基于地月平动点星座的月面中继定位与自主定轨方法研究

The libration points are valuable in the lunar and other deep space exploration owning to their particular positions and dynamics characteristics. Aiming at the future exploration of the lunar far-side, poles, limb and long-range surface (i.e. the lunar area invisible to the Earth) and its requirements on relay communication, lunar surface positioning and navigation, and autonomous navigation of the future manned lunar exploration, this application proposes a study on methods of lunar relay communication, surface positioning and navigation, and autonomous orbit determination by a constellation nearby the Earth-Moon libration points. Based on the periodic and quasi-periodic orbit family, a constellation nearby the Earth-Moon points is designed with an optimal relay communication coverage of the lunar invisible area. Then, the study focuses on the methods of precise lunar surface positioning and the navigation method for the continuous lunar roving under the sparse coverage of the constellation, and the method and theory of precise autonomous orbit determination of the manned lunar probe and the navigation satellite selves. According to the application, the requirements on relay communication, lunar surface positioning and navigation, and autonomous navigation of the future manned lunar exploration are hopefully achieved by the Earth-Moon libration point constellation. Furthermore, a fruitful theory result is also obtained, including the correlative theory and method of the relay communication and positioning and navigation by the libration point constellation.

平动点由于独特的空间位置和动力学特性，在月球等深空探测中具有重要的应用价值。本项目拟开展基于地月平动点星座的月面中继定位与自主定轨方法研究。以未来月球背面、两极和边缘等对地不可见区域探测以及月面大范围探测为研究背景，面向其中的月面中继通信、月面定位与连续巡视的导航以及星间自主导航需求，基于地月平动点周期和拟周期轨道族，研究对月面不可见区域最优覆盖的地月平动点星座设计，重点研究地月平动点星座稀疏覆盖下的高精度月面定位方法和连续巡视探测的导航方法，以及未来载人登月等任务各飞行阶段和平动点导航卫星的高精度自主定轨理论与方法。 通过本项目研究，有望利用地月平动点星座实现对未来月球等深空探测的中继通信、高精度定位与自主导航，同时可望在地月平动点中继通信、月面定位与星间自主定轨相关理论和方法上取得丰硕的理论研究成果。

深空探测活动对于人类具有十分重要意义，从技术难度和应用价值来看，月球探测仍然是国际上未来较长时间内的重要深空探测内容。月球两极、背面和边缘或将成为未来月球探测的重点，其中中继通信、月面定位和导航是亟待解决的关键问题。同时，未来地月空间飞行常规化亟需解决探测器自主导航问题。相比环月星座的诸多优点，地月平动点星座或可成为解决这些问题的首选手段。.本项目以未来月球背面、两极和边缘等对地不可见区域的探测以及月面大范围探测为背景，面向其中的中继通信、月面定位以及星间自主导航需求，开展了基于地月平动点星座的月面中继定位与自主定轨方法研究。基于地月平动点轨道，研究了地月平动点星座设计、基于地月平动点星座的月面定位方法和地月空间自主定轨理论与方法。.1)在地月平动点星座设计上，提出的平动点周期轨道延拓设计方法，较好地解决了大幅值周期轨道设计问题；提出的平动点直接转移入轨方法计算量小，步骤简单便于工程应用；地月L2点异族星座的覆盖性能接近或者优于同族星座，四星异族星座的单重覆盖指标可达100%，且研究发现多重覆盖和单重覆盖难以同时最优。.2)在基于地月平动点星座的月面定位上，多星同族均匀星座在月球背面大部分区域的时间最优GDOP较小，即这些区域存在可以获得良好定位性能的时段，中心区域的GDOP在约2/3时间内小于20；动态定位可以有效降低初始定位误差，最终定位结果优于初始误差的5%。.3)在基于地月平动点星座的地月空间自主定轨上，分别分析了利用地月平动点星座对地心轨道、地月转移轨道和月心轨道的自主定轨，结果表明，地心轨道或者环月轨道的定轨精度明显优于中继导航卫星，地月转移轨道则相反，所有类型的用户星定轨精度相对于初始误差至少提高1个数量级。..本项目成果可用于未来月球探测的中继通信、月面定位和巡视导航以及深空探测器各飞行阶段的自主定轨，在弥补地面测控不足、减轻地面测控压力和提高探测器自主能力等方面具有重要应用价值和广阔应用前景。