月球探測器精密定軌軟件研制與四程中繼跟蹤測量模式研究

葉　茂

武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079

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月球探測器精密定軌軟件研制與四程中繼跟蹤測量模式研究

葉茂

武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079

本文以我國即將發(fā)射的“嫦娥五號”“嫦娥四號”任務(wù)為背景，系統(tǒng)性地討論了行星探測器精密定軌和重力場解算的原理、技術(shù)和具體算法，完善月球衛(wèi)星精密定軌的各個細(xì)節(jié)，開發(fā)了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的月球探測器精密定軌與重力場解算軟件系統(tǒng)LUGREAS；提出了基于月球著陸器-軌道器的四程中繼跟蹤測量模式，定量計算了該跟蹤模式對軌道器精密定軌和著陸器精密定位的貢獻(xiàn)。具體研究內(nèi)容包括：

(1) 對行星探測器精密定軌理論進(jìn)行了研究，對精密定軌的流程、多弧段重力場解算原理，以及時空坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理。針對時間系統(tǒng)中UT1和TDB-TT的高精度轉(zhuǎn)換進(jìn)行了討論，比較了JPL/DE430、IMCCE/INPOP13c、IAA/EPM2011/m歷表中TT-TDB的差別；研究了新近DE歷表對月球探測器精密坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的影響。對探測器的精密力模型進(jìn)行了全面的總結(jié)和研究，給出了詳細(xì)的力模型和偏導(dǎo)數(shù)公式，分析了各攝動力模型的量級；對比分析了三種非球形引力攝動的高精度計算方法；對GRAIL探測器的高保真力模型進(jìn)行了初探；詳細(xì)討論了深空探測中常用的測量模型。研究了RAMP多普勒的計算方法，對觀測值介質(zhì)改正進(jìn)行了討論，并對站址改正及其量級進(jìn)行了分析。

(2) 開發(fā)了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的月球探測器精密定軌與重力場解算系統(tǒng)(lunar gravity recovery and analysis system，LUGREAS)。LUGREAS經(jīng)過4年的獨立開發(fā)，目前已初具規(guī)模，積累核心代碼5萬余行，具備嫦娥系列測距測速、VLBI數(shù)據(jù)的處理能力，初步實現(xiàn)了月球重力場解算功能。經(jīng)過與GEODYN-II嚴(yán)格的交叉驗證測試，表明：對于月球探測器的軌道預(yù)報，LUGREAS與GEODYN-II一個月位置最大差值小于0.3 mm，2天位置最大差值小于5×10-3mm；對于雙程測距、雙程測速的理論計算值和GEODYN-II的差值分別在0.06 mm、0.002 mm/s的水平；對于“嫦娥一號”實測跟蹤數(shù)據(jù)的處理分析表明，LUGREAS得到的事后精密軌道和GEODYN-II符合在2 cm量級?？梢哉f，LUGREAS的精度已經(jīng)初步達(dá)到了GEODYN-II的水平。

(3) 采用月球重力場模型GRGM660PRIM，通過與LP150Q和SGM150j模型對比，從軌道預(yù)報和精密定軌兩個角度定量分析了GRGM660PRIM的定軌性能。研究表明：對于衛(wèi)星軌道壽命預(yù)報，GRGM660PRIM并未體現(xiàn)出較大優(yōu)勢，與LP150Q、SGM150j相當(dāng)；對于大傾角的Apollo 16子衛(wèi)星的精密定軌，GRGM660PRIM體現(xiàn)出其高精度高階次的優(yōu)勢，雙程和三程測速殘差顯著下降，定軌精度得到較大提高。

(4) 創(chuàng)新性地提出了基于月球著陸器-軌道器的四程中繼跟蹤的測量模式，給出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式，并在LUGREAS中實現(xiàn)了此測量類型。通過4W L-O RR和2 W RR的模擬觀測值進(jìn)行了精密定軌實驗，表明：由于4W L-O RR具有更好的幾何構(gòu)型和對初軌更高的敏感性，在添加了4W L-O RR觀測值后，軌道器的定軌精度得到了顯著的提升，最大可提高一個數(shù)量級，同時著陸器的位置也能約束在亞米級別。由于4 W L-O RR具有中繼跟蹤特性，可在未來運用于我國“嫦娥四號”任務(wù)和其他遠(yuǎn)月面著陸器的定位上，具有重要的參考意義。

Author： YE Mao(1989—)，male，received his doctoral degree from Wuhan University on June 2016(PhD advisor: Prof. LI Fei), majors in planetary spacecraft precise orbit determination and gravity field.

E-mail： mye@whu.edu.cn

Development of Lunar Spacecraft Precision Orbit Determination Software System and Research on a Four-way Relay Tracking Measurement Mode

YE Mao

State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China

葉茂.月球探測器精密定軌軟件研制與四程中繼跟蹤測量模式研究[J].測繪學(xué)報，2016,45(9)：1132.

10.11947/j.AGCS.2016.20160339.

YE Mao.Development of Lunar Spacecraft Precision Orbit Determination Software System and Research on a Four-way Relay Tracking Measurement Mode[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(9):1132. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20160339.

P228

D

1001-1595(2016)09-1132-01

國家自然科學(xué)基金(41174019；41374024)；湖北省自然科學(xué)基金重點項目創(chuàng)新群體類項目(2015CFA011)

2016-07-04

葉茂(1989—)，男，2016年6月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：李斐教授)，研究方向為行星探測器精密定軌與重力場。