月球重力场模型及应用研究

论文摘要

月球重力场强烈地影响着绕月探测器的运行轨道,利用精细的月球重力场,探月项目设计者能够更好地设计探月航天器的轨道。探测月球重力场有利于更好地计算月球的大地测量与动力学常数,也有助于月球物理天平动的研究,在充分了解月球重力场的基础上,还可以精确地知道月球的质心和转动惯量,以进一步地确定月球的大地坐标系。此外,月球重力场还是月球内部物质的物理反映,通过研究月球重力场,可以更深入地认识月球的地质演化历史和地质结构。本文以月球重力场为研究对象,结合现有的月球重力场模型,重点研究了评估月球重力场模型的理论与方法、月球扰动引力矢量的空间特征和频谱特性以及月面地形与重力场相关性等内容,分析推导了基于跟踪观测技术恢复月球重力场的条件和能力等方面的一些问题。论文的主要工作及创新有:1)介绍了月球概况、坐标系、月球重力场区别于地球重力场的特点及它的表示方法,总结了恢复月球重力场的原理,其中涉及动力学模型、解算过程等方面内容。2)研究了月面质量瘤区域地形与重力异常的负相关性问题。结合现有月球重力场模型解算时采用跟踪数据的特点,通过各模型重力异常的直观对比以及阶方差曲线与考拉准则曲线吻合情况的比较,对月球重力场模型的质量进行了评估。研究并提出了对模型进行可靠性分析的方法,通过计算模型的信噪比反映了各模型空间频谱信号和频谱误差的强度,对模型的可靠性做出分析。通过这些手段,探索了一套适用于评估月球重力场模型的理论与方法。3)分析了月球扰动引力矢量随高度变化的特征,对探测器在低空环境中所受月球扰动引力的影响进行了探讨研究。通过分析扰动引力径向谱分量与高度有关的谱分布趋势,估计了谱分量信息随高度增加而衰减的特点及其在不同频段的谱敏感度,得到了敏感各频段位系数与所需探测器轨道高度的关系。研究了该谱分量不同频段的分布特性,并据此提出了在解算不同频段月球重力场模型位系数时对解算方法进行改进的思路。4)在深入了解深空探测器跟踪观测的主要技术的前提下,确定了恢复一定阶次重力场模型的分辨率条件,推导得到月球极圆轨探测器恢复至不同阶次月球重力场模型沿纬度方向(星下点轨迹间距)和沿经度方向(采样间隔)的最低分辨率条件,并结合我国“嫦娥一号”的实际情况进行了讨论。分析了轨道参数的选取对恢复月球重力场模型的重要影响以及两种评估绕月探测器恢复月球重力场能力的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 国外月球重力场研究进展
• 1.2.2 我国探月进展
• 1.2.3 其它相关研究情况
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 月球重力场概论
• 2.1 月球概况
• 2.2 常用月球坐标系
• 2.2.1 月固坐标系
• 2.2.2 月心天球坐标系
• 2.2.3 月心赤道坐标系
• 2.3 月球参考椭球（球）与基准面
• 2.4 月球重力场的特点
• 2.4.1 质量瘤
• 2.4.2 带球谐系数
• 2.4.3 摄动规律
• 2.4.4 恢复手段的差异
• 2.5 月球重力场的表示方法
• 2.5.1 全球模型
• 2.5.2 局部模型
• 2.6 恢复月球重力场的原理
• 2.6.1 动力学模型
• 2.6.2 解算过程
• 第三章 月面地形与重力异常相关性分析及重力场模型评估
• 3.1 月面地形与重力异常的相关性
• 3.1.1 月面地形模型
• 3.1.2 相关性分析
• 3.2 模型重力异常比较
• 3.3 模型质量分析
• 3.3.1 跟踪数据情况
• 3.3.2 考拉准则
• 3.3.3 模型质量分析
• 3.4 模型可靠性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 月球扰动引力的空间特征及频谱特性
• 4.1 月球扰动引力的空间特征及应用
• 4.1.1 扰动引力的球谐表达
• 4.1.2 扰动引力随高度变化特征
• 4.1.3 低空局部区域扰动引力对探测器影响初探
• 4.2 扰动引力信号频谱特性及应用研究
• 4.2.1 扰动引力信号的谱分量
• 4.2.2 径向谱分量特性及谱敏感度
• 4.2.3 跟踪数据的权
• 4.2.4 径向谱分量分布特性及应用
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于跟踪观测技术恢复月球重力场的条件和能力
• 5.1 探测器跟踪观测技术
• 5.1.1 激光测量技术
• 5.1.2 无线电多普勒测量技术
• 5.1.3 甚长基线干涉测量技术
• 5.2 我国的月球探测器跟踪观测
• 5.2.1 深空测控网
• 5.2.2 月球探测器跟踪能力
• 5.3 分辨率条件
• 5.3.1 重力场模型的分辨率
• 5.3.2 星下点轨迹间距（沿纬度方向）条件
• 5.3.3 采样间隔（沿经度方向）条件
• 5.3.4 覆盖条件
• 5.4 制约恢复月球重力场能力的轨道参数条件
• 5.4.1 轨道高度
• 5.4.2 轨道倾角及偏心率
• 5.5 评估恢复月球重力场能力的方法
• 5.5.1 信噪比方法
• 5.5.2 功率谱方法
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录A 月球与地球基本参数对照表
• 附录B 月球质量瘤统计
• 作者简介 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢