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火星探测器精密定轨软件研制及实测数据处理

杨轩 鄢建国 叶茂 李斐 郝卫峰 金炜桐

杨轩, 鄢建国, 叶茂, 李斐, 郝卫峰, 金炜桐. 火星探测器精密定轨软件研制及实测数据处理[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(3): 385-391. doi: 10.13203/j.whugis20160494
引用本文: 杨轩, 鄢建国, 叶茂, 李斐, 郝卫峰, 金炜桐. 火星探测器精密定轨软件研制及实测数据处理[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(3): 385-391. doi: 10.13203/j.whugis20160494
YANG Xuan, YAN Jianguo, YE Mao, LI Fei, HAO Weifeng, JIN Weitong. Development of Precise Orbit Determination Software for Mars Probe and Data Processing for MEX[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(3): 385-391. doi: 10.13203/j.whugis20160494
Citation: YANG Xuan, YAN Jianguo, YE Mao, LI Fei, HAO Weifeng, JIN Weitong. Development of Precise Orbit Determination Software for Mars Probe and Data Processing for MEX[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(3): 385-391. doi: 10.13203/j.whugis20160494

火星探测器精密定轨软件研制及实测数据处理

doi: 10.13203/j.whugis20160494
基金项目: 

国家自然科学基金 41374024

国家自然科学基金 41174019

湖北省自然基金创新群体 2015CFA011

宇航动力学国家重点实验室开放基金 2016ADL-DW0103

中国博士后科学基金 2016M602360

详细信息
    作者简介:

    杨轩, 硕士, 主要从事火星探测器精密定轨及相关科学应用研究。x_yang@whu.edu.cn

    通讯作者: 叶茂, 博士, 助理研究员。mye@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P228

Development of Precise Orbit Determination Software for Mars Probe and Data Processing for MEX

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41374024

The National Natural Science Foundation of China 41174019

the Hubei Province Natural Science Foundation Innovation Group Project 2015CFA011

the Open Research Fund of State Key Laboratory of Astronautic Dynamics 2016ADL-DW0103

the China Postdoctoral Science Foundation 2016M602360

More Information
    Author Bio:

    YANG Xuan, master, specializes in Mars spacecraft precise orbit determination. E-mail: x_yang@whu.edu.cn

    Corresponding author: YE Mao, PhD, assistant professor. E-mail:mye@whu.edu.cn
图(7) / 表(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-28
  • 刊出日期:  2019-03-05

火星探测器精密定轨软件研制及实测数据处理

doi: 10.13203/j.whugis20160494
    基金项目:

    国家自然科学基金 41374024

    国家自然科学基金 41174019

    湖北省自然基金创新群体 2015CFA011

    宇航动力学国家重点实验室开放基金 2016ADL-DW0103

    中国博士后科学基金 2016M602360

    作者简介:

    杨轩, 硕士, 主要从事火星探测器精密定轨及相关科学应用研究。x_yang@whu.edu.cn

    通讯作者: 叶茂, 博士, 助理研究员。mye@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P228

摘要: 研发了一套具有自主知识产权的火星探测器精密定轨及动力学参数解算软件系统,介绍了软件的设计思路与基本结构。对2009年8月中国甚长基线干涉测量网跟踪的火星快车号三程多谱勒数据和相同弧段欧洲空间局的双程多谱勒数据进行了处理。结果表明,对于三程多谱勒数据,精密定轨后的残差处于0.079 mm/s的水平,轨道与比利时皇家天文台发布的火星快车精密轨道(精度20~25 m)最大差距小于100 m;对于欧洲空间局双程多谱勒数据,精密定轨后的残差处于0.067 mm/s的水平,轨道与精密轨道最大差距小于10 m。对火星快车跟踪数据的处理结果表明该软件可靠。

English Abstract

杨轩, 鄢建国, 叶茂, 李斐, 郝卫峰, 金炜桐. 火星探测器精密定轨软件研制及实测数据处理[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(3): 385-391. doi: 10.13203/j.whugis20160494
引用本文: 杨轩, 鄢建国, 叶茂, 李斐, 郝卫峰, 金炜桐. 火星探测器精密定轨软件研制及实测数据处理[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(3): 385-391. doi: 10.13203/j.whugis20160494
YANG Xuan, YAN Jianguo, YE Mao, LI Fei, HAO Weifeng, JIN Weitong. Development of Precise Orbit Determination Software for Mars Probe and Data Processing for MEX[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(3): 385-391. doi: 10.13203/j.whugis20160494
Citation: YANG Xuan, YAN Jianguo, YE Mao, LI Fei, HAO Weifeng, JIN Weitong. Development of Precise Orbit Determination Software for Mars Probe and Data Processing for MEX[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(3): 385-391. doi: 10.13203/j.whugis20160494
  • 火星作为地球的近邻,被认为曾经有过与地球相似的环境,是人类深空探测器到访最多的行星。近60年来,美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)和欧洲空间局(European Space Agency, ESA)都曾多次成功实施火星探测任务,取得了丰硕的成果,火星快车(Mars Express, MEX)即是其中之一。MEX是ESA的首颗火星探测器[1],于2003年6月发射,12月进入环火星轨道,2004年1月进入工作轨道,携带小猎犬2号着陆器和多种探测设备,但是小猎犬2号在与MEX分离后失去联系。MEX在轨运行期间传回了大量火星地表影像等资料,发现火星大气层内存在甲烷[2],火星南极冠存在水冰,并飞越火卫一测量了其质量和低阶重力场等[3-4]。MEX原计划工作运行一个火星年,由于其传回来的资料极具科学价值,并且运行良好,后期进行了多次任务延伸。

    在深空探测中,探测器的定轨定位是任务成败的关键,也是各种科学任务顺利进行的前提[5]。精密的探测器轨道是进行地形地貌测绘的基础数据,也可以用于行星重力场的解算。结合火星重力场和火星地形模型,还可以用来反演火星内部构造,了解火星的演化和起源[6]。行星探测器精密轨道的计算完全依赖于定轨软件平台的支撑。因此,行星探测器精密定轨软件系统的研制在深空探测器定轨中是非常重要的一个环节[7]。目前针对火星探测器跟踪数据进行高精度处理的软件平台包括哥达德航天中心的GEODYN/SOLVE,喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)的ODP及后续更新的MONTE,以及法国空间局和比利时皇家天文台联合开发的GINS。上述3个软件在火星探测器轨道跟踪数据处理方面具有相近的精度。文献[8]利用GEODYN处理了火星全球探勘者号(Mars Global Surveyor, MGS)的跟踪数据,达到了10 m的精度;文献[9]利用ODP处理了火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)的数据,达到了1 m的精度。文献[10]利用GINS处理了MGS和火星奥德赛号的数据,精度为2 m;文献[4]利用GINS对MEX数据进行了处理,达到了20~25 m的精度;考虑到国外对中国行星探测器精密定轨软件使用的限制,为了保证中国火星探测器轨道跟踪数据的高精度处理及科学探测目标的顺利实施,有必要研制自主的火星探测器精密定轨及动力学参数解算软件平台。基于萤火一号任务,上海天文台和北京航天飞行控制中心分别研制了火星探测器精密定轨软件系统[11-12]

    武汉大学行星探测器精密定轨与重力场研究团队自中国的“嫦娥一号”预研阶段起,就积极参与中国行星测地科学的研究,并研制了行星探测器精密定轨与动力学参数解算软件平台。本文在已有的月球探测器精密定轨与重力场解算系统的基础上[5, 13-14],经过功能拓展和模块开发,研发了火星重力场解算和分析系统(Mars gravity recove-ry and analysis software/system,MAGREAS)。利用改进的动力学模型和火星定向模型,使用MAGREAS软件同时处理了中国甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)网观测MEX的三程多谱勒数据和同时段ESA跟踪MEX的双程多谱勒数据,并把得到的重建轨道与比利时皇家天文台的MEX精密轨道对比,以验证MAGREAS软件处理的精度。进行观测量残差和与比利时皇家天文台提供的精密星历的差异表明,该软件解算结果较为可靠,可为中国火星探测任务轨道跟踪数据处理提供一定的参考。

    • MAGREAS基于Fortran 90语言编写,可扩展性良好,该软件使用动力学法精密定轨[14],主要功能包括火星卫星探测器轨道预报、观测值模拟生成、火星探测器精密定轨以及火星重力场模型解算。可以解算的参数包括初始轨道根数、太阳光压系数、大气阻力系数、经验加速度、测站偏差等局部参数,以及火星重力场模型位系数、火星固体潮Love数、火星着陆器位置等全局参数。

    • MAGREAS采用经典加权最小二乘方法求得单弧段局部参数解,然后联合多个单弧段法方程,利用批处理方法求解得到重力场位系数、火星Love数及其他动力学参数等全局参数改正数,通过迭代处理,得到收敛解。图 1为软件精密定轨与重力场解算流程。

      图  1  软件精密定轨与重力场解算流程

      Figure 1.  Process of POD and Gravity Field Recovery

    • 由于软件采用了更为灵活的Fortran 90语言编写,充分利用了其封装的特性,各个模块之间既相互独立,又具有简单的接口来互相通信。MAGREAS各个模块之间的关系见图 2

      图  2  MAGREAS各个模块之间的关系

      Figure 2.  Relationship for Each Module in MAGREAS

    • 本文用到的MEX观测数据包括双程和三程多谱勒。ESA在美国深空网(Deep Space Network, DSN)的支持下,利用位于澳大利亚的新诺舍站对MEX进行了S波段和X波段跟踪测量。中国VLBI网分布在上海、北京、昆明和乌鲁木齐,在嫦娥系列月球探测任务中逐渐发展成熟,并且已经可以用于火星探测任务。在ESA的支持下,上海天文台曾组织对MEX进行了3次观测,得到了VLBI时延、时延率和三程多谱勒数据[15-16]。本节介绍了软件实现中采用的三程多谱勒模型,并对解算数据的配置进行了说明。

    • 三程模式是地面跟踪站向探测器发射上行信号,由星上转发器接收,产生一个相干的下行信号,然后由另一地面站接收。双程模式与三程多谱勒模式类似,不同之处在于双程模式发射站与接收站相同。双程模式是一种闭环跟踪模式,而三程模式是开环跟踪模式,其通信链路两端开放[17]图 3为深空测量中的双程和三程模式示意图,其中t1为信号发射时刻,t2为探测器发射下行信号时刻,t3为地面站接收信号时刻。在求解计算值时,需要用到光行时的解算,具体方法可参考文献[18]。

      图  3  深空跟踪双程/三程模式

      Figure 3.  Two-Way and Three-Way Doppler Tracking Models

    • 实测数据使用2009年8月7日20:00至8日04:11上海天文台组织观测的MEX三程多谱勒数据和相同时间段内ESA的双程多谱勒数据,采样率均为5 s。欧洲空间局MEX双程数据的速度噪声水平随着日-地-火的夹角而变化,1 s采样率的噪声变化范围是0.05~0.37 mm/s,平均为0.13 mm/s,10 s采样率的平均噪声为0.051 mm/s[3]。实测数据处理中考虑的火星对探测器的主要摄动力具体描述见表 1。火星重力场模型使用JPL最新发布的MRO120D模型,与之对应的火固系为Pathfinder火星定向模型,相应的k2=0.169。由于火星上存在稀薄的大气,对于近火点298 km的MEX探测器来说不可忽略,文献[19]对火星大气模型进行了详细的建模。初始轨道来源于比利时皇家天文台MEX的精密星历,解算参数包括探测器位置速度以及光压、大气阻力参数等。另外,对于三程测速,由于收发站不同,在解算中需要考虑测量偏差(Bias)的影响。

      表 1  解算配置

      Table 1.  Configuration of MAGREAS

      项目 模型
      非球形引力 MRO120D[20]
      N体摄动 太阳、行星以及火卫一、火卫二
      太阳光压 固定面质比,柱形模型,Cr=1.20
      相对论摄动 Schwarzschild
      火星固体潮 k2=0.169
      火星大气阻力 Stewart 1987大气密度模型[19]
      惯性系 火星J2000天球坐标系
      火固系 Pathfinder火星定向模型
      测站位置改正 地球固体潮、海潮和极潮改正
      对流层延迟 Hopfield模型
    • 图 4图 5分别给出了双程和三程测速数据定轨解算前后的残差,表 2给出了定轨前后测速残差的统计信息。由图 4图 5表 2可以看出,定轨前的双程和三程测速残差分布较为接近,说明三程多谱勒观测过程可靠。通过对比可以发现,不论是三程数据还是双程数据,定轨后的残差都有了明显减小,且定轨后的残差无系统趋势。分别采用上海、昆明和乌鲁木齐3个站的三程测速数据单独精密定轨后,新诺舍-昆明和新诺舍-乌鲁木齐的三程测速残差与双程测速残差精度水平一致,这一结果说明定轨软件拟合效果较好。由于观测弧段有限,这一结果不具有统计意义,不能表明这两个站的三程测速精度能达到双程测速的精度水平。将3个站的数据综合定轨时,三程测速的残差均方根(root mean square, RMS)为0.079 mm/s,略高于双程测速的残差RMS值。

      图  4  双程测速残差分布

      Figure 4.  Residuals of Two-Way Doppler

      图  5  三程测速残差分布

      Figure 5.  Residuals of Three-Way Doppler

      表 2  定轨前后测速残差统计信息/(mm·s- 1)

      Table 2.  Statistical Information of Pre-fit and Post-fit RMS / (mm·s-1)

      模式 测站 定轨前 定轨后 Bias
      均值 RMS 均值 RMS
      双程 新诺舍-新诺舍 0.065 0.156 0 0.067
      新诺舍-上海 0.165 0.190 0 0.104 0.005
      三程 新诺舍-昆明 0.026 0.169 0 0.064 -0.139
      新诺舍-乌鲁木齐 0.052 0.147 0 0.059 -0.131
      三程合并处理 0.083 0.182 0 0.079

      由于观测数据的时间范围是2009年8月7日20:00至8日04:00,并且在8日09:48:34发生了动量轮卸载。为了验证自主软件轨道解算的稳定性,本文与比利时皇家天文台的精密MEX星历比较时,将解算轨道外推5 h至轨道机动前的8日09:00。表 3给出了分别采用双程和三程测速数据解算的初轨与光压系数Cr、大气阻力系数Cd表 4列出了不估计太阳光压和大气阻力系数的定轨结果。从表 3表 4这两种不同解算配置的结果中,可以发现双程和三程数据解算的光压参数较为接近,得到了稳定的CrCd,说明太阳光压与大气阻力的建模较为可靠。同时,表 3表 4解算后的初始轨道根数相差不大,且表 3CrCd的计算值和先验值相似,说明CrCd的先验值较为精确。图 6图 7为估计CrCd的情况下,两组轨道在径向(R)、切向(T)和法向(N)之间的差异。其中,图 6为双程测速解算的轨道以及外推5 h轨道与精密轨道差异,图 7为三程测速解算的轨道以及外推5 h轨道与精密轨道差异。

      表 3  参数解算结果(估计CrCd)

      Table 3.  Results of Parameter Solution (Estimating Cr and Cd)

      模式 X/ km Y/km Z/km VX/ (m·s-1) VY/ (m·s-1) VZ/ (m·s-1) Cr Cd
      初轨 -6 620.001 9 111.514 7 910.212 449.235 -488.001 941.008 1.200 0.400
      双程 -6 620.000 9 111.512 7 910.214 449.235 -488.001 941.007 1.204 0.305
      三程 -6 620.032 9 111.550 7 910.144 449.226 -488.001 941.011 1.192 0.340

      表 4  参数解算结果(不估计CrCd)

      Table 4.  Results of Parameter Solution (Not Estimating Cr and Cd)

      模式 X/ km Y/ km Z/ km VX/ (m·s-1) VY/ (m·s-1) VZ/ (m·s-1)
      初轨 -6 620.001 9 111.514 7 910.212 449.235 -488.001 941.008
      双程 -6 619.992 9 111.503 7 910.232 449.237 -488.001 941.006
      三程 -6 620.065 9 111.589 7 910.073 449.216 -488.001 941.016

      图  6  双程数据解算的轨道以及外推5 h轨道与比利时皇家天文台精密星历之差

      Figure 6.  Differences Between Precise Orbit from ROB and Reconstructed Orbit with Extrapolating five Hours Orbit of Two-Way Doppler

      图  7  三程数据解算的轨道以及外推5 h轨道与比利时皇家天文台精密星历之差

      Figure 7.  Differences Between Precise Orbit from ROB and Reconstructed Orbit with Extrapolating five Hours Orbit of Three-Way Doppler

      图 6图 7可以看出,利用双程测速解算的轨道与比利时皇家天文台精密星历的差异要远远小于三程测速的情况。双程测速解算对应的差异的最大值在沿迹方向最大值不超过10 m;而三程测速对应的差异在沿迹方向最大差值小于100 m。图 6图 7的结果说明双程测速解算的轨道精度要优于三程测速解算得到的轨道,这主要是由于双程采用的闭环测量模式,同频段观测的情况下要优于开环模式的三程测量。由图 6可以看出,利用双程测速数据解算的轨道与比利时皇家天文台提供的精密轨道的差异在精密轨道精度范围之内,说明由自主软件解算的轨道精度达到了比利时皇家天文台发布的精密轨道精度的水平。由于本文采用了精密的发射频率数据、精确的光行时解算模式、精确的力模型和定向模型,三程测速解算的轨道与精密轨道的最大差异在沿迹方向最大小于100 m,略优于之前MarsODP发布的结果,其沿迹方向最大差异达600 m[16-17]

    • 经过测试,武汉大学火星探测器精密定轨与动力学参数解算软件MAGREAS已经可以取得较为可靠的结果。利用ESA的MEX双程测速数据精密定轨后的残差处于0.067 mm/s的水平,轨道与比利时皇家天文台发布的MEX精密轨道最大差距小于10 m。对中国甚长基线干涉测量网观测的三程测速数据定轨后与精密轨道相差小于100 m,残差为0.079 mm/s,说明软件具有良好的定轨精度,对本文弧段的处理达到了比利时皇家天文台发布的精密星历的精度水平。

      本文利用双程测速的数据解算得到的轨道与比利时皇家天文台提供的MEX精密轨道之间的差异,主要是因为两个软件采用的积分器和力模型实现细节存在差异,解算弧段长度也不同。比利时皇家天文台在解算MEX轨道中选取的弧段长度一般为7 d,精确考虑了MEX的轨道机动模型。后续工作中将搜集MEX轨道调整信息,开展MEX长弧段定轨,进一步提升自主软件MAGREAS的性能和精度。

参考文献 (20)

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