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深空探测器射电跟踪数据应用研究

刘山洪

刘山洪. 深空探测器射电跟踪数据应用研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(2): 323-323. doi: 10.13203/j.whugis20210685
引用本文: 刘山洪. 深空探测器射电跟踪数据应用研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(2): 323-323. doi: 10.13203/j.whugis20210685
LIU Shanhong. Scientific Applications of Radio Tracking Data from Deep Space Probes[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(2): 323-323. doi: 10.13203/j.whugis20210685
Citation: LIU Shanhong. Scientific Applications of Radio Tracking Data from Deep Space Probes[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(2): 323-323. doi: 10.13203/j.whugis20210685

深空探测器射电跟踪数据应用研究

doi: 10.13203/j.whugis20210685
详细信息
    作者简介:

    刘山洪,2021年6月毕业于武汉大学,获工学博士学位(指导教师:鄢建国教授),研究方向为探测器精密定轨与定位、气态行星重力特征及行星历表高精度建模。shanhongliu@whu.edu.cn

  • 中图分类号: P228

Scientific Applications of Radio Tracking Data from Deep Space Probes

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出版历程
  • 刊出日期:  2022-02-05

深空探测器射电跟踪数据应用研究

doi: 10.13203/j.whugis20210685
    作者简介:

    刘山洪,2021年6月毕业于武汉大学,获工学博士学位(指导教师:鄢建国教授),研究方向为探测器精密定轨与定位、气态行星重力特征及行星历表高精度建模。shanhongliu@whu.edu.cn

  • 中图分类号: P228

English Abstract

刘山洪. 深空探测器射电跟踪数据应用研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(2): 323-323. doi: 10.13203/j.whugis20210685
引用本文: 刘山洪. 深空探测器射电跟踪数据应用研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(2): 323-323. doi: 10.13203/j.whugis20210685
LIU Shanhong. Scientific Applications of Radio Tracking Data from Deep Space Probes[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(2): 323-323. doi: 10.13203/j.whugis20210685
Citation: LIU Shanhong. Scientific Applications of Radio Tracking Data from Deep Space Probes[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(2): 323-323. doi: 10.13203/j.whugis20210685
  • 嫦娥探月工程“绕、落、回”三步走圆满收官,收集到大量独有的射电跟踪数据,极大地推动了中国射电跟踪数据应用方面的研究。重力场恢复是射电跟踪数据最直接的科学应用,是研究天体内部结构的重要手段,因此发掘嫦娥数据在月球重力场解算方面的贡献尤为紧迫。近年来,中国深空探测逐渐从月球向太阳系纵深发展,一方面正在实施火星探测任务,另一方面正在规划木星系探测任务。虽然Cassini和Juno任务的成功实施获取了大量射电跟踪数据,极大地推动了气态行星重力场和内部结构方面的研究,但还存在诸多科学问题。本文在中国深空探测的背景下,着力于探测器射电数据处理与应用研究,行文逻辑按照先理论、再仿真、后实测数据处理。

    1)梳理了探测器射电跟踪数据处理理论,尤其是重力场恢复相关的思路、实用模型和基本方法。归纳了射电跟踪数据处理中涉及的时空系统、光行时计算、动力学模型及估计方法,详细介绍了深空探测器射电跟踪数据处理模块开发的过程。以木星为例展示了射电跟踪数据处理平台开发中内、外部精度一致性比对的过程。针对中国深空测控网和甚长基线干涉测量观测网(Chinese very long baseline interferometry network,CVN)研究了CVN对木星重力场模型解算的贡献。

    2)Cassini Grand Finale射电跟踪数据解算的最新重力场显示出非轴对称重力场信号,但尚未明确此信号的来源,论证了这一信号是否由土星内部对流发电机结构引起。首先,建立了发电机的运动方程,正演出其产生的非轴对称重力信号,基于Cassini Grand Finale轨道进行重力场信号反演,证实了该轨道不利于恢复发电机对应目标重力场参数;然后,从轨道高度、倾角和偏心率出发设计了27组探测轨道,结合轨道构型、跟踪时长及星下点覆盖度,综合分析了恢复目标重力场参数的轨道特征。兼顾工程实施难度和辐射带,提出偏心率为0.5、近星点距离土星云层顶端约6 000 km、半长轴约为2×105 km的轨道构型,发现实施约5个月的射电跟踪测量即可探明强场发电机的重力特征。

    3)由于动力学模型中小行星带的摄动力不完全建模,导致气态行星探测任务射电数据进一步科学应用存在较大的不确定性。从主带小行星的轨道演化和物理性质出发,为小行星带建立了6环模型,并提出了基于综合第2类完全椭圆积分的环模型加速度计算算法。计算结果表明,新模型可以等效小行星带引起的98%摄动效应,估算了2%未建模效应产生的摄动力对火星-地球距离测量上产生的误差小于0.5 m(积分10年),完全满足高精度、长时间尺度的射电跟踪数据处理需求。

    4)针对嫦娥系列任务收集的射电跟踪数据,包括嫦娥一至四号和嫦娥5T1,基于自主研制软件进行定轨计算,分析其测定轨的精度并进行横向对比。此外,从精细化处理射电跟踪数据的角度,本文提出基于Helmert‐VCE最优加权的定位算法,应用在嫦娥三号着陆器的定位归算中。结果表明,与基于相同观测量并采用固定权比的解算结果相比,基于该优化权算法的着陆器定位精度至少提高了53%。根据连续4天甚长基线干涉测量观测数据解算的着陆器坐标为44.121 5°N(±21.9 m),19.513 5°E(±4.2 m)。

    5)对嫦娥5T1长达两年的射电跟踪数据进行全面处理,自主解算了100阶次月球重力场模型(CEGM03),其中月球勒夫数k2为0.024 30±0.000 1。通过对CEGM03重力场模型的功率谱、定轨性能、月球表面重力异常及导纳地形等进行多方面的分析,验证了CEGM03模型的有效性。与CEGM02模型相比,CEGM03模型20阶次以下的形式误差至少降低了2倍,重力场和地形相关性也得到了改善。

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