月球重力场模型研究进展及展望

第一,整理了自人类开始探月以来所有和月球重力相关的探测卫星,以及自学者开始研究月球重力场以来所有重要的月球重力场模型。第二,根据探月跟踪模式的发展过程,详细介绍了各阶段跟踪模式的原理,并以示意图的形式展现,同时列举了各阶段跟踪模式下的重力场模型。第三,对月球重力场反演方法进行了介绍,主要包括短弧积分法和天体力学法。第四,对各个探月阶段具有代表性的重力场模型进行介绍,主要包括：8×4重力场模型、Lun60D、LP165P、SGM100i和GL0420,并进行了精度对比,发现最新一代模型精度比之前提高了4个数量级。第五,介绍了本团队在月球重力探索方向研究进展。第六,介绍了月球重力场模型在探究月球内部构造和卫星定轨方面的应用,并结合现代技术以及目前重力场反演的不足,提出以后可以改进的方案：应用重力梯度仪和获取月球表面真实重力数据。     

嫦娥一号绕月卫星对月球重力场模型的优化

月球重力场是揭示月球内部结构和物质组成的重要信息,探测月球重力场仍然是绕月探测任务中的重要科学目标之一．在已有月球重力场模型基础上,利用嫦娥一号探测数据,并结合“月女神”一号探测器、月球勘察者（LP）及早期月球探测器轨道跟踪数据,本文解算得到了高精度月球重力场模型CEGM02（100阶次）,在CEGM01月球重力场模型基础上对模型进行了优化．对新模型的分析结果表明,嫦娥一号卫星轨道跟踪数据的融入,使得对月球重力场长波长部分的解算精度有显著提高,相比于SGMl00h模型在5阶以内精度提高约2倍,在10阶以内有明显贡献,在20阶内都有贡献．初步判断这是由于嫦娥一号卫星轨道动量轮卸载的频度不足“月女神”的1／4,而同时轨道相对较高所导致．文中结合CEGM02和激光测月观测结果解算了月球平均转动惯量0．393446（±0．000006）,对月球内部构造研究提供了更强的约束．     

基于同波束VLBI测量的月球交会对接轨道确定

我国探月工程三期"嫦娥五号"月球探测器(CE-5)将实现月球采样返回探测,月球交会对接是CE-5工程中的关键技术,CE-5任务中将采用地基无线电测距测速技术联合同波束VLBI测量技术实现对轨道器和上升器的联合测定轨,以支持月球交会对接过程特别是远程导引阶段的多探测器测控.本文分析了同波束VLBI测量数据在多探测器定轨中的应用,利用仿真数据分析了月球交会对接远程导引段的轨道器和上升器定轨精度,特别是两器间的相对定轨精度.选取的长弧和短弧定轨典型算例分析表明,利用10 ps精度的同波束VLBI数据,联合测距数据对轨道器和上升器定轨,可以达到1 m的相对定轨精度.     

月球背面探测器跟踪的4程多普勒技术

飞行或着陆于月球背面的探测器,无法从地面直接观测,必须利用更高轨道的探测器中继才能进行跟踪.作为月球背面探测器的一种有效的跟踪手段,本文以SELENE为例,系统性地给出了4程多普勒观测系统的组成、数据处理和应用方法、定轨和重力场解算结果,并分析了天线相位特性和自旋对4程多普勒测量精度的影响及改正方法.这些内容对月球背面探测器的跟踪、测控和数传系统的研发和应用提供了参考实例.     

基于改进彗星星历的67P/Churyumov-Gerasimenko的三阶重力场模型

本文解算了Rosetta彗星探测任务的主要目标——彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的重力场模型.与以往模型的主要区别是,本文使用了JPL团队最新解算的67P星历模型,该彗星星历在很大程度上得到了改进. 67P的改进星历能够对其GM值的解算产生一定的影响,这一影响与67P通过近日点由于彗星喷发造成的质量损失处于同一水平.新的彗星重力场解算结果表明, 67P重力异常比过去的模型更加显著.从2.65 km的参考球上看,新的重力场模型最大重力异常值约为0.9±0.03 m Gal,较大的异常值表明了该彗星内部质量分布不均一的特性,这可能是由于高孔隙率和分层的彗核结构导致的.     

低轨重力卫星现状及其重力场模型精度分析

文章介绍了低轨重力卫星探测理论及技术的发展,目前已经发射的低轨卫星CHAMP、GRACE、GOCE的状况,以及各重力卫星的搭载、主要探测应用目标。介绍了地球重力场模型的发展,并介绍了利用已有的低轨重力卫星数据反演的重力场模型,对部分低轨重力卫星所获取的重力场模型的精度进行了分析。我们认为低轨重力技术还有很大的发展空间,低轨重力卫星重力场模型高阶项的系数阶方差是逐渐增大的,其精度有限,低阶的位系数精度是比较可靠的。而在南北极地区,应用高阶次的球谐系数是可行的。     

高分辨率地球重力场模型DQM

地球扰动位的球谐展开式表示是地球重力场模型应用最广泛的一种表示方法。目前通用的位系数模型的分辨率是0.5°，最高完全阶次为360。由于全球重力数据覆盖的密度和数据精度差别较大，所以已知的重力场模型的实际分辨率及其精度也因地区而异，故重力场模型的精化是一个漫长的过程，局部积分谱权综合法是改善已知重力场模型的有效而简便的方法。基于重力场模型OSU91A及EGM96，利用我国15′×15′及5′×5′重力异常，我们解算了更高阶次的地球重力场模型DQM99A、B、C、D四个模型，给出了精度比较分析结果。     

同波束VLBI在采样返回式多目标探测器精密测轨测位中的应用

同波束VLBI即用射电望远镜的主波束同时观测角距很小的两个探测器发出的巧妙配置的多频点信标,据此得到两探测器在两个测站间的误差为皮秒量级的差分相位时延．在月球卫星SELENE的两个小卫星Rstar和Vstar的测定轨中,利用40多分钟的同波束VLBI和测速测距数据数小时的短弧定轨精度已显著提高,而一年多的定轨结果表明弧长数天的长弧定轨精度已达10m左右,充分证明了同波束VLBI在多目标卫星精密测定轨中的作用．本文在介绍SELENE同波束VLBI观测、多普勒数据处理和定轨结果的基础上,以用于月球采样返回探测任务中的多目标探测器如轨道器、着陆器和返回器为例,给出各探测器搭载电波源的信标设计方案及设计原则,并分析S频段多频点同波束VLBI技术在轨道器和着陆器绕月飞行、着陆器月球软着陆、着陆器月球采样、返回器从月面上升、返回器多次变轨、特别是轨道器和返回器交会对接等各个测控段的高精度测定轨或测定位及月球重力场探测中的应用．     

电离层延迟对GRACE-FO卫星KBR观测数据的影响

由于GRACE-FO卫星的K波段星间精密测距载荷工作时受到电离层影响,导致星间距离数据不可避免地含有电离层延迟误差,影响重力场反演精度．为深入分析电离层延迟效应对星间距离变化率及重力场反演的影响,利用2019年1月的GRACE-FO卫星Level-1A级数据自主实现KBR1B产品预处理过程,分别解算不考虑电离层延迟的K/Ka单频星间距离和双频消电离层延迟的星间距离,并导出星间距离变化率,解算了60阶次的重力场模型,结果分析表明:不进行电离层延迟改正得到的星间距离变化率和K波段测距系统(KBR)双频测距消除电离层延迟的星间距离变化率的差异约为2.0×10^-5m/s,不满足星间距离变化率的精度要求,影响重力场模型尤其是中高阶位系数的解算精度,且随着阶次的增加影响越大;此外自主处理的星间距离结果与美国喷气动力实验室提供的结果精度相当．     

基于滤波因子的病态方程解法

给出了基于滤波因子解算病态方程的谱分解公式，在均方误差最小的准则下，导出了滤波因子的计算公式并用该公式模拟计算了CHAMP卫星（德国2000年发射的重力卫星）5天数据恢复的重力场模型系数．结果表明公式明显改善了45阶次以上部分的位系数精度．     

卫星重力梯度精化局部重力场的径向基函数法

针对球谐函数方法构建全球重力场模型不能顾及重力场局部特征差异的问题,提出了一种基于卫星重力梯度数据精化局部重力场的径向基函数方法及数据处理方案．以北美地区为例,采用GOCE(地球重力场与静态海洋环流探测)卫星重力梯度数据和ITG-GRACE2010S模型法方程反演的全球重力场为背景模型,通过频域内定权的级联滤波方法抑制重力梯度低频系统误差和有色噪声,基于球面样条核函数和分区正则化策略构建了更符合区域特征的局部重力场模型．利用高精度的GOCO06S模型和GPS(全球定位系统)水准数据进行检核,结果表明:构建的局部重力场模型比同期数据解算的全球重力场模型精度更高,并且新版GOCE数据的解算精度明显优于旧版．     

地球重力模型及中国大陆重力场的计算

融多颗卫星数据、地面重力值和其它资料一起的地球重力模型EGM96,为研究中国大陆的重力场及相关问题提供了一个高精度360阶的球谐系数。在分析EGM96的基础上,计算并简单解释了中国大陆的自由空气异常和布格重力异常。计算所得重力场的精度和分辨率大大高于常用的1：1400000自由空气异常图及布格重力图。     

CE-5T1探月飞行器地月转移段和环月段的实时定轨

随着我国探月工程和深空探测工程的实施,传统的地基测轨手段联合最小二乘定轨预报的模式已难以满足定轨任务的实时性需求,为此需要发展飞行器的自主测轨手段和定轨方法.本文采用扩展卡尔曼滤波算法对探月飞行器进行实时定轨研究.对CE-5T1月地转移段约2.5?h弧长的星基GNSS伪距数据进行滤波处理,计算结果表明,以预报轨道为先验参考轨道,约1?h后滤波即可稳定收敛,且收敛后轨道精度与批处理统计定轨精度相当,位置偏差(Root Mean Square,RMS)约在30?m,速度偏差好于1?cm/s.对CE-5T1环月段地基测量数据进行滤波计算,计算结果表明,对于轨道周期为2h的月球探测器,位置偏差好于50m(RMS).由于之前的定轨信息通过协方差矩阵传递保留,月球遮挡探测器以及月球升落引起的地面测轨数据长弧段间断不会影响后续可视弧段的滤波精度,且只需一两个观测数据即可快速收敛至滤波稳定.     

美“孪生飞船”将于新年进入环月轨道

将探测月球核心构成测绘月球重力场[科技日报]据《每日邮报》27日报道,美国航空航天局(NASA)的两艘"孪生飞船"探测器将于新年依次进入环绕月球的轨道,探索月球核心。其将通过自身对飞行路线的影响来扫描测量月球的重力场,并针对其内部构造进行绘图。这两艘洗衣机大小的飞船探测器名为"圣杯-A"和"圣杯-B",均以太阳能作为动力。之前关于月球重     

基于星载GPS非差数据的COSMIC卫星几何定轨研究

COSMIC的大地测量任务重点在于解算地球重力场模型以及低阶重力场时变规律研究,这需要卫星精密几何轨道．文中根据CODE的GPS卫星精密星历和时钟,COSMIC卫星设计轨道和定轨GPS天线设计,模拟了COSMIC星载GPS观测量．利用运动学原理,研究了基于星载GPS非差数据的COSMIC几何定轨能力．COSMIC具有两个定轨天线（POD＋X和-X）,单独利用一个天线观测的几何定轨结果精度基本一致,都大于模拟时给定的随机误差．这主要是由卫星设计的POD天线位置造成的,两个天线的视准向量与天顶方向之间的夹角不同,同时POD＋X位于卫星飞行方向,而POD—X背向卫星飞行方向．为了改善几何定轨精度,利用POD＋X和一X天线构成一个虚拟天线,将两个POD天线的观测归算到虚拟天线．利用虚拟天线的观测,进行精密几何定轨,通过与参考轨道的比较,定轨精度与给定的模拟随机误差基本一致．     

区域监测网精密定轨与轨道预报精度分析

我国导航系统采用区域监测网提供轨道预报等导航服务．由于区域网不能覆盖地球中轨轨道（MediumEarthOrbit,MEO）SE星全弧段,并且受卫星相对于监测网几何条件限制,若采用与全球网相同的定轨和预报策略,预报精度难以满足我国导航系统的指标要求．预报精度决定于定轨获得的初轨和力学模型的精度．针对MEO卫星星座的区域监测网定轨预报问题,本文提出两步法策略,即首先解算部分动力学参数和轨道参数,然后强约束这部分动力学参数的估值,重新解算所有动力学参数和轨道,并利用得到的初轨和动力学参数进行轨道预报．利用实测GPS数据的实验表明,采用两步法定轨策略可获得对动力学参数的合理解算结果,并可提高轨道预报精度,预报1天轨道的平均用户距离精度（UserRangeError,URE）优于0．6m．     

青藏高原定日—木孜塔格峰地区重力场小波分析

目的探究青藏高原的深部结构。方法对定日—木孜塔格峰地区的重力场资料进行小波分析,重点对比分析四阶、五阶的小波逼近异常和细节异常。结果拉轨岗日—康马变质核杂岩带在四、五阶小波细节异常图上表现为近东西向重力低,在四、五阶小波逼近异常图上均表现为梯级带;雅鲁藏布江缝合带在四、五阶小波细节异常图及四阶小波逼近异常图上主要表现为重力高,在五阶小波逼近异常图上表现为梯级带;冈底斯岩基花岗岩带在四阶、五阶小波逼近异常和细节异常图上均表现为重力低;班公湖—怒江缝合带在四、五阶小波细节异常图及四阶小波逼近图上主要表现为近东西向重力高,在五阶小波逼近图上为梯级带;龙木错—双湖缝合带在布格异常图,四、五阶小波逼近异常图及五阶小波细节异常图上均表现为重力异常分界。结论拉轨岗日—康马变质核杂岩带只存在于浅层;雅鲁藏布江缝合带重力高带的场源存在于中深度层次及以上;冈底斯重力低除了反映浅部大规模的花岗岩带外,还可能反映了深部存在的热熔融体;班公湖—怒江缝合带重力高带的场源存在于中深度层次及以上;龙木错—双湖缝合带是重要的构造分界线。     

基于火星快车飞掠数据的火卫一低阶重力场反演

精确的火卫一(Phobos)重力场模型可为其内部结构建模提供重要的约束,深入地了解火卫一内部结构将为解释其起源与演化以及太阳系的演化提供重要的依据.目前火卫一的重力场模型还未精确测定.为了获得火卫一低阶重力场模型,首次综合处理了火星快车号(Mars Express)在2010和2013年两次飞掠火卫一的多普勒轨道跟踪数据.在解算过程中,通过对探测器各种摄动力模型的高精度建模,融合两次飞掠数据,最终获得的火卫一GM为(7.0768±0.0084)×10~5m~3/s~2,C_(20)系数为-0.1370±0.0392,C_(22)系数为0.0184±0.0174,其值与火星快车MaRS射电科学团队公布的结果相吻合,精度提高了2–3倍.由GM求得的火卫一质量m为(1.060±0.0011)×10~(16)kg,结合形状模型确定的火卫一体积(5742±35)km~3,计算出火卫一的体密度为(1847±11)kg/m~3.     

基于天琴一号观测数据反演地球重力场模型

天琴一号卫星搭载了静电悬浮加速度计、GNSS接收机和星象仪,可实现地球重力场探测的高低卫星跟踪卫星技术．这里利用自主研制的动力法反演软件,采用天琴一号(TQ-1:Tianqin-1)30 h观测数据反演了截断至15阶次的静态地球重力场模型,计算结果表明:TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型在15阶次内的信噪比均大于1,说明利用TQ-1数据具备实现15阶次地球重力场的反演能力;通过与包含8 a高低卫星跟踪卫星观测信息的AIUB-CHAMP03S模型对比可知,利用TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型位系数误差整体优于10^-8量级;通过与包含13 a低低卫星跟踪卫星观测信息的HUST-Grace2016s模型对比可知,利用TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型可获取全球格网重力异常和全球格网大地水准面信息,二者空间分布特征较为一致．计算结果为采用我国自主研发的高低卫星跟踪卫星技术获得的首个地球重力场模型,表明我国具备了采用该技术获取地球重力场模型的能力,可为发展我国自主研发的重力卫星提供重要技术参考．     

基于“天问一号”数据的自主火星重力场构建

“天问一号”是中国首次自主火星探测任务,一次实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测.火星物理场与内部结构研究是“天问一号”任务设定的五大科学目标之一,本文先回顾了国内外在火星重力场方面研究的新进展.为探究“天问一号”当前轨道对火星重力场解算贡献,本文开展了仿真1年的“天问一号”任务轨道跟踪数据对基于3个月300 km圆极轨道跟踪数据解算火星重力场的贡献.结果表明,加入“天问一号”数据对极轨道数据解算的火星重力场方面的改进主要表现在2–10阶次和35–45阶次,另外还发现大偏心率轨道和数据增多有助于降低火星重力场低阶次模型误差.进一步地,本文还处理了“天问一号”近4个月的实际射电跟踪数据(2022年07月至2022年11月),解算得到1个10阶次自主火星重力场模型.这对后续火星基础模型的研究,特别是自主火星重力场的构建,具有一定参考意义.