小行星引力场综述

近年来小行星探测已成为各航天大国的热点,小行星引力场对研究其内部结构、组成成分、早期演化和探测器轨道设计、着陆等方面有着极其重要的作用.随着小行星探测数据的不断更新、探测任务的增多和观测技术改进,针对小行星引力场的研究也在不断增多并产生新的进展.目前获取小行星引力场的方法主要为利用探测器飞掠过程中得到的轨道跟踪数据反演引力场及根据小行星形状模型正演引力场两种方法.本文对这两种方法进行介绍,通过回顾几个取得较大进展的小行星探测任务,综述截至目前小行星引力场模型的发展现状,分析各个研究模型的优缺点,并对小行星引力场的发展进行展望.     

虚拟压缩恢复法在向下延拓问题中的应用

阐述了基于虚拟压缩恢复法的重力场向下延拓,构造了点质量处于内部球内部、内部球外部和在内部球内外各有一个点质量三种点质量异常模型,试验结果支持基于虚拟压缩恢复法的向下延拓。     

月球重力场的确定及构建我国自主月球重力场模型的方案研究

对绕月卫星的运动规律以动力学方程的形式进行了描述，并讨论了绕月卫星定轨中动力法和几何法的适用性以及通过定轨观测获取月球重力场模型的计算方式和优化算法’在归纳月球重力场确定的技术流程的基础上。针对月球背面绕月卫星摄动无法观测的困难，分析了目前所能采取的各种处理办法及其特征。结合我国即将发射的“嫦娥卫星”装备有激光测高计这一特点，提出将月球表面地形与月球重力场之间的强相关性作为约束来确定我国自主重力场模型的设想。     

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。     

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.     

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.     

基于"嫦娥一号"跟踪数据的月球重力场模型CEGM-01

本文介绍了"嫦娥一号"月球探测卫星轨道跟踪数据的特征,简要阐述了基于动力法精密定轨解算月球重力场模型的原理及策略.在"嫦娥一号"测控数据精度和覆盖均有限的条件下,独立使用"嫦娥一号"月球探测器6个月的在轨运行双程测距测速跟踪数据,成功得到了50阶次月球重力场模型CEGM-01.通过多种方式,如重力场模型频谱特性、实测数据定轨残差、月球重力异常特征、与地形的相关性及导纳值,对解算得到的CEGM-01月球重力场模型进行了精度评价,分析了相应的物理特性和效果.结果表明了CEGM-01解算过程的有效合理.在此基础上展望了我国月球重力场探测未来可能的发展方向.     

中国南海地区重力剥离对莫霍面反演的影响分析

确定更为精细的中国南海地区莫霍面对认识该地区内部结构、形成机制及相关动力学问题具有重要意义.重力剥离的精度直接影响莫霍面反演结果的质量.本文将由XGM2019e解算的自由空气重力扰动进行地形水深、沉积层、固体地壳密度异常和岩石圈热膨胀重力剥离,提取出莫霍面重力扰动,结合线性回归法和地震资料估计反演参数,并采用直接迭代法反演南海莫霍面模型,最后利用地震资料对反演结果进行精度评定.研究结果表明：仅顾及地形水深重力剥离的莫霍面反演结果整体精度较高,为1.94 km;在沉积物较厚的陆坡盆地,忽略沉积层的影响可使莫霍面最大加深6.30 km,但在沉积物较薄的南海海盆,考虑沉积层重力剥离会降低反演精度;利用CRUST1.0进行固体地壳重力剥离会使反演结果的精度降低0.22 km,表明CRUST1.0在南海地区并不准确;热膨胀重力剥离对反演精度的影响不大,但若忽略该效应,可能会高估洋壳区的莫霍面深度．针对南海重力莫霍面研究,笔者建议:若无精细地壳资料,忽略固体地壳重力剥离;若主要关注南海海盆可忽略沉积层的影响,但应考虑热膨胀重力剥离;若研究区覆盖沉积盆地,则应考虑沉积层重力剥离,并仔细选取密度-深度...     

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。     

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。