主带小行星深空探测可接近性与多目标探测轨道的实现

小行星探测是当前深空探测的热点之一,探测目标的可接近性又是探测任务首先要解决的问题.根据直接转移轨道方式下太阳系中可以探测到的区域和小行星的空间分布,确认发射能量C_3=50 km~2/s~2的直接转移轨道,可以探测大部分主带小行星;使用少量的速度修正还能够实现多目标飞越任务.同时指出,这种多目标的飞越可以达到△V-EGA轨道方案中的深空机动同样的效果,经地球引力助推,以较小能量实现小行星伴飞或更遥远小行星的探测;据此提出了一个探测器先飞越多颗主带小行星,然后借助地球引力助推探测更遥远小行星的轨道设计方案,并给出了设计实例.     

深空探测天文自主导航技术综述

自主导航技术在提高深空探测器自主生存能力、减轻地面测控负担、完成探测任务特殊阶段导航等多方面具有明显的优势,已经成为世界各国研究的热点。我国火星探测工程已经启动,将来还有其他小行星、彗星和行星及其卫星的探测计划。详细阐述了发展天文自主导航技术的必要性,阐述天文导航技术的基本原理及优势,并对国内外深空天文自主导航技术以及应用情况进行概述,总结了发展天文自主导航的关键技术。根据分析提出我国发展深空探测自主导航技术的建议与思考。     

表层穿透雷达在月球和深空探测中的应用

对月球以及更远天体或者空间环境的探测是人类航天活动的重要方向。开展月球和深空探测有利于研究太阳系起源、演化与现状,以及生命起源与演变等重大科学问题,有利于催生基础性、前瞻性的学科与技术。相比光学探测方法,雷达具有强穿透性、极化特性以及不受光照限制等优势,是探测天体特性的有效手段之一,在月球和深空探测中发挥了重要作用。电磁波能够穿透几米到几千米的次表层,可用于探测月球和深空目标的表层介电常数、次表层结构、电离层及水冰等。按照探测方式的不同,表层穿透雷达探测主要包括地基雷达、环绕器雷达及巡视器雷达3种方式。针对不同的科学目标,不同的探测方式具有各自的优势和不足。回顾了表层穿透雷达在月球、火星以及小行星等探测中的科学应用,总结了已经投入使用以及计划中的各种雷达科学载荷的探测任务、参数设计、工作原理和探测结果,展望了在未来利用表层穿透雷达进行月球和深空探测的发展趋势。     

使用体积离散方法计算不规则小天体表面重力场

在小行星探测任务中,航天器轨道设计需要充分考虑到小行星的非球形引力场的影响.太阳系中大部分小行星具有形状不规则、密度不均匀的特点,因此,在没有绕飞轨道数据的情况下,精确计算其引力场非常困难.利用不规则小行星的多面体模型,采用体积离散方法通过直接积分计算小行星引力场球谐系数和表面重力场分布情况.将该方法与多面体方法进行了比较,并以(433)Eros为例,通过该方法计算得到的结果与NEAR(Near-Earth Asteroid Rendezvous)探测器的轨道数据反演结果比较,C20项误差不超过2%,使用该方法对我国小行星探测任务拟探测的(1996)FG3小行星的重力场进行了计算.以嫦娥二号探测器飞越的(4179)Toutatis小行星为例,结合相应的雷达观测数据提供的小行星形状模型,计算其表面引力势情况,为通过飞越任务获取的光学图像分析其表壤的分布、流向等提供了相应的理论依据.该方法适用于密度不均匀天体,可为小行星探测任务轨道设计和着陆提供可靠的小行星引力场数据.     

接触双小行星(4179) Toutatis的形成机制研究

<正>接触双小行星是一类明显由两部分结构相接而构成的单小行星.地面雷达观测结果表明直径大于200 m的近地小行星中大约14%为接触双小行星,而且目前3个小天体探测任务(隼鸟号、嫦娥二号和罗塞塔号)的探测目标也都具有接触双星结构.接触双小行星是一类重要的小行星类型,对其形成机制开展研究能够为深入理解小行星的形成演化提供重要线索.     

木星探测轨道分析与设计

研究了与木星探测相关的轨道设计问题.重点关注木星探测轨道与火星、金星等类地行星探测轨道的不同及由此带来的轨道设计难点.首先分析了绕木星探测任务轨道的选择.建立近似模型讨论了向木星飞行需要借助多颗行星的多次引力辅助,对地木转移的多种行星引力辅助序列,使用粒子群算法搜索了2020年至2025年之间的燃料最省飞行方案并对比得到了向木星飞行较好的引力辅助方式为金星-地球-地球引力辅助.结合多任务探测,研究了航天器在飞向木星途中穿越主小行星带飞越探测小行星的轨道设计.最后,给出2023年发射完整的结合引力辅助与小行星多次飞越的木星探测轨道设计算例.     

基于深空探测器下行信号的太阳风观测及通信链路的影响综述

在上合期间,日冕和太阳风严重影响深空通信链路。论述了非均匀太阳风对深空通信的影响,综述了基于深空探测器下行信号的太阳风观测,以及通过反演技术进行太阳风和日冕特性研究的国内外进展。以我国的深空探测为背景,提出一套基于探测器下行信号的太阳风观测方案,并可利用现有探测器进行预先观测研究。在我国深空探测任务开始后,在数据通信和测轨的同时,进行全过程的观测实验。     

星载氢钟VLBI观测实验及分析

中国计划于2025年左右建立月球轨道VLBI (Very Long Baseline Interferometer)测站,将会搭载被动型星载氢钟作为时间频率标准.由于是首次在VLBI观测中使用星载氢钟,需要研究和验证其可行性.因此,利用星载氢钟作为频率基准开展了VLBI观测.实验时,分别使用主动型地面氢钟和被动型星载氢钟作为频率基准,利用上海天文台佘山25 m射电望远镜和其他测站对我国火星探测器天问一号进行了交替VLBI观测.数据处理分析结果表明,基于地面氢钟与星载氢钟的VLBI残余群时延标准差均在0.5 ns以内,表明星载氢钟可满足深空探测VLBI测定轨的精度要求,验证了其作为月球VLBI测站频率基准的可行性.     

我国月球探测工程中的定轨和定位

<正>本论文以我国月球探测工程为研究背景,使用仿真分析和实测数据处理相结合的方法,结合多种VLBI(very long baseline interferometry)技术在深空探测中的应用,展开对探月飞行器精密定轨、定位的方法研究和精度分析.本文主要做了以下几个方面的研究和探讨:首先,利用CE-2(Chang’E-2)探测器实时任务期间的实测数据,分析在我国现有的测量条件下月球探测器的轨道确定精度,重点讨论了CE-2任务中观测精度有所提高的VLBI数据对提高探测器     

一种新颖的太阳极轨和抵近探测轨道部署方案

经过几十年的发展,太阳的空间探测取得了巨大的成就。然而,极区磁场的演化和太阳子午流的反演一直受到投影效应的影响,同时太阳爆发中的电流片急需原位探测。因此,脱离黄道面的极轨探测和抵近太阳的“触摸”探测成为当前国际太阳物理领域急需发展的空间项目。鉴于极轨和抵近轨道的实施困难,低成本和高效的轨道部署方案是任务顺利执行的关键。提出一种新颖的利用特殊小行星入轨的方案。根据小行星数据库的资料,分别统计和分析了目前已发现的高倾角以及近日点靠近太阳的小行星的轨道参数,并提出了搭载小行星的方案。该方案能够大大减少卫星入轨时间并节约成本,同时还可以与小行星探测相结合。如果项目得以实施,将是人类在利用小行星方面迈出的一大步。     

小行星YORP效应的可探测候选体

YORP (Yarkovsky-O''Keefe-Radzievskii-Paddack)效应是小行星长期动力学演化的机制之一. 与碰撞、引力摄动等因素相比, YORP效应作用量级小, 短时标观测效应不明显, 这给直接测量YORP效应带来了很大的困难. 利用小行星光变数据库中已知的小行星数据, 统计了小行星的自转速率分布, 使用核密度估计以及Kolmogorov-Smirnov检验分别分析了近地小行星和主带小行星自转速率的分布特性, 分别给出了在近地小行星和主带小行星中寻找受YORP效应影响减速自转的最佳样本群; 基于7颗已被探测到YORP旋转加速度的近地小行星, 利用YORP强度估计方法和光变探测条件建立了筛选模型, 给出了未来可直接通过光变数据探测\lk YORP效应的10颗近地小行星.     

VLBI相位连接以及相时延解算的新方法研究

甚长基线干涉测量(VLBI,Very Long Baseline Interferometry)能够提高深空探测器测定轨的精度,目前应用于深空探测中的多为差分VLBI技术(?VLBI).差分VLBI相关相位中存在时间间隔,把不同时间段的相位无整周模糊度地连接起来能清晰地反映卫星运动轨迹,有助于提高卫星的测定轨精度和开展行星无线电科学研究.同时,VLBI相时延因其超高的精度有广泛应用,但解算条件苛刻.基于此,首先利用两个频点的差分相位与单频点相位变化趋势一致的思想,研究了一种新方法连接差分VLBI单频点的相位;然后提出一种利用窄带宽(1 MHz)中的两个频点相位解算相时延的方法,并用嫦娥三号(CE3)着陆器的数据做了实际解算和验证;最后给出了仅利用数天VLBI相时延对着陆器进行定位的方法,得到的结果为(44.1239°N,19.5106°W),和事后基于美国月球侦察轨道器(LRO)窄角相机(NAC)影像数据的定位结果(44.12189°N,19.51129°W)相比,差异为百米左右,验证了仅利用VLBI相时延也能进行着陆器定位的有效性.     

太阳风对火星探测通信信道的影响及抗闪烁策略研究

太阳上合期间,太阳风严重影响深空通信链路,严重时可能导致通信链路中断。论述了信道与太阳之间的距离是决定太阳风对深空通信信道影响的主要因素,并分析了太阳风对信道影响的具体特征。最后,以中国的火星探测任务为背景,从理论上分析可行的抵抗太阳风影响的通信信道改善策略。     

飞行器近小行星轨道动力学的特点及研究意义

该文在介绍小行星及对其探测意义的基础上,以NEAR、Muses-C(Hayabusa)小行星探测器为例,重点分析了飞行器与小行星距离较近时(near asteroid)的动力学环境及其对环绕小行星飞行的飞行器设计的影响.并以旋转的二阶二次重力场和小行星Castalia为例,进一步阐述近小行星轨道动力学的一些特点和结论.此外,还给出了小行星探测的一些建议和设想.     

高精度相对论验证的现状与趋势——太阳系实验

回顾并展望了广义相对论理论及其实验检验的发展状况和趋势,包括广义相对论高精度实验检验的主要研究内容和研究方向,与之相关的深空探测项目的规划和进展。鉴于广义相对论的实验检验内涵极其丰富,限于篇幅重点介绍了有关的太阳系实验。首先介绍爱因斯坦等效原理及其实验检验;该原理是广义相对论的基石,内容包含了弱等效原理、局部洛伦兹不变性以及局部位置不变性。接着介绍相对论性引力理论的实验检验,主要涉及对参数化后牛顿参数的测定。最后,针对我国未来有望实施的深空探测任务,就其在广义相对论实验检验中可开展的自主研究与实践给出建议。     

近地小行星地基雷达探测研究现状

地基雷达探测是研究太阳系中小行星的重要方法。雷达探测主要有两种方式:(1)连续波探测,可得到小行星表面的粗糙度等参数;(2)延迟多普勒探测,用于反演小行星的三维形状模型并确定自转轴状态。与其他探测方法相比,雷达观测具有分辨率高等优势。简要介绍了地基雷达探测的原理和方式,以及通过雷达成像建立小行星形状模型的方法。同时举例说明了雷达探测小行星的成果,并对包括雷达在内的多种探测方法进行了比较。     

深空探测器VLBI跟踪定位归算

以我国嫦娥工程、萤火计划等深空探测计划为背景,通过理论分析、方法研究、软件研发、仿真检验和实测资料解析等,完成了基于VLBI、USB跟踪对欧空局Smart-1环月卫星和火星快车(MEX)卫星,以及我国嫦娥一号(CE-1)、嫦娥二号(CE-2)等卫星的定位归算;在理论模型研究、误差方程建立、法方程条件分析、约束方程选取、仿真数据检验、观测野值规避、参数解算稳定性的保障、实用软件编制和实测资料处理等方面均获得了进展,主要工作包括如下方面:     

深空探测中的轨道设计和轨道力学

深空探测相对于地球卫星而言,指探测器脱离地球引力范围,进入行星际空间甚至距离地球更远的空间对太阳系内或者太阳系以外的天体进行探测. 从20世纪末尤其是21世纪以来,随着航天领域科技的进步和提高,对月球和太阳系其他大行星的探测,越来越多地得到世界各国的关注.近几年,我国也加快了对月球的探测步伐.2007年10月24日,我国成功发射了第1个月球探测器 嫦娥一号月球探测器,实现了精确变轨、成功绕月的预定目标,获取到大量科学数据和全月影像图,并成功实施受控撞月任务.2010年10月1日,我国又成功发射嫦娥二号月球探测器,获取了分辨率更高的全月影像图和虹湾区域高清晰影像,并成功开展环绕拉格朗日L2点等多项拓展性试验,为深空探测后续任务的实施奠定了基础.     

潜在的500MHz雷达网及其应用

随着曲靖500 MHz非相干散射雷达的初步建成并投入使用,利用其开展雷达天文学的研究成为可能。基于雷达方程,假定曲靖雷达发射信号,分析了现有昆明40 m天线、密云50 m天线和贵州500 m射电望远镜作为接收器接收回波信号,构建潜在雷达网进行天文测量的能力,报道了探测空间碎片的初步成果,探讨了我国开展地基雷达观测近地小行星的设想。最后呼吁我国开展地基雷达和VLBI联合进行太阳系天体探测,开拓深空领域。     

近地小行星(10302) 1989 ML和(4660) Nereus的轨道特征及演化分析

近地小行星(10302) 1989 ML和(4660) Nereus作为下一代深空探测的候选目标一直备受关注. 在考虑太阳系主要天体的动力学背景下, 通过计算最大Lyapunov指数(MLE)及MEGNO (Mean Exponential Growth factor of Nearby Orbits)指数讨论它们的稳定性. 同时, 对每个小行星, 在其观测误差范围内按多元正态分布各选取1000个克隆粒子, 通过统计分析显示这两个小行星在10万年内可能的运动范围, 给出半长径-偏心率空间中的出现次数分布图, 并统计小行星与地球或其他大行星之间的密近交汇及碰撞的概率. 此外还对这两个小行星的标称轨道进行长期共振、Kozai共振及平运动共振的动力学分析. 综上得出结论, 1989 ML处在平运动共振主导的区域, 发生密近交汇的概率较小, 从而其轨道相对较稳定; 而Nereus处在地球的密近交汇区域, 轨道极不稳定.