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水星探测器精密定轨软件研制及应用

刘山洪 鄢建国 杨轩 叶茂 金炜桐 李斐

刘山洪, 鄢建国, 杨轩, 叶茂, 金炜桐, 李斐. 水星探测器精密定轨软件研制及应用[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(4): 510-517. doi: 10.13203/j.whugis20170211
引用本文: 刘山洪, 鄢建国, 杨轩, 叶茂, 金炜桐, 李斐. 水星探测器精密定轨软件研制及应用[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(4): 510-517. doi: 10.13203/j.whugis20170211
LIU Shanhong, YAN Jianguo, YANG Xuan, YE Mao, JIN Weitong, LI Fei. Development of Mercury Precise Orbit Determination Software and Application[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 510-517. doi: 10.13203/j.whugis20170211
Citation: LIU Shanhong, YAN Jianguo, YANG Xuan, YE Mao, JIN Weitong, LI Fei. Development of Mercury Precise Orbit Determination Software and Application[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 510-517. doi: 10.13203/j.whugis20170211

水星探测器精密定轨软件研制及应用

doi: 10.13203/j.whugis20170211
基金项目: 

国家自然科学基金 41374024

国家自然科学基金 41174019

湖北省自然科学基金 2015CFA011

详细信息

Development of Mercury Precise Orbit Determination Software and Application

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41374024

The National Natural Science Foundation of China 41174019

Innovation Group of Natural Science Fundation of Hubei Province 2015CFA011

More Information
    Author Bio:

    LIU Shanhong, postgraduate, specializes in planetary spacecraft precision orbit determination. E-mail:shanhongliu@whu.edu.cn

    Corresponding author: YAN Jianguo, PhD, professor. E-mail:jgyan@whu.edu.cn
  • 摘要: 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。
  • 图  1  双程观测模式以及同波束VLBI

    Figure  1.  Two-Way Measurement and SBI(same-beam VLBI)

    图  2  软件精密定轨与重力场解算流程

    Figure  2.  Flowchart of Precise Orbit Determination (POD) and Gravity Field Recovery

    图  3  MERGREAS与GEODYN-Ⅱ预报水星卫星星历差异

    Figure  3.  The Differences of Forecasting Ephemeris Between MERGREAS and GEODYN-Ⅱ for Mercury Probe

    图  4  MERGREAS与GEODYN-Ⅱ模拟观测量残差

    Figure  4.  Residual of Simulation Observation Between MERGREAS and GEODYN-Ⅱ

    图  5  双程测速残差分布

    Figure  5.  Residuals of Two-Way Doppler

    图  6  水星着陆器在喀什和青岛站联合观测可量测差分相时延

    Figure  6.  Differential Phase Delay of Mercury Lander Based on Kashi Station and Qingdao Station

    图  7  重力场模型水星表面自由空气重力异常

    Figure  7.  Free-Air Anomalies from Mercury Gravity Models

    表  1  解算参数配置

    Table  1.   The Configuration of MERGREAS

    项目 类型 具体说明
    力模型 非球形引力 HGM007A,截断至50阶次
    N体摄动 太阳以及其他太阳系行星
    太阳光压摄动 固定面质比
    相对论摄动 点质量摄动和测地岁差
    改正 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+CfA2.2映射函数
    光速改正 相对论效应
    其他模
    型参数
    TDB-TT模型 Moyer 1982模型
    地球自转模型 IAU1976/1980岁差章动模型极移参
    数取自IERS C04,采用双线性插值方法
    行星历表 DE421
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    表  2  MERGREAS仿真观测量设置

    Table  2.   Simulation Observation Setting of MERGREAS

    参数 详细说明
    测量模型 双程测速模型,多普勒计数间隔10 s
    跟踪测站 喀什站
    截止高度角
    水星自转模型 IAU水星定向模型
    水星惯性系 水星J2000天球坐标系
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    表  3  精密定轨改正量/m

    Table  3.   The Correction of Initial Orbit for Precise Orbit Determination /m

    弧段 GEODYN-Ⅱ
    (0.1 mm·s-1)
    MERGREAS
    (0.1 mm·s-1)
    ΔX ΔY ΔZ ΔX ΔY ΔZ
    1 101.2 -97.0 98.6 101.3 -96.6 98.6
    2 108.1 -82.2 101.6 108.1 -81.9 101.8
    3 115.6 -66.3 111.2 115.7 -66.1 111.1
    4 91.8 -117.7 92.1 91.6 -118.4 91.7
    5 98.0 -103.9 97.8 98.2 -103.4 98.0
    6 101.6 -95.5 102.4 101.5 -96.2 101.9
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    表  4  水星轨道器和着陆器的定位仿真结果

    Table  4.   Simulation Result of Positioning for Mercury Orbiter and Lander

    迭代
    次数
    数据
    类别
    同波束VLBI数据联合双程测速数据定轨 双程测速数据定轨
    X/m Y/m Z/m ΔX/m ΔY/m ΔZ/m X/m Y/m Z/m
    1 轨道器 110.206 -76.686 90.200 10.206 23.314 -9.800 98.361 -103.866 101.153
    着陆器 505.289 -486.634 0.440 5.289 13.366 0.440
    2 轨道器 -10.501 -23.990 10.037 -0.295 -0.676 0.237
    着陆器 -4.780 -12.089 -0.535 0.509 1.277 -0.095
    3 轨道器 0.283 -0.650 -0.269 -0.012 -1.326 -0.032
    着陆器 -0.291 -0.421 0.030 0.218 0.856 -0.065
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    表  5  水星轨道器和着陆器的同波束VLBI数据联合双程测速数据定位改正结果

    Table  5.   Correction Results of Positioning for Orbiter and Lander Considering the Error Mercury Gravity Field and Rotation Model Based on SBI and Two-Way Range-Rate Data

    迭代
    次数
    数据
    类别
    加入水星重力场模型误差 加入水星自转模型误差 加入水星重力场模型和自转模型误差
    X/m Y/m Z/m X/m Y/m Z/m X/m Y/m Z/m
    1 轨道器 136.676 -16.972 64.520 124.700 -43.307 76.429 93.837 -91.689 85.032
    着陆器 461.790 -469.505 0.551 458.545 -521.304 1.141 250.604 499.258 -2.094
    2 轨道器 -38.716 -87.462 36.384 -25.019 -56.766 23.607 4.542 -21.761 15.448
    着陆器 3.114 0 7.515 6 0.235 0 0.285 0 0.847 0 0.006 9 -0.478 6 -0.712 6 -0.243 4
    3 轨道器 -0.096 -0.217 -0.091 -0.019 -0.040 9 0.017 -0.005 -0.033 0.001
    着陆器 -0.604 -1.605 -0.043 -0.164 -0.601 -0.014 -0.428 -1.196 -0.089
    误差 轨道器 -2.136 -4.651 0.813 -0.338 -0.114 0.053 -1.626 -13.483 0.481
    着陆器 -35.096 -38.011 0.786 -41.334 -21.059 1.134 -250.302 6 -2.650 6 -2.426 4
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-22
  • 刊出日期:  2019-04-05

水星探测器精密定轨软件研制及应用

doi: 10.13203/j.whugis20170211
    基金项目:

    国家自然科学基金 41374024

    国家自然科学基金 41174019

    湖北省自然科学基金 2015CFA011

    作者简介:

    刘山洪, 硕士生, 主要从事行星探测器精密定轨。shanhongliu@whu.edu.cn

    通讯作者: 鄢建国, 博士, 教授。jgyan@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P228

摘要: 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。

English Abstract

刘山洪, 鄢建国, 杨轩, 叶茂, 金炜桐, 李斐. 水星探测器精密定轨软件研制及应用[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(4): 510-517. doi: 10.13203/j.whugis20170211
引用本文: 刘山洪, 鄢建国, 杨轩, 叶茂, 金炜桐, 李斐. 水星探测器精密定轨软件研制及应用[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(4): 510-517. doi: 10.13203/j.whugis20170211
LIU Shanhong, YAN Jianguo, YANG Xuan, YE Mao, JIN Weitong, LI Fei. Development of Mercury Precise Orbit Determination Software and Application[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 510-517. doi: 10.13203/j.whugis20170211
Citation: LIU Shanhong, YAN Jianguo, YANG Xuan, YE Mao, JIN Weitong, LI Fei. Development of Mercury Precise Orbit Determination Software and Application[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 510-517. doi: 10.13203/j.whugis20170211
  • 中国深空探测技术伴随着探月工程的推进迅速发展,自2007年中国“嫦娥一号”绕月探测卫星发射以来,已经陆续成功发射了“嫦娥二号”“嫦娥三号”[1-2]和“嫦娥四号”(http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n214/c1982903/content.html ),目前正在准备进行“嫦娥五号”任务发射。中国的火星探测任务已正式立项,对小行星、水星和木星系的探测也提上日程[1]

    水星作为太阳系中距离太阳最近的类地行星,是深空探测的热点对象。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)已经成功实施两次水星探测任务。“水手10号”是人类第一颗成功飞掠水星的探测器,初步揭示了水星的基本情况[3-4]。“信使号”经过近7 a的飞行,2011年进入环水星轨道,搭载的科学载荷获取了大量的数据,进一步揭示了水星环境[4-5]。日本宇宙航空研究开发机构和欧洲航天局(欧空局)合作的BepiColombo任务已于2018年10月发射,该任务包括两个环绕探测器:欧空局MPO(mercury planetary orbiter)用于研究水星表面地形、重力场及内部结构[6];日本宇宙航空研究开发机构负责的MMO(mercury magnetospheric orbiter)主要探测水星的磁场[7]

    水星探测器的精密定轨定位是任务成败的关键和各种科学任务顺利进行的前提[8]。探测器精密轨道是地形测绘、行星重力场解算和反演行星内部构造的基础数据,针对水星探测任务的精密定轨软件系统研制是水星探测的基本环节[9]。水星探测器跟踪数据的处理软件主要有喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)的MONTE (Mission Analysis, Operations and Navigation Toolkit Environment)、哥达德航天中心(Goddard Space Flight Center, GSFC)的GEODYN-Ⅱ以及比萨大学开发的ORBIT14等[10-11]。其中GEODYN-Ⅱ广泛应用于行星探测器的精密定轨与动力学参数的估计,经受过数次行星际实测任务的考验,例如月球探测任务月球探勘者号(Lunar Prospector, LP)、月亮女神号(Selenological and Engineering Explorer, SELENE)、月球勘测轨道飞行器(Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO)、重力重建与内部结构实验室(Gravity Recovery and Interior Laboratory, GRAIL)、火星探测任务中火星全球测量者号(Mars Global Surveyor, MGS)、奥德赛号(Odyssey)、火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)、水星探测任务“信使号”(Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging, MESSENGER)、小行星探测任务黎明号(Dawn)和欧西里斯号(Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer, OSIRIS-Rex)等,并取得了可靠的结果。

    为开展中国水星探测器轨道跟踪数据的高精度处理及水星重力场与内部结构研究,武汉大学自主研制了一套水星探测器精密定轨及重力场解算分析系统——MERGREAS(Mercury Gravity Recovery and Analysis Software/System)。本文首先对MERGREAS进行介绍,然后采用GEODYN-Ⅱ作为交叉对比验证软件,在轨道预报、模拟观测值和精密定轨等3方面与GEODYN-Ⅱ进行详细对比。基于同波束数据,分析水星重力场和自转模型误差对水星探测器精密定轨和着陆器精密定位的影响。

    • MERGREAS采用含有测量误差的测量数据,结合探测器受到的动力学约束,估计探测器的最佳状态,一步法恢复重力场和其他动力学参数[12-13]。MERGREAS目前具备水星探测器星历预报、模拟多源观测数据以及仿真分析和水星探测器精密定轨及水星重力场解算功能,支持处理和模拟单程测速、双程测速/测距、三程测速/测距、甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)时延/时延率、同波束时延以及四程Doppler等深空网跟踪观测数据[14]。其仿真双程和同波束模式如图 1所示。MERGREAS通过处理观测数据可实现水星探测器的精密定轨和着陆器的定位,且具备解算水星重力场的能力。

      图  1  双程观测模式以及同波束VLBI

      Figure 1.  Two-Way Measurement and SBI(same-beam VLBI)

      设计MERGREAS是为了精确确定水星探测器的轨道,其精密定轨的精度已达到目前国际水平。在此基础上,进一步解算水星重力场、水星自转参数和拉夫数等动力学参数等,为后续水星内部结构的研究提供支撑。图 2为软件精密定轨与重力场解算流程图。

      图  2  软件精密定轨与重力场解算流程

      Figure 2.  Flowchart of Precise Orbit Determination (POD) and Gravity Field Recovery

      MERGREAS使用Fortran 90语言编写,采用自上而下、逐步求精的设计原则,把功能相似的函数封装到1个模块中,共包括14个模块,各模块之间相互独立,通过接口互相通信。这种设计有利于针对不同的水星探测任务进行适应性改造设计。

    • 本文选取MESSENGER实际工作过的轨道作为MERGREAS与GEODYN-Ⅱ交叉验证的轨道。MESSENGER初始轨道根数通过NAIF(navigation and ancillary information facility)的SPICE读取得到,初轨时刻设置为协调世界时2011-09-11 08:00:00,解算配置见表 1

      表 1  解算参数配置

      Table 1.  The Configuration of MERGREAS

      项目 类型 具体说明
      力模型 非球形引力 HGM007A,截断至50阶次
      N体摄动 太阳以及其他太阳系行星
      太阳光压摄动 固定面质比
      相对论摄动 点质量摄动和测地岁差
      改正 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+CfA2.2映射函数
      光速改正 相对论效应
      其他模
      型参数
      TDB-TT模型 Moyer 1982模型
      地球自转模型 IAU1976/1980岁差章动模型极移参
      数取自IERS C04,采用双线性插值方法
      行星历表 DE421

      MERGREAS和GEODYN-Ⅱ设置参数相同,预报7天的MESSENGER星历,图 3(a)给出了预报星历的差异(R为径向,T为径轨向,N为轨道面法向)。1天内的星历预报差异在10-7~10-8 m的量级,预报7天星历之后,其中轨道偏差在10-5 m量级(0.01 mm)。如图 3(b)所示,速度偏差在10-8~10-12 m/s的量级上。通过分析轨道几何构型,发现初始轨道时间2011-09-11 08:00:00处于近水星点附近,加速度较大,积分器右函数变化较快;相同步长之下,同飞行器受力变化较慢的情况相比,损失的信息多。在其他阶段由于加速度小,积分器的精度会进一步提高,残差将进一步缩小。图 3也基本反映了轨道预报中使用的力模型和积分器的可靠性。

      图  3  MERGREAS与GEODYN-Ⅱ预报水星卫星星历差异

      Figure 3.  The Differences of Forecasting Ephemeris Between MERGREAS and GEODYN-Ⅱ for Mercury Probe

    • 利用MERGREAS与GEODYN-Ⅱ分别进行观测数据模拟,详细参数设置见表 2

      表 2  MERGREAS仿真观测量设置

      Table 2.  Simulation Observation Setting of MERGREAS

      参数 详细说明
      测量模型 双程测速模型,多普勒计数间隔10 s
      跟踪测站 喀什站
      截止高度角
      水星自转模型 IAU水星定向模型
      水星惯性系 水星J2000天球坐标系

      在不添加随机噪声的情况下,从2011-09-11 08:00:00至2011-09-18 08:00:00连续模拟观测量,并将两系统的模拟观测量残差绘制在图 4中。从图 4(a)可以看出,MERGREAS在模拟双程测速跟踪观测值时与GEODYN-Ⅱ的差异在10-6 m/s量级。由于计算机浮点数模型的精度有限,在行星际的探测任务中,探测器距离地面测站遥远,计算距离量和必要的距离差分量在计算机中只能精确至毫米级[15]。如图 4(b)所示,前6天内MERGREAS与GEODYN-Ⅱ双程测距差距量级为10-4 m。若积分间隔设置为1 000 s,测速计算值的精度将进一步提升两个量级。MERGREAS软件的高精度数据处理功能有利于后续对测量精度要求较高的水星探测任务的模拟甚至实测数据的处理[16-18]

      图  4  MERGREAS与GEODYN-Ⅱ模拟观测量残差

      Figure 4.  Residual of Simulation Observation Between MERGREAS and GEODYN-Ⅱ

    • 对MERGREAS和GEODYN-Ⅱ进行精密定轨性能分析,对比实验选取6个弧段。

      精密定轨之前,在初始轨道的X轴、Y轴、Z轴上分别加上-100.0 m、100.0 m、-100.0 m的偏差。为了交叉对比的全面性,考虑模拟观测数据不加噪声和加噪声两种情况。MERGREAS和GEODYN-Ⅱ利用零噪声观测值进行精密定轨的定轨差距均小于0.01 m,几乎将偏差全部改正,说明MERGREAS内恰性可以达到与GEODYN-Ⅱ一致的水平。考虑噪声时,为了避免添加噪声的随机性和不同软件模拟观测值产生细微误差的影响,仅用GEODYN-Ⅱ生成观测数据,加上0.1 mm/s的高斯白噪声,MERGREAS和GEODYN-Ⅱ使用相同的观测数据进行精密定轨,解算结果列在表 3。从表 3中可以看出,GEODYN-Ⅱ和MERGREAS解算的位置误差最大为X方向0.2 m,Y方向0.7 m,Z方向0.5 m,说明MERGREAS也具有良好的外符合性。

      表 3  精密定轨改正量/m

      Table 3.  The Correction of Initial Orbit for Precise Orbit Determination /m

      弧段 GEODYN-Ⅱ
      (0.1 mm·s-1)
      MERGREAS
      (0.1 mm·s-1)
      ΔX ΔY ΔZ ΔX ΔY ΔZ
      1 101.2 -97.0 98.6 101.3 -96.6 98.6
      2 108.1 -82.2 101.6 108.1 -81.9 101.8
      3 115.6 -66.3 111.2 115.7 -66.1 111.1
      4 91.8 -117.7 92.1 91.6 -118.4 91.7
      5 98.0 -103.9 97.8 98.2 -103.4 98.0
      6 101.6 -95.5 102.4 101.5 -96.2 101.9

      图 5绘制出了MERGREAS在增加噪声的情形下,对双程测速数据定轨解算前后的残差,蓝色为定轨前,红色为定轨后。通过6个弧段的对比可以明显发现,6个弧段定轨后的残差明显减小,且定轨后的残差无系统趋势,进一步证实MERGREAS精密定轨的优良性能。

      图  5  双程测速残差分布

      Figure 5.  Residuals of Two-Way Doppler

    • 利用MERGREAS进行同波束模拟并测试其解算功能。仿真测站为喀什站和青岛站,观测水星着陆器和轨道器,着陆器位于(54.4°N,49.9°E), 距水星质心为2 439 800.0 m,轨道器选择2011-09-11 08:00:00世界协调时为时间起点,初始轨道根数设置和§3相同。使用MERGREAS模拟水星着陆器和轨道器的同波束VLBI观测量,其中同波束VLBI的优势可以一定程度消除电离层、大气及观测装置的影响。轨道器和着陆器同波束差分相时延的随机噪声设为3 mm (10 ps),图 6为模拟同波束观测量的分布。本节利用的双程测速数据是由MERGREAS模拟生成,添加0.1 mm/s的高斯白噪声。

      图  6  水星着陆器在喀什和青岛站联合观测可量测差分相时延

      Figure 6.  Differential Phase Delay of Mercury Lander Based on Kashi Station and Qingdao Station

    • 精密定轨前,对着陆器XY方向分别加上-500 m、500 m的偏差,轨道器初始轨道3个位置分量分别添加-100 m、100 m、-100 m的偏差,精密定轨使用同波束观测数据和双程测速数据。

      定轨结果列在表 4中,表 4XYZ为改正量,ΔX、ΔY、ΔZ为误差,最后3列为单独使用本时段的双程测速数据进行精密定轨的结果。可以看出,同波束数据对水星轨道器定轨亦有贡献,单独双程数据轨道器定轨位置误差在5 m左右,加入同波束之后,经过3次迭代可达到1 m左右。使用同波束数据联合双程测速数据进行着陆器精密定轨定位,着陆器经过第一次迭代,定位位置误差为14.38 m,第二次为1.38 m, 第三次为0.88 m。

      表 4  水星轨道器和着陆器的定位仿真结果

      Table 4.  Simulation Result of Positioning for Mercury Orbiter and Lander

      迭代
      次数
      数据
      类别
      同波束VLBI数据联合双程测速数据定轨 双程测速数据定轨
      X/m Y/m Z/m ΔX/m ΔY/m ΔZ/m X/m Y/m Z/m
      1 轨道器 110.206 -76.686 90.200 10.206 23.314 -9.800 98.361 -103.866 101.153
      着陆器 505.289 -486.634 0.440 5.289 13.366 0.440
      2 轨道器 -10.501 -23.990 10.037 -0.295 -0.676 0.237
      着陆器 -4.780 -12.089 -0.535 0.509 1.277 -0.095
      3 轨道器 0.283 -0.650 -0.269 -0.012 -1.326 -0.032
      着陆器 -0.291 -0.421 0.030 0.218 0.856 -0.065
    • 在§4.2仅考虑测量噪声的前提下,进一步分析水星重力场误差和水星自转模型误差对解算水星轨道器和着陆器的影响。双程测速数据与同波束数据基于最新水星重力场模型HGM007A仿真得到,定轨时在水星重力场模型上加上3倍重力场系数不确定度作为误差。图 7给出了两个重力场模型的大地水准面空气重力异常的分布,采用Mollweide投影,加入误差之后,水星重力场的分辨率大大降低了,且水星重力场上重力噪声明显,在赤经、赤纬方向上分别加上0.001 2°、0.000 72°[19]

      图  7  重力场模型水星表面自由空气重力异常

      Figure 7.  Free-Air Anomalies from Mercury Gravity Models

      定轨结果列在表 5中,第3~5列为加上重力场误差进行精密定轨的结果,轨道器定轨位置误差在5 m左右,比不加重力场误差定轨精度稍有降低。而对着陆器的影响较大,其定位精度在52 m左右,说明重力场的细微误差对于轨道器的影响并不明显。表 5中第6~8列为加上水星自转模型误差之后的定轨定位结果,可以看出水星自转模型误差对于轨道器的定轨影响较小,对于着陆器的影响明显,其定位精度在46 m左右。表 5中第9~11列是综合考虑水星重力场误差和自转模型误差的结果,是最接近真实探测情况的,其轨道器的位置误差为13.6 m,着陆器的位置误差为250.3 m。

      表 5  水星轨道器和着陆器的同波束VLBI数据联合双程测速数据定位改正结果

      Table 5.  Correction Results of Positioning for Orbiter and Lander Considering the Error Mercury Gravity Field and Rotation Model Based on SBI and Two-Way Range-Rate Data

      迭代
      次数
      数据
      类别
      加入水星重力场模型误差 加入水星自转模型误差 加入水星重力场模型和自转模型误差
      X/m Y/m Z/m X/m Y/m Z/m X/m Y/m Z/m
      1 轨道器 136.676 -16.972 64.520 124.700 -43.307 76.429 93.837 -91.689 85.032
      着陆器 461.790 -469.505 0.551 458.545 -521.304 1.141 250.604 499.258 -2.094
      2 轨道器 -38.716 -87.462 36.384 -25.019 -56.766 23.607 4.542 -21.761 15.448
      着陆器 3.114 0 7.515 6 0.235 0 0.285 0 0.847 0 0.006 9 -0.478 6 -0.712 6 -0.243 4
      3 轨道器 -0.096 -0.217 -0.091 -0.019 -0.040 9 0.017 -0.005 -0.033 0.001
      着陆器 -0.604 -1.605 -0.043 -0.164 -0.601 -0.014 -0.428 -1.196 -0.089
      误差 轨道器 -2.136 -4.651 0.813 -0.338 -0.114 0.053 -1.626 -13.483 0.481
      着陆器 -35.096 -38.011 0.786 -41.334 -21.059 1.134 -250.302 6 -2.650 6 -2.426 4
    • 经过测试分析,可以看出武汉大学研制的水星探测器精密定轨与动力学参数解算软件MERGREAS已经可以取得较为可靠的结果。MERGREAS和GEODYN-Ⅱ一天内的轨道预报差异在10-7~10-8 m;观测值模拟MERGREAS与GEODYN-Ⅱ双程测距差距在10-4 m量级,双程测速在10 s多普勒积分间隔可达到10-6 m/s量级,符合BepiColombo任务的数据处理要求。MERGREAS利用自身模拟观测值进行精密定轨的精度较高,定轨误差最大在0.01 m;GEODYN-Ⅱ和MERGREAS在使用相同观测值进行精密定轨时,位置差异为X方向0.2 m,Y方向0.7 m,Z方向0.5 m。除此之外,利用同波束数据MERGREAS还具备解算水星着陆器位置的能力,考虑模型误差后,轨道器的位置误差为10 m级别,着陆器的位置误差为100 m级别。因此,MERGREAS的研制是对深空探测软件领域的一次拓展,对于未来水星探测任务的数据处理、精密定轨以及相关动力学参数解算有一定参考意义。

参考文献 (19)

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