“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究

论文摘要

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。具体来讲，本文主要做了如下几个方面的研究和探讨： 1、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。 2、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，文中得出的结论对于探月工程具有一定的参考价值。

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 0.1 引言
• 0.2 课题来源及研究意义
• 0.3 研究现状
• 0.4 论文的主要工作和内容安排
• 第一章 探月飞行器定轨理论与模型
• 1.1 统计定轨理论概述
• 1.1.1 卫星运动方程
• 1.1.2 状态方程
• 1.1.3 观测方程
• 1.1.4 估值方法
• 1.2 时间和坐标系统
• 1.2.1 时间系统
• 1.2.2 坐标系统
• 1.3 力学模型和测量模型
• 1.4 综合定轨软件GEODYNⅡ简介
• 第二章 “嫦娥一号”探月飞行器的VLBI测角精度分析
• 2.1 误差方程
• 2.1.1 模拟数据的产生
• 2.1.2 误差方程和方差协方差分析
• 2.2 分析结果
• 2.2.1 24小时调相轨道VLBI测角精度分析
• 2.2.2 48小时调相轨道VLBI测角精度分析
• 2.2.3 奔月轨道VLBI测角精度分析
• 2.2.4 VLBI测角精度分析小结
• 第三章 “探测一号”卫星的USB和VLBI联合定轨
• 3.1 观测数据
• 3.1.1 VLBI观测数据
• 3.1.2 USB观测数据
• 3.2 数据预处理
• 3.2.1 VLBI时延和时延率数据的模型改正
• 3.2.2 测速数据的模型改正
• 3.2.3 观测数据格式转换
• 3.2.4 中性大气延迟和电离层延迟修正
• 3.3 轨道计算方案确定
• 3.4 轨道解算结果及其分析
• 3.4.1 四天弧段定轨精度分析
• 3.4.2 参考轨道选取
• 3.4.3 单天定轨精度分析
• 3.4.4 短弧定轨精度分析
• 3.5 小结
• 第四章 Smart-1环月飞行器的VLBI测定轨
• 4.1 观测数据
• 4.1.1 VLBI观测数据及其数据预处理
• 4.1.2 VLBI测轨数据与ESA精密轨道的比较
• 4.2 定轨及其精度分析
• 4.2.1 时延数据定轨精度分析
• 4.2.2 时延率数据定轨和联合定轨精度分析
• 4.2.3 结果和讨论
• 第五章 月球重力场对绕月低轨卫星轨道的长期影响
• 5.1 解析理论
• 5.1.1 运动方程
• 5.1.2 冻结轨道存在的可能性
• 5.1.3 周期轨道
• 5.2 数值结果分析验证
• 第六章 区域导航卫星广播星历精度分析
• 6.1 GPS广播星历用户算法
• 6.2 广播星历参数的求解法
• 6.3 分析和讨论
• 6.4 卫星历书模型（Almanac model）
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 今后研究工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间撰写和发表的论文
• 致谢
• 个人简历