深空探测器的距离和多普勒跟踪数据误差源分析与修正研究

论文摘要

高精度的跟踪测量数据是深空探测器导航定轨的必要条件,为获得高精度测量数据,就必须修正各种误差的影响,因此研究跟踪数据的误差源具有重要意义。本文主要讨论了深空测控跟踪测量数据预处理中涉及的问题,包括相对论意义下时空参考架的定义及坐标转换公式、相对论光行时延迟、行星际等离子区延迟以及距离和多普勒数据误差源量级分析和修正等。本文得到的主要结论有:1.用模拟出的不同位置处、不同长度的光路径给出了距地球2AU范围内,相对论光行时延迟与光路径上的点到天体的最近距离R和光路径长度L的数量关系。结果表明,R越小、L越大则光行时延迟越大;当光路径在0.2AU～2AU范围内,该项影响的量级为km,经模型改正后残差的量级小于4cm,可以忽略。2.从模拟计算得出,在可测控的区域内（∠SEP＞5°）,行星际等离子区对X频段电磁波的影响从零点几米到几十米,对地火转移轨道航天器的视向速度影响量级为10-2～10-4mm/s。调研了各种等离子体密度模型后可以看出:目前模型改正的精度有限,且数据处理时一般把模型中出现的系数当作待估参数解算;同地球电离层双频改正法的结论一样,等离子区双频改正后精度主要取决于观测量测量值的噪声。3.根据其他参考文献的结果和本文分析、模拟计算的结果,总结了所有距离和多普勒数据误差源的影响量级和修正精度。在这些误差源中,由于频率不稳定性引起的误差不能改正,因此必须选择满足精度要求的航天器和地面测站原子钟;对于由TDB-TAI时刻差引起的误差,可以根据精度和运算效率的要求,选择需要保留的项和可以忽略的项;对于带电粒子引起的光行时延迟（等离子区和电离层）,如果用模型修正,模型中的系数一般作为待估参数,如果用双频观测法修正,修正精度一般取决于测量噪声。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容
• 第二章 时空参考架的分析与转换
• 2.1 时间尺度和时间差
• 2.1.1 时间尺度
• 2.1.2 时间差
• 2.2 时空参考架的相对论基础
• 2.2.1 张量、度规张量和度规
• 2.2.2 广义相对论原理
• 2.3 太阳系质心参考架、局部地心参考架
• 2.3.1 N体度规张量及度规
• 2.3.2 参考架
• 2.4 参考架中位置矢量和时间的转换关系
• 2.4.1 BCS←→GCS时间坐标变换
• 2.4.2 BCS←→GCS位置坐标变换
• 2.4.3 BCS←→GCS引力常数变换
• 2.5 本章小结
• 第三章 相对论效应对观测量的影响分析及修正
• 3.1 相对论光行时延迟的影响
• 3.1.1 引力场中光路径方程和光行时方程
• 3.1.2 相对论光行时延迟量级分析和模型改正精度
• 3.1.3 BCS和GCS中的实用公式
• 3.2 相对论多普勒频移影响
• 3.2.1 相对论多普勒频移及其对视向速度的影响公式
• 3.2.2 相对论多普勒频移对视向速度的影响量级分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 太阳附近和行星际等离子区对观测量影响分析及修正
• 4.1 行星际等离子区简介
• 4.1.1 分布范围、结构和基本物理参数
• 4.1.2 等离子体密度模型
• 4.2 行星际等离子区对无线电波传播的影响分析
• 4.2.1 等离子区延迟与太阳-测站-航天器夹角SEP和光路径长度L的关系
• 4.2.2 等离子区延迟对火星探测器观测量的影响
• 4.3 行星际等离子区影响修正方法
• 4.4 本章小结
• 第五章 测量数据误差源量值量级估计与改正方法的精度
• 5.1 距离测量及误差修正
• 5.1.1 发射站发射频率和接收站发射频率不稳定性
• 5.1.2 接收站和发射站零相位的时刻差
• 5.1.3 发射站和接收站时间系统转换的差
• 5.1.4 相对论光行时延迟
• 5.1.5 传播介质延迟
• 5.1.6 地面接收站下行支路时延和地面发射站上行支路时延
• 5.1.7 距离测量的误差源及其影响和改正精度情况总结
• 5.2 多普勒频率观测量的误差源及其影响量级
• 5.2.1 频率不稳定性
• 5.2.2 接收方参考频率和发射方发射频率与它们标称值的偏差
• 5.2.3 不同时间系统之间差别的变化率
• 5.2.4 相对论光行时延迟的变化率
• 5.2.5 传播介质延迟的变化率
• 5.2.6 测站设备延迟的变化率
• 5.2.7 多普勒误差源影响量级和模型修正精度总结
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与研究展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士期间完成的主要工作
• 致谢