国际重力卫星研究进展和我国将来卫星重力测量计划

本文首先分别介绍了国际已经成功发射的专用地球重力测量卫星CHAMP、GRACE以及即将发射的GOCE、GRACE Follow-On和专用月球重力探测卫星GRAIL的研制机构、轨道参数、关键载荷、跟踪模式、测量原理、科学目标和技术特征;其次,阐述了当前相关学科对地球重力场测量精度的需求;最后,建议我国在将来实施的卫星重力测量计划中首选卫星跟踪卫星高低\低低模式,尽快开展轨道参数优化选取的定量系统研究论证和重力卫星系统的误差分析,依据匹配精度指标先期开展重力卫星各关键载荷的研制以及尽早启动卫星重力测量系统的虚拟仿真研究。     

地球重力场与KBR系统频谱关系的建立与分析

以近极圆形轨道的SST ll为研究目标,利用解析的方法分析卫星间精密测距与地球重力场的频谱关系,得出了一般情况下300km高度的SST,星间距离每增加100km,恢复能力提高约10阶次;对于500km卫星高度的SST,星间距离每增加100km,恢复能力提高约5阶次的结论。研究成果可以为我国发展SST探测地球重力场的卫星计划提供参考。     

火星表面含水矿物探测进展

火星表面含水矿物类型识别和空间分布特征研究对圈定火星表面生命活动有利区域和探索可能存在的火星生命形式具有重要科学意义。本文总结了20世纪90年代以来火星表面含水矿物的探测进展,从火星轨道器光谱仪遥感探测、着陆器和巡视器就位探测两方面介绍了矿物探测使用的数据源,重点阐述了目前火星表面已经探测到的各类含水硅酸盐矿物、硫酸盐矿物、碳酸盐矿物、氯盐及高氯酸盐矿物等含水矿物的光谱特征、矿物具体类别及分布特征,分析了火星表面含水矿物定量反演的主要方法与地质意义。最后从比较行星学角度倡议开展地球和火星含水矿物形成环境和形成过程的类比研究。     

“祝融号”火星车多光谱相机岩矿类型识别的地面验证研究

中国首个自主火星探测任务“天问一号”探测器于2020-07成功发射,其搭载的中国首台火星车“祝融号”将在着陆火星后开展巡视探测,获取中国火星探测的原始科学数据。识别火星表面岩矿类型对于了解火星的大气变化、环境状态、地质演化以及生物宜居性等具有重要意义。本研究利用“祝融号”火星车搭载的多光谱相机载荷鉴定件（8个波段）在地球环境下拍摄并获取了18种火星表面岩矿的多光谱影像数据。基于该数据所开展的火星岩矿类型的识别研究可为未来基于“祝融号”多光谱相机数据进行火星表面岩矿的原位识别提供指导。本文所采用的基于多光谱影像波段运算和彩色图像HSV颜色特征直方图的岩矿识别方法,可从多光谱特征和颜色特征两个层面来识别不同类型的岩矿。所使用的多光谱影像数据是在太阳高度角约60°、拍摄高度1.8 m、拍摄角度约37°的条件下采集所得。在该实验条件下,两种识别方法共提取出12种岩矿的识别指标。基于多光谱影像波段运算可以区分出在8个特定波段下具有突出光谱特征的岩矿类型,而基于图像HSV颜色特征可区分出颜色特征分布较为集中的岩矿类型。同时,研究发现拍摄角度不同会对岩矿的识别效果产生不可忽略的影响。     

勇气号火星车六年探测征程及科学发现简述

勇气号火星车2004年1月4日成功着陆古谢夫撞击坑。2009年5月1日,勇气号陷入一个命名为“特洛伊”的松软的沙坑。由于多次尝试从深陷的沙坑中解救勇气号失败,2010年1月26日NASA宣布勇气号不再行使而变成静止科学观测站。.在6年的探测征程中,勇气号行驶了7.73.km并且取得了诸多科学发现,例如发现了只有在水环境才能生成的盐类沉积物以及含有硫和蛋白石的矿物质沉积。本文简要综述勇气号6年漫游火星表面的征程以及重大的科学发现,特别展示了行星制图与遥感技术在实现火星车探测的科学和工程任务中发挥的重要作用。     

电磁监测试验卫星(张衡一号)数据处理方法和流程

电磁监测试验卫星(张衡一号)共搭载3类8种科学载荷,第1类是用于电离层电磁场探测的载荷,包括高精度磁强计、感应式磁力仪和电场探测仪;第2类是用于原位等离子体参数探测的载荷,包括朗缪尔探针、等离子体分析仪和高能粒子探测器;第3类是用于电离层结构探测的载荷,包括GNSS掩星接收机和三频信标发射机。电磁卫星载荷探测方式均不同于以往的成像遥感卫星载荷,其数据处理方法和流程也有本质差异。本文首先介绍了中国电磁监测试验卫星产出的科学数据种类、数据分级和各级数据的定义,根据电磁监测试验卫星的特点,科学数据分为0—4级。随后描述了1—4级数据的总体处理流程,最后详细描述了8种载荷1—2级数据处理的方法、流程以及关键的数据处理算法。该数据处理方法和流程将应用于电磁监测试验卫星应用系统,作为数据处理分系统设计和研发的依据。     

月球重力场模型研究进展和我国将来月球卫星重力梯度计划实施

本文介绍了基于国际探月观测数据建立的月球重力场模型:8×4、15×8、13×13、5×5、7×7、16×16-1/2/3、Lun60d、GLGM-1/2、LP75D/G、LP100K/J、LP165P、LP150Q和SGM90d;通过对比SST-HL/LL-Doppler-VLBI和SST-HL/SGG-Doppler-VLBI跟踪观测模式的优缺点,建议我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/SGG-Doppler-VLBI较优;其次,通过对比静电悬浮、超导和量子卫星重力梯度仪的优缺点,建议我国将来首期月球卫星重力梯度计划采用静电悬浮重力梯度仪;并建议我国将来首颗月球重力梯度卫星的轨道高度(50～100 km)选择在已有月球探测卫星的测量盲区,轨道倾角(90°±3°)设计为有利于月球卫星观测数据全球覆盖的近极轨模式。     

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。     

火星形貌摄影测量技术研究

火星形貌测绘是火星探测的基本任务,高精度的火星形貌数据是火星探测器着陆区选址以及着陆器自主导航的重要保障。火星探测工程不能利用 GNSS 等手段对探测器进行精密定轨,无控制点数据辅助定位,且火星表面影像纹理信息贫乏,导致火星形貌测绘面临许多难题。本文对火星形貌摄影测量涉及的探测遥感影像几何处理、火星表面影像与激光测高数据联合平差、火星表面影像密集匹配以及火星形貌 DEM的自动提取等技术进行了研究。论文主要研究内容与结果如下。     

火星地形测图

火星地形数据是火星探测的基础数据,从登陆点的选择到表面形态学的定量分析,从火星漫游车的行进到火星物质采掘都离不开影像和三维地形数据。本文论述了火星地形测图的最新进展,分析了火星全球勘探者、火星快车、火星勘测轨道器等环火星轨道器的测图传感器性能、数据处理技术以及火星地形测图产品,指出了火星地形测图未来发展的一些趋势。     

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。     

基于星地/星间联合观测的时间比对方法

星间观测实现了移动卫星的连续跟踪,是提升卫星钟时间比对精度的重要手段。研究了基于星地/星间联合观测时间比对技术;推导了星地/星间时间同步比对模型;给出了星间钟差到星地钟差的一致性归算方法。理论上加入星间观测移动卫星钟差预报精度能大幅提升,但异质观测设备导致钟差观测序列不连续,影响了卫星钟预报精度。研究了小幅钟差跳变的探测与补偿技术,提出了基于传统粗差探测与相邻历元组差相结合的钟差跳变探测方法,有效消除了异质观测设备带来的钟差不一致性,提升了卫星钟预报精度。最后利用实测与仿真数据验证了所提出的理论和方法的正确性和有效性。     

中国地震遥感应用研究与地球物理场探测卫星计划

中国地震遥感应用研究始于20世纪70年代中期,从简单的多光谱遥感图像解译线性活动构造开始,迄今已走过了40余年的历程。其中20世纪70、80年代以可见光遥感图像应用为特征,90年代为红外遥感、GNSS遥感和InSAR技术试验应用阶段,20世纪末到21世纪前10年主要表现为综合遥感应用和卫星电磁、卫星重力等地球物理场探测卫星计划预研,2011年以来侧重于集成前期研究成果,实施地球物理场卫星计划和卫星地震应用系统建设运行。目前可见光遥感技术在活动构造探查和灾害评估中已实现业务化应用,卫星红外、卫星电磁、InSAR技术、卫星重力和高光谱气体地球化学探测技术在地震监测领域越来越凸显出其应用效能。作为国家地球物理场探测卫星计划首发星,张衡一号电磁监测试验卫星于2018年2月2日进入预定轨道,目前在轨运行正常并产出了中国首幅全球地磁图,填补了中国在全球地球物理场获取能力方面的空白。     

天问一号拓展任务对火星低阶重力场解算的潜在贡献分析

天问一号是中国首次独立开展的行星际探测任务,实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测。天问一号正常科学任务阶段环绕以极轨设计为主,与历史火星任务类似,对当前火星重力场模型精度改进有限,因此其拓展任务轨道选取至关重要。通过对极轨圆轨道和近赤道大偏心率轨道进行仿真模拟,分析两种典型轨道构型对现有火星重力场模型改进的可能性,基于不同误差考量仿真解算了对应6个重力场模型。借助重力场功率谱分析,发现在测量噪声为0.1 mm/s的情况下,不论采用极轨还是近赤道轨道,一个月的跟踪数据均可较好地反演出42阶次的火星重力场模型;考虑综合误差影响之后,发现两种轨道对于重力场解算精度类似,其中实施近赤道大偏心率轨道对35阶次以上约束略强。     

如何进行火星观测？

中国目前还没有向火星发射探测器，仍停留在借助高端天望远镜观测的水平上。但据《星光快讯》的主办齐锐讲，目前观测也只是针对火星某一局部区域的探测，如美国宇航局是向火星的“古谢夫环形山”投射“勇气号”的，它只能对此区域附近的环境进行仔细的探测。而在地球表面借助天望远镜进行观测，能对火星的宏观大环境有个总体把握，知道星球的季节变化，极冠变化和地貌整体变化等信息。     

火星伊西底斯平原的壁垒撞击坑：遥感分析及环境启示意义

伊西底斯平原是中国首次火星探测任务“天问一号”的预选着陆区之一,地表广泛发育指纹地形和壁垒撞击坑。壁垒撞击坑具有一层或多层流态化的连续溅射物,一般被认为是地下富含水/冰的地层（以下简称“地下水冰层”）与超高速撞击体作用的产物,是分析火星当前和过去地下水冰层的关键研究对象。基于高分辨率影像,本文采用影像解译、形貌分析、撞击坑统计定年等方法,开展了伊西底斯平原壁垒撞击坑的遥感综合分析。解译发现该平原目前共存在120个壁垒撞击坑,它们的最小直径为1.5 km,连续溅射物平均分布在撞击坑周围约1.3个半径范围之内,且外观不规则程度（弯曲度）高。采用撞击坑直径—频率分布定年方法确定了15个连续溅射物保存完整的壁垒撞击坑的绝对模式年龄（地质年龄）,发现它们全部形成于亚马逊纪。根据连续溅射物与指纹地形的空间叠加关系,本文推断构成指纹地形的锥状物形成于2.38—3.24 Ga（早亚马逊纪）。它们更可能是大量岩浆流过湿润或冰冻地面时下覆（融化）水分迅速气化而发生爆裂并冲破岩浆形成的无根锥/伪火山口。根据撞击坑直径和挖掘深度之间的经验关系,本文揭示伊西底斯平原有利于形成壁垒撞击坑的地下水冰层的平均埋藏深度至少稳定保持在1 km,并可能因火星自转倾角周期性变化对气候的影响而发生0.1 km的小幅上升或下降。本文研究成果对于重建伊西底斯平原地下水冰环境演变历史具有重要科学意义,并有望得到中国“天问一号”巡视器和轨道器次表层探测雷达探测结果的验证。     

国外卫星导航系统星间链路发展研究

利用星间链路提升卫星导航系统性能已成为全球卫星导航系统的重要发展趋势之一。以GPS为代表的国外卫星导航系统都在积极发展星间链路。我国北斗卫星导航系统也将在新一代全球导航卫星上搭载星间链路,目前已开展在轨试验。通过国内外文献查阅和跟踪研究,系统梳理比较了GPS,GLONASS和Galileo三大全球系统已投入使用和正在论证的星间链路技术方案。在此基础上归纳了星间链路的发展特点与趋势:1)星间链路的设计不再局限于实现自主导航,更倾向于通过星地联合实现增强提升导航性能;2)星间链路的发展当前以高频段射频星间链路为主,激光星间链路是未来的发展方向;3)星间链路测距通信将主要采用时分多址体制。相关研究成果对我国北斗卫星导航系统星间链路的发展具有借鉴意义。     

我国火星探测器遥控跟踪网效率分析

火星探测一直是深空探测的热点问题.根据我国火星探测器"萤火一号"在发射过程中所经历的不同轨道高度,研究我国遥控跟踪网对其的覆盖区域.另外,选取一组具体的火星探测器的轨道参数,研究我国观测网对该探测器的遥控跟踪效率,并给出结果.     

大气金属层探测卫星研究

75~115 km的大气层中存在Na、Fe、K、Ca等多种金属成分,通常认为这些金属成分来自宇宙尘埃和流星烧蚀的产物。大量宇宙尘埃和流星进入地球大气,会对地球气候有重要影响,大气金属层是宇宙尘埃和流星进入地球大气的示踪物。同时研究表明,大气金属层所在区域的大气对全球气候变化的响应很敏感,是全球气候变化的示踪物。大气金属层物质沉降,是夜光云凝聚核的主要来源,对临近空间飞行器具有重要影响。但目前对75~115 km的大气金属层探测和研究还很不够,为此,本文在国际上首次提出专门针对大气金属层探测的卫星概念。在大气金属层探测卫星中,提出以主动探测技术为主要探测手段的载荷配置,包括星载钠激光雷达、大气激光掩星探测仪、空间微流星体探测仪、星载F-P测风仪、金属层气辉成像仪5种先进载荷。大气金属层探测卫星将能够对大气金属层进行全面探测,并取得重大科学创新成果。     

基于空地影像多层级匹配的火星巡视器定位与地面验证

深空探测巡视任务中巡视器的高精度定位对于巡视器的自身安全与持续运行至关重要。巡视器定位主要包括相对定位和绝对定位两种方式,其中绝对定位方法主要是利用轨道器/着陆器的数据为基准确定巡视器在全局坐标系下的位置。美国Mars 2020任务携带的机智号无人机在火星环境下完成了飞行验证,它能够获得高分辨率的火星表面影像,从而为火星巡视器绝对定位提供了新思路。据此,本文提出了一种卫星-无人机-巡视器影像协同的多分辨率影像匹配绝对定位框架。首先,利用运动恢复结构(structure from motion, SFM)方法对无人机影像进行三维重建,获取局部高分辨率三维地图;然后,开展巡视器影像与无人机影像的多视角匹配,并基于匹配结果利用后方交会实现巡视器在无人机局部地图中的高精度定位;最后,通过局部无人机影像与卫星影像的配准,实现卫星影像全局坐标系下的巡视器绝对定位。为验证本文方法的可行性,开展了巡视器定位仿真试验,试验结果验证了本文方法的可行性,能够为后续我国开展类似工程任务提供参考。