小行星光学定轨软件研制和数据处理分析

王波, 刘路, 鄢建国, 高梧桐

王波, 刘路, 鄢建国, 高梧桐. 小行星光学定轨软件研制和数据处理分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版). DOI: 10.13203/j.whugis20200195
引用本文: 王波, 刘路, 鄢建国, 高梧桐. 小行星光学定轨软件研制和数据处理分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版). DOI: 10.13203/j.whugis20200195
WANG Bo, LIU Lu, YAN Jianguo, GAO Wutong. Development of Asteroid Optical Determination Software and Data Processing Analysis[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University. DOI: 10.13203/j.whugis20200195
Citation: WANG Bo, LIU Lu, YAN Jianguo, GAO Wutong. Development of Asteroid Optical Determination Software and Data Processing Analysis[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University. DOI: 10.13203/j.whugis20200195

小行星光学定轨软件研制和数据处理分析

基金项目: 

国家自然科学基金(U1831132);湖北省自然科学基金杰出基金(2018CFA087)。

详细信息
    作者简介:

    王波,硕士生,主要从事小行星光学精密定轨。wangbo@whu.edu.cn

    通讯作者:

    鄢建国,博士,教授。jgyan@whu.edu.cn

  • 中图分类号: P228.1

Development of Asteroid Optical Determination Software and Data Processing Analysis

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China (No. U1831132)

  • 摘要: 结合中国航天局2019年4月19日拟定的第一个小行星探测任务规划,本文针对任务目标之一的主带彗星133P/Elst-Pizarro(7968)自主研制了小行星光学定轨软件。使用1979年7月24日至2019年10月28日期间发布的133P/Elst-Pizarro地面光学观测数据进行精密定轨,与国际知名小行星光学定轨软件OrbFit对比分析。对比发现解算结果残差分布一致,两软件生成的残差差值的RMS小于0.01″,定轨的内符合精度相互吻合。这一结果初步表明自主研制的小行星光学定轨程序的可靠性。在此基础上,对133P/Elst-Pizarro开展光学数据仿真定轨分析,研究地面光学数据的定轨精度。结果表明:模拟云南站和智利站每月一次联测,在只考虑观测噪声影响的情况下,添加接近目前实际观测水平的高斯白噪声,使用20年光学观测资料定轨,小行星光学定轨精度在50 km量级。同时验证增加观测数据或降低观测噪声均可有效提高小行星光学定轨精度。
    Abstract: Based on the first asteroid exploration plan announced by China Space Administration on April 19, 2019, we develop an optical orbit determination software for the main belt comet 133P/Elst-Pizarro (7968), which is one of the mission targets. The 133P/Elst-Pizarro's ground-based optical observation data from July 24, 1979 to October 28, 2019 are analyzed. Compared with the well-known OrbFit software system, it is found that the residual distribution is consistent, the measurement statistical residual RMS is less than 0.01″, and the internal coincidence accuracy of orbit determination is also consistent with each other. The results suggests the reliability of our software. Furthermore, we carry out a simulation orbit determination analysis aimed at 133P/Elst-Pizarro to discuss the orbit determination accuracy from ground-based optical data. When we use 20-year optical observation data measured once a mouth from Yunnan and Chile station and adding Gaussian white noise which is close to the current actual observation level, the results reflect that the optical orbit determination accuracy of the asteroid is at 50 km level. At the same time, it also shows that the optical orbit determination accuracy of the asteroid can be effectively improved by increasing the observation data or reducing the observation noise.
  • 图  1   小行星光学定轨解算流程

    Figure  1.   Process of Optical Orbit Determination for Asteroids

    图  2   光学观测量几何示意图

    Figure  2.   Geometrical Diagram of Optical Measurement

    图  3   赤经、赤纬残差互差分布图

    Figure  3.   Difference of the Residuals of Right Ascension and Declination

    图  4   外推星历互差图

    Figure  4.   Difference of Extrapolated Ephemeris

    图  5   方案2联测定轨残差分布

    Figure  5.   Residual of Scheme 2 Joint Measurement

    表  1   动力学模型和时空基准

    Table  1   Dynamic Model and Space-Time Benchmark

    核心模块 项目 内容 备注
    动力学模型 太阳质点引力 太阳是目标小行星的环绕天体
    N体摄动 天体(包括八大行星、月球和冥王星)质点引力摄动 JPL DE431历表[16]
    相对论摄动 太阳质心后牛顿加速度修正
    太阳辐射压 与小行星的密度、有效直径、反射系数等数值有关 133P/Elst-Pizarro相关数据详见文献[9]
    参数估计 状态估计方法 加权最小二乘批处理
    估计参数 定轨历元时刻位置、速度矢量
    时空基准 坐标时 TDB
    参考坐标系 J2000.0日心平黄道坐标系 小行星运动参考系
    其他 地球自转模型 IAU1976/1980岁差章动模型 修正参数取自IERS公报
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    表  2   自主软件参数解算结果

    Table  2   Results of Parameters Solution Using Independent Software

    参数 数值 与初轨偏差 RMS(1$ \mathit{\boldsymbol{\sigma }} $)
    X/km -291 090 530.559 13.986 43.489
    Y/km −317 565 597.602 −22.477 39.189
    Z/km 9 623 769.361 23.739 40.723
    VX/(m⋅s-1 15 055.7 3.631×10-3 0.001 1
    VY/(m⋅s-1 −10 424.3 7.346×10-3 0.001 4
    VZ/(m⋅s-1 113.6 4.543×10-4 0.001 7
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    表  3   OrbFit参数解算结果

    Table  3   Results of Parameters Solution Using OrbFit

    参数 数值 与初轨偏差 RMS(1$ \mathit{\boldsymbol{\sigma }} $)
    X/km -291 090 532.667 16.093 44.477
    Y/km -317 565 610.549 -9.530 39.289
    Z/km 9 623 794.171 -1.071 39.574
    VX/(m⋅s-1 15 055.7 3.881×10-3 0.001 1
    VY/(m⋅s-1 -10 424.3 6.951×10-3 0.001 5
    VZ/(m⋅s-1 113.6 2.290×10-4 0.001 6
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    表  4   初始轨道

    Table  4   Equinoctial Orbital Elements

    参数 数值
    时间 2021-01-01
    半长轴/AU 3.164 263 621 791 612 0
    e$ \times $sin ($ \omega +\mathit{\Omega} $) -0.145 737 655 500 451
    e×cos ($ \omega +\mathit{\Omega} $) 0.058 571 578 867 105
    tan (i/2)×sin $ \mathit{\Omega} $ 0.004 122 980 432 246
    tan (i/2)×cos $ \mathit{\Omega} $ -0.011 400 256 739 563
    平均经度/(°) 77.633 785 095 603 7
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    表  5   不同情况标称轨道与重建轨道差值

    Table  5   Difference Value Between Nominal Orbit and Reconstructed Orbit in Different Cases

    方案 白噪声 数据 dX/m dY/m dZ/m 偏差值/m RMS(1$ \sigma $)/m
    1 联测 -0.05 0.24 -0.01 0.24
    云南站 -0.04 0.24 -0.01 0.24
    2 赤经0.71″
    赤纬0.53″
    联测 -30 519.91 18 815.50 15 651.02 39 120.86 81 714.93
    云南站 34 435.95 18 911.55 10 867.80 40 762.61 129 212.05
    3 赤经0.37″
    赤纬0.37″
    联测 -18 289.31 10 679.24 9 769.22 23 323.44 46 610.53
    云南站 19 144.14 10 929.88 8 315.42 23 560.70 73 702.88
    4 赤经0.03″
    赤纬0.03″
    联测 -1 486.84 868.06 792.09 1 895.16 3 779.23
    云南站 1 548.28 888.39 674.21 1 908.14 5 975.91
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图(5)  /  表(5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-23
  • 网络出版日期:  2023-02-16

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