“嫦娥三号”月球探测器的轨道确定和月面定位

我国探月工程二期"嫦娥三号"月球探测器(CE-3)在月球正面虹湾以东地区登陆,这是我国首次在地球以外的天体成功实施软着陆.CE-3采用X频段测距测速联合VLBI测量技术进行定轨定位工作,其中VLBI采用了ΔDOR测量技术,测量精度较CE-1/CE-2任务有很大提高.本文评估了CE-3地月转移段、环月段和动力落月段的定轨精度,分析了着陆器定位以及巡视器相对定位精度.分析结果表明环月100 km×100 km和100 km×15 km轨道确定精度分别约为20和30 m,精度比CE-2提高约50%,与同时期国外月球探测定轨精度相当.CE-3新增了动力落月段和月面工作段的定轨定位工作,本文利用运动学统计定轨方法确定了CE-3动力落月轨迹,综合分析落月轨迹确定精度优于100 m.利用统计定位方法确定了着陆器的在月固系的位置,以及巡视器相对于着陆器的相对位置,着陆器定位结果和LRO图像数据差异小于50 m,差分群时延数据巡视器相对定位精度在百米量级,而利用高精度的差分相时延数据,结合一定的数据处理策略,可以得到精度在米级的着陆器和巡视器相对定位结果.     

一种ΔDOR算法的初步实现

ΔDOR(双差分单向测距)技术是一种广泛应用于深空探测的测角技术.中国VLBI(甚长基线干涉测量)网目前使用互相关方法实现ΔDOR技术,然而在信号的信噪比很低时,使用基于互相关方法的相关处理机进行时延测量会有弱信号处理能力不足的局限性.随着更遥远距离的深空探测的推进,对弱信号求时延将成为必然的任务需求.本文将高性能三阶锁相环作为测量信号的频率和相位的基本模块,并由此推导了一种弱信号处理能力较强的基于本地相关的ΔDOR算法.该算法避免了传统本地相关方法中本地模型信号与含噪信号进行互相关运算时引起的算法性能损失问题,同时算法更为简洁.对天问一号数据求残余群时延间接验证了本文提出的算法的可行性,为进一步发展高性能ΔDOR技术提供了一种方案.     

基于地基观测的嫦娥三号着陆器与巡视器高精度定位

嫦娥三号(CE-3)探测器成功实现了我国首次月球软着陆,对巡视器和着陆器进行高精度定位是保障两器顺利完成月面探测任务的必要前提.本文首先对CE-3月面工作段的测量方式、各观测量测量模型以及运动学统计相对定位方法进行讨论.其次对着陆器进行定位并对定位精度进行评价,得到着陆器坐标为:44.1206°N,-19.5124°E,高程-2632 m(相对1737.4 km月面),通过与月面数字高程模型以及NASA探测器LRO的航拍结果比较,定位差异优于50 m,分析表明VLBI数据对提高着陆器定位精度有显著贡献.最后,利用同波束VLBI数据进行月面巡视器与着陆器的相对定位.与视觉定位方法相比,本文所用的基于地基观测量的运动学统计定位法不受着陆器可视范围限制,且定位精度不随两器距离增加而降低.计算结果表明,在现有的测量条件下,使用纳秒量级的VLBI差分群时延数据,两器相对定位精度在百米;使用皮秒量级的VLBI差分相时延数据,并在定位过程中进行模糊度解算,可以实现米级的月面双目标的相对定位,具有重要意义.     

运动学统计定位方法应用于月球着陆器的精密定位

针对月球探测中的着陆器定位问题,提出了运动学统计定位方法.利用一段时间内的测量数据,结合月球运动相关信息,将测量数据进行综合平差处理,获得着陆器在月固系中的位置.误差分析表明,测量误差是影响定位精度的主要误差源.利用中国科学院上海天文台自主研发的深空探测定轨定位软件包进行了仿真精度分析,分析了月面数字高程模型(DEM)在着陆器定位中的应用.结果表明,联合测距测速和VLBI数据,单历元的定位精度在百米级,10min弧长的统计定位精度可达米级.在着陆器定位解算过程中,利用月面数字高程模型提供的高程信息作为约束可以降低参数之间的相关性并提高解算精度,固定高程后数分钟单站测距测速定位精度优于1km.在定位过程中还可以直接应用月面数字高程模型,只解算经纬度2个参数,有助于在数据比较少的情况下提高定位精度,利用全球月球数字高程模型ULCN2005对该方法进行了验证,考虑到虹湾地区在CE-1和CE-2任务期间进行了加强观测,局部模型分辨率和精度较高,该方法可以在CE-3任务中重点考虑.     

VLBI相时延及其在深空探测器测定轨中的应用

甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)技术是深空探测器测定轨的方法之一,也是行星无线电科学研究的重要手段.VLBI相时延通过解算相关相位的整周模糊度解算出探测器的VLBI时延观测量,可有效地降低相位随机误差的影响,从而提高时延测量的精度.本文论述了解算相位整周模糊度的条件和方法,给出相时延的解算方法,并分析比较了相时延与群时延的随机误差水平.以嫦娥二号(CE2)卫星飞往拉格朗日L2点的探测任务为例,求解了两个月内10次VLBI观测的相时延并分析了数据质量.相时延和群时延分别联合测速测距数据的定轨结果表明,在150万公里的距离上相时延用于探测器的定轨是可行的.     

基于地基测量数据的地月L2点探测器轨道确定

CE-5T1是探月工程三期的先导探测器,主要用于验证嫦娥五号(CE-5)飞行过程和再入返回技术,为CE-5任务的顺利实施奠定基础.CE-5T1在执行完主任务之后,又飞向了地月平动点L2,并绕L2点飞行约40 d,是我国第一颗绕地月L2点飞行的探测器.本文利用地基测距测速和VLBI干涉测量数据,对CE-5T1绕L2点飞行期间的轨道进行了定轨计算并分析精度.轨道动力学特征决定了绕L2点飞行的探测器需要采用较长弧段数据以提高定轨精度,而由于不同类型测量数据和轨道之间的几何特征差异,VLBI系统误差对定轨精度的影响要远大于测距系统误差.分析结果表明,综合利用5–7 d的测距测速和VLBI数据,CE-5T1在L2点的定轨后位置和速度精度分别为百米和毫米每秒量级.相关分析结果可以为我国后续执行类似任务的探测器(如CE-4)提供参考.