联合测轨VLBI、USB及空间VLBI技术对月球探测器精密定轨的研究

发布时间：2017-12-19 14:12

  本文关键词：联合测轨VLBI、USB及空间VLBI技术对月球探测器精密定轨的研究　出处：《武汉大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：月球作为距离地球最近的自然天体,一直是人类开展深空探测活动的首选目标,目前世界各国实施的探月任务次数几乎占到了总深空任务次数的一半。月球探测主要通过发射月球探测器来进行,而月球探测器的精密定轨在探测任务中占据着重要的地位。探测器定轨精度的高低不仅关系着探测任务能否顺利实施,而且是分析各类探测数据的前提。月球探测器的定轨精度与探测器所受的摄动力模型、观测方程以及测轨技术等因素有关,摄动力模型精度的高低直接影响了探测器的定轨精度,而月球的非球形摄动是月球探测器环月飞行时所受的最大摄动力,因此月球重力场模型的精度直接影响着探测器精密定轨的精度；在定轨过程中涉及的地面测站坐标和探测器坐标分别位于不同的时空参考框架下,因此在建立观测方程时要将二者统一到相同的参考系中,不同坐标系间的相互转换涉及到坐标转换参数,因此坐标转换参数的精度直接影响了坐标转换的精度,从而影响了观测方程的建模精度,最终影响了定轨精度；月球探测任务中往往采用多种测轨技术联合跟踪,例如我国的嫦娥探月工程中,联合使用了统一S波段(USB)测距测速和甚长基线干涉测量(VLBI)进行测定轨,其中VLBI技术的使用显著提高了嫦娥系列探测器的定轨精度。而空间VLBI技术作为地面VLBI技术的延伸,其测量精度进一步提升,同时其观测量丰富了探测器轨道信息,因此联合空间VLBI与其他技术能够提高月球探测器的定轨精度。基于以上分析,本文开展了如下研究工作：(1) 总结了当前国内外主要月球探测器的定轨研究现状,从月球重力场模型和坐标转换参数两个方面分析了其对月球探测器定轨精度的影响,并总结了国内外目前的研究进展；在目前VLBI技术被广泛用于月球探测器测定轨的现状下,分析了空间VLBI技术用于探测器定轨的优势与研究现状。(2) 详细介绍了月球探测器精密定轨的理论基础,介绍了月球探测器在轨飞行时所受的主要摄动力,以及目前主要的月球探测器测轨技术：无线电测距、多普勒测速和VLBI,给出了三种技术的观测模型。详细介绍了月球探测器定轨涉及的时空参考框架,并着重介绍了不同坐标系统、不同时间系统的相互转换。(3) 为研究月球重力场模型对月球探测器定轨精度的影响,利用嫦娥二号VLBI实测数据比较分析了四种月球重力场模型用于嫦娥二号探测器环月段的定轨精度,并研究了不同的月球重力场球谐阶次对定轨精度的影响,通过轨道重叠分析、轨道预报等方式,得出了定轨精度最高的重力场模型,并针对嫦娥二号环月段两种轨道类型得出了定轨解算时所需的最低重力场阶次。(4) 针对精度较低的ERP预报值影响了月球探测器实时定轨精度的问题,提出了将ERP参数与定轨参数共同解算的方法,首次推导了包含ERP估计的VLBI观测模型。通过嫦娥二号实测VLBI数据进行了定轨验证,结果表明该方法显著提高了嫦娥二号奔月段的定轨精度,同时估计的ERP值精度相比预报值也有了一定改进,为提高探测器的定轨精度和ERP预报精度提供了一个双赢的方法,对完成深空探测任务具有一定的创新性和应用价值。(5)为研究空间VLBI对月球探测器精密定轨的影响,首次研究了空间VLBI技术对月球探测器定轨精度的影响,通过模拟的空间VLBI观测数据,联合其他类型的观测数据,对嫦娥二号探测器环月段轨道进行了定轨分析,结果表明空间VLBI数据的加入显著提高了嫦娥二号探测器的定轨精度。同时SVLBI数据的加入有助于提高ERP参数的估计精度。(6) 针对目前可用的月球探测器定轨软件平台一般未涉及到ERP共同解算,设计并编写了具有自主知识产权的月球探测器精密定轨软件,该软件成功实现了ERP参数与探测器定轨参数的共同解算,可进行空间VLBI、USB、地面VLBI等多种观测数据的模拟和定轨解算。通过大量的数值分析和研究对软件的可靠性进行了验证。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P228.6;P172

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本文编号：1308267