嫦娥二号平动点间转移轨道方案研究

针对我国嫦娥二号卫星拓展任务需求,研究了卫星由日地L2点向L1点的转移轨道方案。基于卫星真实星历,考虑各种摄动因素,借助不变流形理论和微分修正方法,设计了嫦娥二号在日地平动点L1和L2之间的转移轨道,提出了便于理解和工程应用的平动点间直接转移方式,研究了真实力模型下平动点Lissajous轨道的不变流形转移方式,对比了两种转移方式的出发速度增量、转移时间与出发时刻的关系。研究表明,嫦娥二号可以通过直接转移方式或者借助不变流形进入日地L1点Lissajous轨道,直接转移方式下有42天出发机会,基于不变流形方式下最短转移时间为210天,对应速度增量5.776 m/s,最小速度增量可达0.024 m/s。研究结果可直接应用于我国嫦娥二号拓展任务的轨道设计与控制,并为我国后续平动点等深空探测任务提供有益借鉴.     

嫦娥一号探测器发现月球正面 “玉兔&rdquo|火山

月面白天日照情况下, 高海拔、高反照率地区反射阳光产生的辐射状光线, 会对其周围海拔低、地形变化缓慢、反照率低的地区带来显著的“灯下黑”照明效应的影响, 甚至把这些地区的地貌从光学波段 “隐藏” 起来. 利用嫦娥-1绕月探测器激光测高得到的地形DEM模型, 对比重力探测的历史结果, 在月球正面风暴洋西部(中心位于(14°N, 308°E)处), 从“灯下黑”区域新认证了一个直径约300 km, 高度约2 km的火山——暂时称为“玉兔”山. 还修正了“玉兔”山以北300 km左右的“桂树”火山三维地形. 该发现对研究月球正面演化过程有重要的参考价值.     

"嫦娥一号"任务全球地形实时仿真技术研究

针对"常娥一号"任务中航天器绕地球快速漫游的需求,设计了一种全球地形实时仿真技术.该技术采用建立静态层次细节模型和连续层次细节模型相结合的方法.运用逻辑四叉树结构组织全球海量数据的静态层次细节模型,满足海量地形数据的快速访问,并设计了数据更新算法,用以更新不同时相的地形数据;设计可见区域多细节层次数据块的快速确定算法实现全球地形的实时漫游,运用动态缓存调度策略提高了地形的绘制速度.实验表明,运用该技术实现了微机上全球地形的实时漫游.     

基于嫦娥一号卫星激光测高观测的月球地形模型CLTM-s01

利用中国第一颗探月卫星嫦娥一号第一次正飞阶段获取的约300多万个有效激光测高数据点, 得到了改进的360阶次球谐函数展开月球全球地形模型CLTM-s01(Chang’E-1 Lunar Topography Model s01). 该模型以月球质心为参考球心, 以月球平均半径1738 km正球面为参考基准, 径向高程测量精度约为31 m, 沿赤道区域空间分辨率约为0.25°(7~8 km). 该模型首次利用激光测高数据得到月球极区高精度高分辨率月球地形图, 在空间覆盖、模型精度和空间分辨率上较早期模型均有较大改进. 利用该模型得到的月球平均半径为(1737013±2) m, 月球的赤道半径为(1737646±4) m, 月球的极半径为(1735843±4) m, 月球的形状扁率为1/963.7526, 月球的形状中心和质量中心在月固坐标系下的偏差为(-1.777, -0.730, 0.237) km. CLTM-s01所得到的月球形状基本参数与历史值相当, 但由于有更强的两极观测数据约束, 由该模型计算出的这些参数可信度更高.     

深空探测DOD测量技术的实现

本研究开发了可用于深空探测任务中的开环差分测速观测技术和设备,并首次应用于嫦娥-1绕月探测中。测轨观测验证的结果表明,差分观测可以很好地消除开环观测中上行站的系统频率漂移问题。该技术也可以用于太阳系中更遥远天体的探测,如在中俄联合火星探测中对YH-1探测器的差分单程测轨任务。     

嫦娥一号CLTM-s01模型揭示和证认的月球地形新特征

月球的表面地形、物质成分和月壳厚度在月球正面和背面的分布均具有明显的二分性, 绕月卫星的重力和地形等探测数据实现了人类对月球表面这种差异性的研究. 利用嫦娥一号激光高度计探测数据获得的高精度月球地形模型CLTM-s01, 结合月球全球重力场分布情况, 提议出月球表面4个新的地形特征, 分别是位于背面的类撞击盆地Sternfeld- Lewis, 撞击盆地Fitzgerald-Jackson, 撞击坑Wugang和正面的火山沉积高地Yutu, 同时对以往被提议的一些大尺度撞击盆地的地形特征进行了分析和证认, 并根据盆地特征划分了不同的盆地等级.     

深空探测用数字开环多普勒技术初步研制及其在嫦娥一号探测任务中的应用

基于数字无线电技术, 开发了用于卫星视线方向速度测量的无线电开环多普勒测量方法和技术原理样机. 并在嫦娥一号卫星测轨任务中进行了观测试验, 利用卫星转发的S波段载波信号进行开环多普勒测量. 结果显示, 在1 s积分情况下, 嫦娥一号卫星的开环多普勒测量精度RMS达到3 mm/s（1σ）, 这已经与目前使用的USB （Unified S-Band, 统一S波段）测速数据的精度水平相当. 这个测量精度主要受制于上行站原子钟的短期稳定度. 进一步通过两站开环差分测量的办法, 可以有效地消除信号发射时的原子钟频率漂移和不稳定性, 使得测量精度RMS提高到1 mm/s （1σ）. 开环多普勒数据和差分数据已经开始尝试用于嫦娥一号卫星的定轨, 数据的精度评估和科学应用也将逐步展开. 这项技术的研制成功将对我国未来深空探测有重要的意义.     

基于深度加权的稳健Kalman滤波方法

在分析粗差对Kalman滤波器性能影响的基础上,通过将滤波新息的加权方式改进为深度加权平均,提出了一种基于Kalman框架的新型的稳健滤波算法.该算法仅需引入一个样本深度及权函数的计算步骤,无需针对测元的粗差检择,直接调节各测元对滤波状态的贡献.深度加权滤波扩展了传统Kalman滤波的最小均方误差优化准则,充分利用了不同测元间的相关性和测元与状态的相关性,可以有效降低含粗差数据对滤波结果的影响程度.在稳健性分析的基础上,数值算例验证了算法的可行性和有效性.     

嫦娥三号月球车机械臂探测点定位方法

结合中国嫦娥三号月球车探测的科学应用目标,提出了一种基于投影变换的机械臂探测点定位方法.该方法在总结鱼眼镜头成像模型基础上,建立球面投影与透视投影间的转换关系,求得球面投影中像主点坐标和球半径,利用相关参数将球面投影图像转化为透视投影图像;结合月球车上鱼眼相机的安装位置相对固定,将转换后的透视投影图像重采样生成核线影像.利用相关系数和最小二乘匹配,在鱼眼相机核线影像上实现特征点的亚像素级匹配.通过前方交会计算探测点的三维坐标,并结合探测点邻域点坐标拟合最佳空间平面,获取平面的法向量,即机械臂探测点的定位.采用该方法对仿真图像进行了定位计算,并将计算值与仿真真值进行比较,总误差约为2 mm.实验结果表明,该方法完全能够满足嫦娥三号月球车机械臂探测的定位精度.     

嫦娥二号卫星轨道确定与测轨技术

嫦娥二号卫星轨道为运载火箭直接将卫星送入地月转移入口点、近月点100km高度月球捕获型轨道.该类型轨道确定及精度评估是测控需要解决的关键问题之一;X波段测量技术实验数据处理方法及精度评估是测定轨中要解决的另一关键问题.本文针对喷气卸载对转移轨道定轨的影响提出了截短观测弧段以提高轨道解算精度的定轨策略,提出了基于入轨轨道与地月转移第一次中途修正量的入轨点精度评估方法,以及基于渐进重叠弧段的近月捕获轨道精度评估方法,在摄动力分析的基础上给出了100km高环月工作轨道月球重力场模型选用策略.给出了深空相位测量数据处理方法,对X波段测距及DOR数据噪声进行了评估.分析表明,文中给出的定轨策略正确、可行,嫦娥二号卫星在地面控制中心的测控下准确进入环月工作轨道;X波段测量数据处理与精度分析方法正确,测速及时延数据噪声降低70%以上,测轨实验数据精度有显著提高.X波段测轨技术与数据处理方法适用于后续深空探测.