“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究

“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究
我国的月球探测计划正在实施当中。

根据规划，我国的探月计划将分为绕、落、回三个阶段。

第一阶段，将发射一个绕月飞行器“嫦娥一号”，其主要科学目标是：获取月球表面三维影像；分析月球表面有用元素及物质类型的含量和分布；探测月壤厚度；探测地月空间环境。

计划将于2007年发射。

测控系统为完成“嫦娥一号”的轨道测量任务，需要通过现有S频段航天测控网(Unified S-Band，USB)并辅以中科院甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)共同完成。

考虑到测距测速测量系统仅提供探月飞行器的视向运动信息，而VLBI则可提供探月飞行器的横向运动信息，将这两种资料综合处理有望获得更高精度的轨道。

本文以我国的探月工程一期“嫦娥一号”工程为主要研究背景，对探月飞行器轨道计算中的若干问题进行了分析，重点分析了VLBI测轨资料对探月飞行器精密定轨的贡献。

主要研究内容如下：
⑴利用简化模型，分析了“嫦娥一号”飞行器在调相轨道和地月转移轨道的VLBI测角精度。

分析结果表明卫星的VLBI测角精度和测站高度角，卫星距离，先验轨道精度等几个因素有关系。

对“嫦娥一号”飞行器调相24小时轨道、调相48小时轨道和地月转移轨道的VLBI测角精度做了定量的分析。

⑵之前曾利用模拟资料分析了我国探月工程的定轨精度，作为模拟仿真工作的进一步深入，利用对“探测一号”卫星的USB和VLBI实际测轨资料，分析了USB和VLBI联合定轨相对于USB单独定轨的定轨精度提高，考察了VLBI资料对于轨道确定的贡献。

得出了与仿真计算一致的结论：单天定轨及预报的情况，联合定轨的精度显著高于USB单独定轨的结果，对近地点位置的预报精度也有显著的改善；在短弧定轨情况下，VLBI数据的加入对于提高定轨和预报的精度有明显的贡献。

考虑到“探测一号”卫星的轨道特征和“嫦娥一号”的24小时调相轨道非常类似，得出的结论对于探月工程具有一定的参考价值。

⑶利用对环月飞行器Smart-1卫星的VLBI测轨资料，考察了此次试验VLBI测量资料的观测精度，分析了VLBI测轨资料对环月飞行器的定轨能力。

定轨计算结果表明，利用VLBI时延数据确定环月飞行器的轨道，可以达到较高的定轨精度。

而单独利用VLBI时延率数据定轨，由于时延率数据本身的差分性质，对轨道的约束能力比时延数据要差，其解算结果对初轨、先验约束等解算条件比较敏感，不利于轨道解算。

⑷轨道计算采用的软件为GEODYN Ⅱ，上海天文台从NASA引进GEODYN Ⅱ软件后，针对探月工程的实际情况做了大量的仿真计算，本文利用GEODYN Ⅱ软件处理实测资料，编写了数据预处理程序。

处理实测资料的过程表明，相对于模拟仿真计算，实测资料的处理过程要复杂地多，通过这次对实测资料的处理，对软件处理过程中的一些细节问题有了更深入的了解。

通过和西安测控中心和北京飞控中心的定轨结果比对，有效验证了解算结果的正确性。

⑸“嫦娥一号”卫星的任务轨道(Mission Orbit)是一个极月圆轨道，轨道高度约200km。

对于绕月飞行器来讲，月球重力场是最主要的摄动源，也是决定绕月飞行器寿命的最主要因素。

作者用解析方法分析了月球重力场(带谐项)对绕月低轨卫星的长期影响，并且利用数值方法对解析方法的结果进行了验证。

⑹结合学位攻读期间参与的国家重要项目“XX信息处理系统”，分析了区域导航卫星系统的广播星历精度。

分析采用GPS广播星历参数时，MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合精度，并特别分析了轨道倾角接近于零的GEO卫星的广播星历拟合精度并给出了相应的改进措施。