月球探测及月球重力场的确定

针对近年月球探测渐成热点和我国即将发射“嫦娥卫星”的状况,本文首先归纳了月球各项几何与物理特性以及月球探测的经济、科学和战略意义.然后,讨论了月球重力场在探月中的作用,并对国外月球重力场研究的发展历程、主要方法及面临的困难进行了综述.最后,结合我国“嫦娥工程”,对我国月球重力场探测的可行性,从航天运载能力、轨道跟踪手段、重力场恢复技术以及方法创新等方面进行了分析,以期为我国自主确定月球重力场模型提供参考依据.     

水星探测器精密定轨软件研制及应用

考虑到中国有望开展自主水星探测任务,研制了国内首套具有自主知识产权的水星探测器精密定轨及动力学参数解算软件系统MERGREAS（Mercury Gravity Recovery and Analysis Software/System）。从星历预报、仿真观测量、精密定轨等3个方面与GEODYN-Ⅱ软件进行详细的对比分析,两者一天内的探测器星历预报位置差异在10-7~10-8 m的量级,速度差异在10-9~10-12 m/s的量级;仿真双程测距差异接近10-4 m的量级,双程测速差异为4×10-6 m/s左右;仿真定轨差异则为X方向0.2 m,Y方向0.7 m,Z方向0.5 m,表明MERGREAS各项精度与GEODYN-Ⅱ基本达到一致。模拟同波束数据进行水星探测器和着陆器定位解算,轨道器位置误差为1 m左右,着陆器位置误差为0.88 m;考虑水星重力场和自转模型误差的影响之后,解算的轨道器位置误差为13.6 m,着陆器位置误差为250.3 m。该软件可以为中国未来水星探测任务中的轨道跟踪数据处理提供参考,具有一定的应用价值。     

基于绕月单卫星和双星测量的月球重力场恢复仿真分析

月球重力场是月球科学研究的重要部分,是进一步了解月球内部结构和构造的基础,也是我国探月计划“嫦娥工程”一个重要的科学研究内容.本文针对“嫦娥工程”,利用GSFC/NASA/USA的GEODYNII/SOLVE轨道分析软件,分析计算了利用单星跟踪数据恢复月球重力场的能力,同时模拟计算了双星跟踪数据在恢复月球重力场方面的能力,结合可能的工程环境我们对两种情况分别给出了30天、60天和90天的计算结果.计算表明双星相比于单星对月球重力场的中低阶位系数有比较显著的改善.     

IMU/DGPS系统辅助ADS40三线阵影像的区域网平差

推导了ADS40航带间外方位元素归一化处理的数学公式,设计了一种描述IMU/DGPS系统误差的数学模型,采用改进的定向片内插模型实现了ADS40影像的区域网平差。试验结果表明,仅需一个地面控制点,IMU/DGPS数据的定位精度就可显著提高,在四角布设地面控制点的情况下,IMU/DGPS数据与ADS40影像的联合平差可得到优于1.5个像素的3维定位精度;构架航线对平差结果的改善作用有限,在作业中采用的必要性不大。     

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。     

Slepian函数在月球局部重力场分析中的适用性分析

在分析Slepian函数数学性质的基础上,选取月球北极球冠区域为研究范围,结合CEGM02模型,研究Slepian函数在解算月球局部重力场和局部功率谱优缺点和适用范围。同时利用CEGM02、SGM150j、LP150Q、GRAIL660模型,分析不同模型的月球局部重力场-地形导纳及相关性。结果表明Slepian函数的局部正交特性在表达月球局部重力场方面有明显优势;由Slepian模型计算得到的局部重力场功率谱可信可靠带宽较大,但球冠边缘异常信号对谱分析结果高频部分带来较大不确定性;利用Slepian加窗的局部谱分析方法可以分析局部区域能量与全球的关系,但其谱分析结果可信可靠频段较窄,低阶段误差较大。4个重力场模型局部重力-地形导纳中低阶部分接近,高阶部分随阶次增大差距明显,可靠性降低。     

新近月球重力场模型与地形模型的局部导纳和相关性分析

本文利用三个高阶重力场模型LP150Q、GLGM-3和SGM150j以及嫦娥地形模型CLTM-s01,在频率域内使用固定窗口的方法,研究了不同重力场模型的重力/地形局部导纳谱与局部相关谱的全球分布,以及典型质量瘤盆地重力/地形局部导纳谱与局部相关谱分布的特征.结果表明:加入远月面重力场信息有助于增强重力场模型在中高频段的信号强度;三个重力场模型LP150Q、GLGM-3和SGM150j均适合于作近月面重力/地形局部导纳与局部相关性的分析和近月面地球物理参数的估计;重力场模型LP150Q和GLGM-3较适合作远月面大范围的研究,不适合于作远月面重力/地形局部导纳谱与局部相关谱的分析以及作远月面局部区域地球物理参数的估计,SGM150j较适合于作远月面局部区域地球物理参数的估计;近月面大型质量瘤盆地异常质量的尺度比远月面质量瘤盆地异常质量的大,而深度也比远月面的深.     

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。