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.     

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.     

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.     

基于二叉树的太阳系小天体数值历表建立方法

在小天体深空探测任务中,经常需要调用力模型较完备的精确小天体数值历表,然而由于部分小天体可能有较大的轨道偏心率以及存在近距离飞越大行星的可能,导致传统的等区间分段切比雪夫多项式插值方法不适用于构建这些小天体的数值历表.在传统方法基础上采用结合误差自适应的二分法对原始轨道进行分段,并采用二叉树结构来组织所有的分段区间,能解决历表读取中的系数反查问题.以大偏心率近地小行星4179 Toutatis和3200 Phaethon、大偏心率彗星2P/Encke以及将近距离飞越地球的99942 Apophis小行星为例,通过数值仿真证实了该算法的有效性.由于该方法没有对小天体的轨道性质做任何要求,因此能够作为构建太阳系小天体数值历表的通用方法,可应用于大量目标小天体的精确轨道设计中.     

小行星(469219) Kamo`oalewa轨道的确定与误差分析

作为一颗与地球共轨道的小行星,(469219)Kamo'oalewa是一个具有很高研究价值的近地小天体,也是中国首次小行星探测计划的目标天体之一.针对其轨道特性,建立了兼顾太阳、地球和月球非球形引力作用的小行星动力学模型.并在该模型的基础上,利用国际小行星中心(Minor Planet Center,MPC)提供的2004|2018年间的光学观测数据对该小行星的轨道进行确定.拟合后观测残差的均方根误差约为0:2″(与美国喷气推进实验室的Horizons在线历表系统相当),其中2004年期间数据的观测残差有所改进.最后,对小行星(469219)Kamo'oalewa的轨道误差进行了详细分析,并预报了2020-2025年期间该小行星的轨道误差.     

摄动分析法在小推力轨道优化中的应用

在对太阳系近地小行星的多目标多任务探测中,从大量小行星中快速筛选出可到达目标小行星是小推力轨道设计中一直在努力解决的问题.考虑了小推力作用下的探测器在行星际空间中的轨道运动,通过借鉴天体力学中摄动分析法的思想将小推力作为摄动力来考虑,给出了1阶意义下给定时间内两条开普勒轨道在小推力作用下得以转移成功的必要条件.该条件形式上为几个始末轨道根数差的简单组合,计算量极小,可以用来迅速剔除掉许多无法在给定时间和小推力作用下直接到达的小行星,数值结果验证了近地小行星探测情况下该条件的有效性.     

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。     

小行星族群热物理参数及分布特征研究

小行星热物理是近年来小行星研究领域的一个重要环节, 随着红外观测技术的进步, 该领域的研究取得了长足发展. 小行星发出的热辐射取决于小行星的尺寸、形状、反照率、热惯量(Gamma)、粗糙度等热物理参数. 研究小行星热物理特性的科学意义是多方面的, 比如能够帮助我们计算小行星的Yarkovsky效应和YORP (Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddackor)效应, 还能对小行星表面的表壤颗粒尺寸进行估算, 从而能更好地对小行星表面的物质成分特征进行研究. 另一方面, 研究小行星族群的热物理特性, 可进一步为研究小行星、小行星带乃至太阳系的形成和演化机制提供重要科学依据. 本文借助先进热物理模型(Advanced Thermophysical Model, ATPM), 结合相应的中红外观测资料计算了Vesta族群、Nysa-Polana族群、Pallas族群、Themis族群、 近地小行星(341843) 2008 EV5、 近地小行星(3200) Phaethon的热物理参数, 揭示了不同种类、不同族群的小行星之间热物理参数的差异和造成这些差异的原因, 以及相同族群中的小行星热物理参数的相似性, 并且基于这些差异和相似性对近地小行星和族群之间的联系及其轨道演化过程进行了讨论.
Vesta族群是由小行星(4) Vesta经历碰撞后产生的碎片形成的. 本文研究了该族群中的10颗小行星, 得到这10颗Vesta族群小行星的平均热惯量为42 $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, 平均几何反照率大小0.328, 并发现与之对应的表面粗糙度普遍较低. 此外, 对已有的主带区域小行星几何反照率进行统计后, 发现Vesta族群小行星的几何反照率普遍偏大, 基于这些热物理参数, 我们进一步估算了这10颗小行星的表壤粒径尺寸范围在0.006--1.673 mm之间. Themis族群也是小行星带中重要的族群之一, 该族群小行星物质成分比较原始, 且成员中大部分可能都有水冰的存在, 对其成员小行星的热物理特性研究可为我们提供该族群母体小行星的内部信息. 我们借助WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer)红外观测和ATPM对该族群中3颗体积较大的小行星(62) Erato、(171) Ophelia和(222) Lucia的热物理参数进行了计算, 发现3者之间的热参数大小非常接近, 从热物理的角度证明了这3颗小行星有可能是来自于同一个母体.
小行星(341843) 2008 EV5是一颗Aten型近地小行星(NEA), 光谱类型为C型, 具有潜在撞击地球的危险, 该小行星曾是欧洲空间局(ESA)的小行星探测任务Marco-Polo-R的基准探测目标, 我们借助ATPM和WISE红外观测得到2008 EV5的热惯量$\Gamma = 110_{-10}^{+30}$ $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, 几何反照率$p_v= 0.095_{-0.003}^{+0.016}$, 有效直径$D_eff= 431_{-33}^{+6} \rm m$. 由于其热惯量相对大多数近地小行星较小, 我们推测其可能来自主带区域, 并对其1000条克隆轨道进行了逆向积分1 Myr, 发现其来自主带区域的概率为6.1%, 同时估算了表壤粒径尺寸为0.58--1.3 mm. 研究表明, 2008 EV5有可能来自于Nysa-Polana族群, 我们对这个族群中的小行星(135) Hertha的热参数进行了计算, 得到该小行星的$\Gamma = 30_{-21}^{+35}$ $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, $p_v=0.135_{-0.034}^{+0.018}$, $D_eff=82.863_{-5.027}^{+12.937} \rm km$. 小行星(3200) Phaethon是日本航空航天局探测器(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) DESTINY+ (Demonstration and Experiment of Space Technology for INterplanetary voYage Phaethon fLyby dUSt science)的探测目标, 其特殊的轨道形状(大偏心率、小近日点距离)导致在一个轨道周期内温度的变化幅度较大, 使之具有特殊的物理特性. 此外, 该小行星也是双子座流星雨的起源. 研究表明Phaethon起源于主带区域中的Pallas族群, 该族群是小行星带中B-type小行星的重要来源, 其成员数目不多, 但目前大部分的具有活动性的小行星均与Pallas族群相关. 本文中, 我们借助ATPM和WISE的红外观测得到Phaethon和Pallas族群小行星Zerlina的热惯量分别为: $\Gamma_Phaethon= 550_{-290}^{+920}$ $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, $\Gamma_Zerlina=0_{-0}^{+34}$ $\rm Jm^{-2}\cdot s^{-1/2}\cdot K^{-1}$, 几何反照率分别为: $p_{v, Zerlina}=0.1435_{-0.0325}^{+0.0420}$, $p_{v, Phaethon}=0.1253_{-0.0020}^{+0.0034}$, 热参数上的差异可能是由于Phaethon较强的活动性, 当Phaethon的轨道演化至当前位置时, 其较高的近日点温度会使表面的物质发生变化, 同时观测也表明Phaethon有质量流失现象, 使得Phaethon与Pallas族群其他小行星相比, 其表面特性发生改变, 从而热物理参数也随之改变.     

“嫦娥二号”平动点和小行星探测试验中的轨道计算

正论文以CE-2(嫦娥二号)平动点飞行试验、小行星探测试验以及YH-1火星探测任务为背景,对深空探测测定轨技术开展研究.相关研究成果直接为小行星图塔蒂斯探测试验的拍照成像提供了高精度的轨道支持.针对YH-1火星探测开展了先期的测定轨研究,研究成果虽未能直接应用于火星探测任务,但积累的理论知识可服务于我国后续深空探测.论文的研究可以概括为以下几个方面:(1)回顾统计定轨理论,简单介绍了时空参考系、动力学模型、估值方法及考察协方差理论.     

火星重力场模型发展回顾及对萤火一号的展望

首先回顾了火星重力场探测的历史、各有关探测器的轨道特征和获取的资料情况,特别对最成功的MGS项目的情况作了详细介绍。然后对确定火星重力场模型过程中的有关问题作了介绍,包括动力学模型、三体摄动问题、太阳光压和大气阻力模型等。重点介绍了其中的先验条件和求解重力场的算法,后者主要介绍GSFC采用的最小二乘法和先验约束方法及其数据定权和误差校准的经验。文中还对火星重力场与地形学进行了比较分析,并对火星重力场时变性的探测与研究作了重点讨论。最后对火星重力场探测中存在的主要问题作了详细讨论,并展望了我国第一颗火星探测器"萤火一号"对火星重力场研究的可能贡献。     

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     

分点和赤道改正的分离摄动项求解法

本文所提出的分离摄动项求解法,是利用小行星在整个轨道上分布的不少于9次的位置测定值,与用该小行星的轨道根数初值计算出的列表位置进行比较,将由太阳系其它天体摄动力对小行星位置、速度的影响进行分离,求解出分点及赤道改正,小行星轨道根数改正,地球轨道根数改正和由摄动力引起的小行星位置和速度改正。这种方法的优点在于:(1)列表位置仅需根据小行星的轨道根数初值计算出,不考虑摄动力的作用,这样可避免小行星运动理论不完善对确定分点和赤道改正的影响;(2)在解算中,可以单独地求出摄动力对小行星运动速度和位置的影响,通过对摄动函数的数值积分,可求得任一时刻的小行星的真位置。     

地月DRO星载光学测量近地小行星轨道确定

针对地基光学监测系统对近地小行星在近太阳方向的监测存在盲区的问题,提出了远距离逆行轨道(Distant Retrograde Orbit,DRO)天基光学平台对近地小行星进行跟踪定轨的方法.通过可视性分析,筛选仿真观测数据,利用美国宇航局喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)公布的小行星初始轨道信息对不同轨道类型的目标天体进行轨道确定,将计算结果与参考轨道对比分析.仿真结果表明:在测量精度2角秒,定轨弧长3年的情况下,DRO平台对仿真算例中所选择的近地小行星的定轨精度可以达到几十公里量级,其中Atira型轨道精度可达10公里以内.由此可见,DRO天基平台对近地小行星具有较好的监测能力,定轨精度能实现对目标小行星的精确跟踪,并对其进行轨道预报.     

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。     

小行星物理研究概况

本文简要地介绍在小行星物理研究的几个领域内取得的一些进展和存在的一些问题,其中包括:(1)星等分布;(2)直径、质量和密度的测定;(3)自转、形状和双小行星系统;(4)分类和表面矿物学;(5)小行星族和越地小行星。     

月亮有了个小妹妹

一个跨度为5千米的小行星被证认是月亮的小妹妹。3753号小行星是1986年发现的,看上去完全是一颗一般的小天体,它和其他一些小行星都是跨越地球绕日轨道运行的。但在加拿大约克大学的威格特等人用计算机模拟的方法对这些小行星的轨道进行计算以后,才发现3753号小行星被地球的引力所吸引而"陷在"一个复杂的轨道上运行。威格特说,"没有一个人预见到3753号小行星会是地球的小卫星。"许多小行星被木星的巨大吸引力锁定在绕木星运行的轨道上,近来又发现一颗小行星被火星所"擒获",但这些小行星的轨道的形状是简单的,不复杂。3753号小行星不…     

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.     

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.     

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.     

小行星紫金三号和紫金四号

紫金三号(P.O.3)和紫金四号(P.O.4)是两颗小行星星历表上所未载有的小行星,各发现于1956年12月6日和12月25日的其他小行星的底片上.在以后的二三十天中,各得到五六次观测.所有的观测数据和用以计算出的两组初步椭圆轨道根数如下: