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。     

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。     

利用单向多普勒确定“天问一号”轨道

“天问一号”任务中,单向多普勒轨道确定在我国深空探测任务中得到首次实际应用。本文提出了基于单向多普勒的“天问一号”轨道确定方法。首先对单向多普勒进行观测建模和误差理论分析,然后利用“天问一号”中继轨道段的单向多普勒进行定轨计算,最后使用定轨结果与基准轨道的星历进行比较及重叠弧段轨道比较两种方法,分析仅利用单向多普勒的定轨精度,验证了单向多普勒的定轨能力。分析表明,星载频率源的不稳定和太阳相位闪烁噪声是影响单向多普勒测速精度的主要误差源,“天问一号”中继轨道段,仅利用单向多普勒数据可以实现优于1 km的定轨精度,这为未来我国更遥远的深空探测任务实施提供了重要技术存储。     

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。     

重力场模型对Swarm卫星精密定轨的影响分析

采用星载GPS观测数据与简化动力学定轨方法,在方程中引入伪随机脉冲参数,从而实现对Swarm卫星的精密定轨. 详细分析了不同阶次的GOCO06s地球重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨精度的影响,对比了PGM2000a、EIGEN-2、EGM2008以及GECO重力场模型展开到100阶次时Swarm卫星解算的轨道精度. 结果表明:当GOCO06s地球重力场模型阶次处于30～100阶次时,Swarm-A、Swarm-B和Swarm-C卫星在径向、切向、法向上的定轨精度随着GOCO06s阶次的不断增加而越来越高,而在高于100阶次时,定轨精度基本稳定,且在各方向定轨精度优于3 cm. 此外,采用100阶次GECO、EGM2008和GOCO06s模型对三颗Swarm卫星进行定轨,解算的轨道精度相当,且要高于同阶次其他重力场模型的定轨结果.      

利用GOCE模拟观测反演重力场的Torus法

在介绍Torus方法反演地球重力场模型的基本原理和方法的基础上,基于圆环面上均匀分布的卫星引力梯度模拟观测值解算了200阶次的地球重力场模型,在无误差情况下,Torus方法解算模型的阶误差RMS小于10-16,验证了该方法的严密性。利用61dGOCE卫星轨道上无误差的模拟引力梯度观测值解算了200阶次的地球重力场模型,分析了格网化误差、极空白对解算精度的影响,迭代3次后,在不考虑低次系数情况下,模型的大地水准面阶误差和累积误差均较小,最大值仅为0.022mm和0.099mm。在沿轨卫星引力梯度模拟数据中加入5mE/Hz1/2的白噪声,基于Torus方法和空域最小二乘法解算了200阶次的地球重力场模型,Torus方法的精度略低于空域最小二乘法的精度,在不考虑低次项的情况下,两种方法解算模型的大地水准面阶误差最大值分别为1.58cm和1.45cm,累积误差最大值分别为6.37cm和5.55cm。但由于采用了二维快速傅里叶技术和块对角最小二乘法,极大地提高了计算效率。本文数值结果说明Torus方法是一种独立有效的方法,可用于GOCE任务海量卫星引力梯度观测值反演重力场的快速解算。     

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。     

同波束VLBI测量下的天问一号火星车定位及精度分析

针对中国天问一号火星探测任务中的火星车定位问题,进行了相关方法的研究和精度分析。根据现有测控条件,考虑到火星车无地面测距数据,提出了利用轨道器和火星车的同波束甚长基线干涉测量（same-beam very long baseline interferometry,SBI）数据对火星车进行定位的方法。由于利用SBI联合轨道器测距数据无法在定轨定位的同时解算差分相时延模糊度,分析了在固定轨道器的轨道情况下,仅利用SBI数据进行火星车定位。结果表明,火星车定位误差随着轨道器的轨道精度提高而减小,如果轨道器的轨道精度从1 km提升到100 m或10 m,6 h SBI数据可以将火星车定位精度提高到数百米,同时,增加数据弧段可进一步提高定位精度,当对着陆器高程方向进行约束时,定位精度会有明显改善。     

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。     

行星际深空探测中双程测速的高精度计算方法

对于行星际深空探测（距地球1亿km以上）任务,由于受到计算机字长的限制,传统双程测速模型的计算精度无法满足高精度定轨的需要,其最大误差源于多普勒频移周计数终点和始点上行几何距离之间和下行几何距离之间差分值的计算过程。对此建立行星际双程测速模型,高精度地计算了两个差分值,推导模型的计算公式并给出详细步骤,同时给出计算过程中需要的切比雪夫差分多项式递推公式的形式。将该模型在深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统（Wuhan University deep-space orbit determination and gravity recovery system,WUDOGS）中进行了实现,并以欧空局火星快车号（Mars express,MEX）探测任务为背景,利用该软件进行仿真测试,从计算精度和定轨结果两个方面验证该模型的优越性。结果表明,该模型将双程测速的计算值在计算机中表达的精度提高2个数量级,同时避免了定轨过程中引入额外的数值误差,可以为后续高精度的行星际深空探测任务的定轨提供参考。     

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。     

小型化LEO星座与BDS-3全星座联合定轨仿真

受限于区域监测站及地球静止轨道(geosynchronous earth orbit,GEO)卫星的静地特性,北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)定轨精度较差,加入低轨卫星(low earth orbit,LEO)星载数据可显著提升定轨精度.使用一种由24颗L...     

利用残差地形模型空域法精化局部地球重力场

陆地高分辨率重力数据是超高阶重力场模型及其应用研究的基础,但现有的观测技术和手段限制了陆地重力测量的覆盖区域,全球仍有大量的重力测量空白地区.采用残差地形模型空域法,利用高通滤波技术提取航天飞机雷达地形测绘任务(shuttle radar topography mission,SRTM)分辨率3"×3"的V4.1数据短...     

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。     

Lunar gravity field determination using SELENE same-beam differential VLBI tracking data

A lunar gravity field model up to degree and order 100 in spherical harmonics, named SGM100i, has been determined from SELENE and historical tracking data, with an emphasis on using same-beam S-band differential VLBI data obtained in the SELENE mission between January 2008 and February 2009. Orbit consistency throughout the entire mission period of SELENE as determined from orbit overlaps for the two sub-satellites of SELENE involved in the VLBI tracking improved consistently from several hundreds of metres to several tens of metres by including differential VLBI data. Through orbits that are better determined, the gravity field model is also improved by including these data. Orbit determination performance for the new model shows improvements over earlier 100th degree and order models, especially for edge-on orbits over the deep far side. Lunar Prospector orbit determination shows an improvement of orbit consistency from 1-day predictions for 2-day arcs of 6 m in a total sense, with most improvement in the along and cross-track directions. Data fit for the types and satellites involved is also improved. Formal errors for the lower degrees are smaller, and the new model also shows increased correlations with topography over the far side. The estimated value for the lunar GM for this model equals 4902.80080±0.0009 km³/s² (10 sigma). The lunar degree 2 potential Love number k ₂ was also estimated, and has a value of 0.0255 ± 0.0016 (10 sigma as well).     

Applications of an orbiting gravity gradiometer

Considering present attempts to develop a gradiometer with an accuracy between 10⁻³ E and 10⁻⁴ E, two applications for such a device have been studied: (a) mapping the gravitational field of the Earth, and (b) estimating the geocentric distance of a satellite carrying the instrument. Given a certain power spectrum for the signal and 10⁻⁴ E (rms) of white measurement noise, the results of an error analysis indicate that a six-month mission in polar orbit at a height of 200 km, with samples taken every three seconds, should provide data for estimating the spherical harmonic potential coefficients up to degree and order 300 with less than 50% error, and improve the coefficients through degree 30 by up to four orders of magnitude compared to existing models. A simulation study based on numerical orbit integrations suggests that a simple adjustment of the initial conditions based on gradiometer data could produce orbits where the geocentric distance is accurate to 10 cm or better, provided the orbits are 2000 km high and some improvement in the gravity field up to degree 30 is first achieved. In this sense, the gravity-mapping capability of the gradiometer complements its use in orbit refinement. This idea can be of use in determining orbits for satellite altimetry. Furthermore, by tracking the gradiometer-carrying spacecraft when it passes nearly above a terrestrial station, the geocentric distance of this station can also be estimated to about one decimeter accuracy. This principle could be used in combination with VLBI and other modern methods to set up a world-wide 3-D network of high accuracy.     

小行星光学定轨软件研制和数据处理分析

结合中国航天局2019-04-19拟定的第1个小行星探测任务规划,针对任务目标之一的主带彗星133P/ElstPizarro(7968)自主研制了小行星光学定轨软件。使用1979-07-24—2019-10-28发布的133P/Elst-Pizarro地面光学观测数据进行精密定轨,与国际知名小行星光学定轨软件OrbFit进行对比分析。对比发现,解算结果残差分布一致,两软件生成的残差均方根的差值小于0.01″,定轨的内符合精度相互吻合。该结果初步表明,自主研制的小行星光学定轨程序可靠。在此基础上,对133P/Elst-Pizarro开展光学数据仿真定轨分析,研究地面光学数据的定轨精度。结果表明,模拟中国云南站和智利站每月一次联测,在只考虑观测噪声影响的情况下,添加接近目前实际观测水平的高斯白噪声,使用20 a光学观测资料定轨,小行星光学定轨精度在50 km量级。同时验证,增加观测数据或降低观测噪声均可有效提高小行星光学定轨精度。     

水文气象因素对中国北疆流动重力变化的影响

水文气象因素引起的重力变化是影响地震重力变化成果解释的重要因素。以中国北疆地区为研究区域,借助全球陆地数据同化系统（global land data assimilation systems,GLDAS）全球水文模型数据、大气模型数据,计算2016-01—2017-12时段内水文气象因素对研究区域的重力影响。计算结果表明,陆地水影响的年变化为1.3 μGal,两期陆地水影响空间分布的差异低于1 μGal;大气影响的年变化为8 μGal,两期大气影响空间分布的差异达到6 μGal。利用2016-04、2016-08和2017-06三期流动重力测量数据,对比扣除水文气象因素前后的重力变化,可以看出,在中国北疆流动重力数据处理中,大尺度水文因素可以不予考虑,气象因素应予考虑。同时,为更好分析流动重力变化,建议流动重力测量过程中同时开展测点附近的土壤湿度、大气气压等观测。