运动学统计定轨法应用于ce-1落月轨迹确定

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1、第28卷第3期天文学进展V_01．28．No．32010年9月PROGRESSINASTR0N0MYSep．，2010文章编号：i000—8349(2010)03—290一ii运动学统计定轨法应用于CE一1落月轨迹确定李培佳，一，胡小工，黄勇，曹建峰1,2,3(1．中国科学院上海天文台，上海200030；2．中国科学院研究生院，北京100049；3．北京航天飞行控制中心，北京100094)摘要：运动学统计定轨方法不同于常规动力学统计定轨方法和几何法，既不需要建立飞行器的动力学模型，又可以利用整个弧段的测量信息进行统计计算，所以采用运动学统计定轨的方法描

2、述飞行轨迹特别适用于嫦娥二期的动力落月过程。对嫦娥一号(CE—1)落月过程，采用运动学统计定轨方法，联合USB和VLBI数据进行轨道计算并确定CE-1的落月轨迹以及撞月点的位置，将所得结果与动力学统计定轨结果进行比较。计算表明，运动学统计定轨方法精度可以满足工程要求，可以为探月工程二期软着陆阶段的导航提供一种较为可行的定轨方法。关键词：探月二期；嫦娥一号；运动学方法；统计定轨；落月轨迹；VLBI；USB中图分类号：P412．41文献标识码：A刖百我国探月二期工程目前已经启动，二期工程计划发射嫦娥二号和嫦娥三号两颗月球探测器。由一期工程的备份星进行技术改

3、进的嫦娥二号卫星将作为二期工程的先导星，计划于2011年底前完成发射，用于试验验证二期工程轨道、测控和软着陆等5个方面的关键技术，以降低二期工程的技术风险。嫦娥三号将实现月球软着陆和巡视探测任务，开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分、月球内部结构、地月空间与月表环境探测和月基光学天文观收稿日期：2009—07-17；修回日期；2010—01一l1基金项目：国家自然科学基金资助项目(10703011)；国家高技术研究发展专项(2O08AA12A209)；上海市科学技术委员会资助项目(06DZ22101)；科技部“863”课题(2007AA12Z

4、345)3期李培佳，等：运动学统计定轨法应用于CE一1落月轨迹确定291测等活动，建成基本配套的月球探测工程系统【。月球探测二期任务，月球探测器的软着陆与月球巡视探测任务对测控系统提出了更高的导航定位要求，不仅要求精度高，而且要求时间响应速度快。在任务中，对于月球软着陆可分为以下几个阶段：第一阶段，反推火箭制动减速、调姿；第二阶段，悬停，航天器达到离月表100m左右时，控制垂向速度，使其幅值为0；第三阶段，缓速下降，通过反推火箭，控制航天器缓速下降，直至重心离月表4m左右关闭制动；第四阶段，自由落体撞击月表着陆。由此可见，月球探测器动力落月段包含卫星发

5、动机的喷气动力过程，会对卫星产生附加推力，并且这种推力随时间变化较复杂，难以建立相应的动力学模型，其轨道确定工作不同于常规飞行段，不适宜用常规的动力学统计方法进行定轨。针对探月二期要求实现软着陆的工程目标，迫切需要寻找一种有效的针对动力落月的定轨方法。目前精密定轨方法主要包括动力学法和几何法。动力学法是利用含有误差的观测值和数学模型来得到卫星状态及有关参数的最佳估值，一般采用基于线性估计技术的统计方法，也称为统计定轨。动力学法的优点是定轨精度较高，可以对轨道进行外推预报；不足之处是必须比较完整地考虑各种卫星的受力摄动模型，目前还很难分析出卫星所受的所有

6、摄动，不同高度、不同形状的卫星所受摄动情况不同，且卫星发动机喷气过程中的复杂推力的存在使得动力学建模无法很好实现。几何法是利用观测数据进行空中交汇定位，给出相应卫星的位置。该方法得到的是一组离散的点，连续的轨道必须通过拟合方法给出。几何法的特点是不受力学模型误差的影响，影响定轨精度的主要因素是观测值的精度、测站几何构形；不足之处是不能保证轨道外推的精度。本文提出的运动学统计定轨方法，既可以避开卫星复杂的动力学建模过程，又可以有效利用整个定轨弧段的测量信息进行统计计算，并能进行短时间内的轨道外推。2009年3月1日，嫦娥一号卫星通过多次轨道调整，依靠地面

7、精确的控制，实施轨道机动后约14min成功撞击预定的月表“丰富海”区域。由于CE一1落月段为非动力自由飞行弧段，可以建立比较准确的动力学模型，曹建峰等人采用动力学定轨方法利用GEODYNII软件计算了落月轨迹，所得结果比较可信。在CE一1撞月试验中，综合使用了USB与VLBI两种测量手段，获取了较为完整的测轨资料。参与嫦娥工程的甚长基线干涉测量(VeryLongBaselineInterferometry，VLBI)技术诞生于20世纪60年代，VLBI具有高精度、高分辨率以及多用途等特点，已经在天文地球动力学和大地测量中得到了富有成果的应用【引。绕月探

8、测工程是VLBI技术第一次成功应用于我国的航天任务。刘迎春等人【、黄勇等人[]和王威等人[]的