月球探测器精密定轨软件研制与四程中继跟踪测量模式研究

叶　茂

武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079



月球探测器精密定轨软件研制与四程中继跟踪测量模式研究

叶茂

武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079

本文以我国即将发射的“嫦娥五号”“嫦娥四号”任务为背景，系统性地讨论了行星探测器精密定轨和重力场解算的原理、技术和具体算法，完善月球卫星精密定轨的各个细节，开发了一套具有自主知识产权的月球探测器精密定轨与重力场解算软件系统LUGREAS；提出了基于月球着陆器-轨道器的四程中继跟踪测量模式，定量计算了该跟踪模式对轨道器精密定轨和着陆器精密定位的贡献。具体研究内容包括：

(1) 对行星探测器精密定轨理论进行了研究，对精密定轨的流程、多弧段重力场解算原理，以及时空坐标系统进行了系统性梳理。针对时间系统中UT1和TDB-TT的高精度转换进行了讨论，比较了JPL/DE430、IMCCE/INPOP13c、IAA/EPM2011/m历表中TT-TDB的差别；研究了新近DE历表对月球探测器精密坐标转换的影响。对探测器的精密力模型进行了全面的总结和研究，给出了详细的力模型和偏导数公式，分析了各摄动力模型的量级；对比分析了三种非球形引力摄动的高精度计算方法；对GRAIL探测器的高保真力模型进行了初探；详细讨论了深空探测中常用的测量模型。研究了RAMP多普勒的计算方法，对观测值介质改正进行了讨论，并对站址改正及其量级进行了分析。

(2) 开发了一套具有自主知识产权的月球探测器精密定轨与重力场解算系统(lunar gravity recovery and analysis system，LUGREAS)。LUGREAS经过4年的独立开发，目前已初具规模，积累核心代码5万余行，具备嫦娥系列测距测速、VLBI数据的处理能力，初步实现了月球重力场解算功能。经过与GEODYN-II严格的交叉验证测试，表明：对于月球探测器的轨道预报，LUGREAS与GEODYN-II一个月位置最大差值小于0.3 mm，2天位置最大差值小于5×10-3mm；对于双程测距、双程测速的理论计算值和GEODYN-II的差值分别在0.06 mm、0.002 mm/s的水平；对于“嫦娥一号”实测跟踪数据的处理分析表明，LUGREAS得到的事后精密轨道和GEODYN-II符合在2 cm量级。可以说，LUGREAS的精度已经初步达到了GEODYN-II的水平。

(3) 采用月球重力场模型GRGM660PRIM，通过与LP150Q和SGM150j模型对比，从轨道预报和精密定轨两个角度定量分析了GRGM660PRIM的定轨性能。研究表明：对于卫星轨道寿命预报，GRGM660PRIM并未体现出较大优势，与LP150Q、SGM150j相当；对于大倾角的Apollo 16子卫星的精密定轨，GRGM660PRIM体现出其高精度高阶次的优势，双程和三程测速残差显著下降，定轨精度得到较大提高。

(4) 创新性地提出了基于月球着陆器-轨道器的四程中继跟踪的测量模式，给出了详细的数学模型表达式，并在LUGREAS中实现了此测量类型。通过4W L-O RR和2 W RR的模拟观测值进行了精密定轨实验，表明：由于4W L-O RR具有更好的几何构型和对初轨更高的敏感性，在添加了4W L-O RR观测值后，轨道器的定轨精度得到了显著的提升，最大可提高一个数量级，同时着陆器的位置也能约束在亚米级别。由于4 W L-O RR具有中继跟踪特性，可在未来运用于我国“嫦娥四号”任务和其他远月面着陆器的定位上，具有重要的参考意义。

Author： YE Mao(1989—)，male，received his doctoral degree from Wuhan University on June 2016(PhD advisor: Prof. LI Fei), majors in planetary spacecraft precise orbit determination and gravity field.

E-mail： mye@whu.edu.cn

Development of Lunar Spacecraft Precision Orbit Determination Software System and Research on a Four-way Relay Tracking Measurement Mode

YE Mao

State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China

叶茂.月球探测器精密定轨软件研制与四程中继跟踪测量模式研究[J].测绘学报，2016,45(9)：1132.

10.11947/j.AGCS.2016.20160339.

YE Mao.Development of Lunar Spacecraft Precision Orbit Determination Software System and Research on a Four-way Relay Tracking Measurement Mode[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(9):1132. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20160339.

P228

D

1001-1595(2016)09-1132-01

国家自然科学基金(41174019；41374024)；湖北省自然科学基金重点项目创新群体类项目(2015CFA011)

2016-07-04

叶茂(1989—)，男，2016年6月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：李斐教授)，研究方向为行星探测器精密定轨与重力场。