CHAMP01S和EIGEN-CHAMP03S模型,且略优于ASU-GOCE-2months模型.     

月球重力场对月球内部结构研究的作用

月球是人类深空探测的首要目标,而月球的内部结构则是我们了解月球与地月系形成与演化的重要窗口.相比于其他物理场,月球重力场模型具有全球均匀覆盖、精度和分辨率持续提高的特点,在月球内部结构研究中扮演着重要作用.本文对月球重力场在月球内部结构研究中发挥的作用进行了论述,包括月壳、月幔以及月核,其中重点介绍了高阶次重力场模型对...     

利用视线加速度数据恢复月球近区重力异常的研究

本文阐述了利用分步最小二乘方法拟合视线加速度来确定月球重力异常的原理和计算步骤,并利用"Lunar Prospector"扩展任务实测的视线方向加速度数据计算了月球近区的重力异常.最后将计算结果和现今最高阶次的月球重力场模型LP165进行了比较和分析,得出标准差在纬度-75°～75°范围内为±27.354 mGal,75°～85°和-85°～-75°范围内为±61.965 mGal的精度,从而验证了该解算方法的可行性和可靠性.     

嫦娥一号图像数据处理与全月球影像制图

“中国首次月球探测工程全月球影像图”是我国第一幅覆盖月球的遥感影像图, 将成为嫦娥工程后期探测和月球科学研究的重要基础图件. 详细介绍了嫦娥一号CCD图像数据的获取、数据特点和数据质量, 描述了图像数据的处理方法和流程, 按制图规范对图像数据进行了镶嵌拼接和处理, 制作了覆盖全月球的1:250万比例尺影像图, 并进行了影像图的定位精度分析. 数据处理和制图结果表明, 嫦娥一号CCD数据及其定位精度能够满足1:250万比例尺的制图要求, 制作的“中国首次月球探测工程全月球影像图”, 其相对定位精度优于240 m, 平面定位精度约为100 m~1.5 km, 定位精度略好于2005联合控制网(ULCN2005)和克莱门汀基础地图(2.0版); 对所有像元进行了逐一光度校正, 大大改善了全球图像的一致性, 是目前覆盖最全、图像质量最好、定位精度最高的全月球影像图.