深空探测中行星际轨道确定技术研究

Deep Space Exploration is of interest for Aerospace activity. The study on orbit determination for interplanetary flight phase is relatively small. We also face some new challenges for deep space exploration. As the distance from the Earth increases, the sensitivity to spacecraft trajectory is reduced, the geometry for orbit determination is worse, and the constraint of flight dynamics is weaken. Also, the solar radiation pressure rises to the main impact of dynamics. High accurate solar radiation is needed to make sure of the accuracy for precision orbit determination. In addition, we need a long arc tracking data to obtain a good orbit solution for interplanetary flight phase, which may encounter some perturbation forces during the orbit solution pass. As the spacecraft fly away from the Eart-Moon system, the geocentric time-space reference system is no longer available. We need to build a reference system with general theory of relativity for orbit determination. The project wil focus on solving the problem above, which is helpful for future deep space exploration.

深空探测是我国后续航天活动的重要内容。对于行星及飞行阶段的轨道确定研究工作目前开展较少，且面临诸多新的挑战：地基测量数据随着飞行器距地球距离的增加，对轨道的敏感程度逐渐降低，而且轨道的几何确定性日益变差；飞行器轨道的动力学约束逐渐减弱，太阳辐射压相对于行星引力的摄动量级增加，轨道确定中太阳辐射压建模精度的要求也更为严格；动力学约束的减弱必然要求使用更长的测轨弧段开展轨道确定，这将面临更多的星上动作产生的干扰力影响；随着飞行器离开地月系，常用的地球时空参考系统也不再适用，轨道确定必须使用考虑相对论效应的时空参考框架。项目将针对目前所面临的问题开展研究工作，解决以上问题，研究内容可直接用于我国后续的深空探测。

我国的探月工程使空间探测活动由地球范畴拓展至地月系。CE-2作为CE-1的备份星，经过改造后以探月二期先导星的角色开展了月球探测活动，进行关键技术试验。嫦娥卫星历次探测任务的成功实施取得了丰硕的科学成果，更是检验了测控系统的测定轨能力，为我国后续的深空探测奠定了基础。.项目以CE-2平动点飞行试验、小行星探测试验以及YH-1火星探测任务为背景，对深空探测的测定轨技术开展了相关研究工作。项目研究成果为CE-2平动点飞行试验、小行星探测试验提供了测控支持，更为小行星探测试验的拍照成像提供了高精度的轨道支持。针对YH-1火星探测开展了先期的测定轨研究，研究成果虽未能直接应用于火星探测任务，但积累的理论知识可服务于我国后续深空探测。具体而言，项目的研究可以概括为以下几个方面：.(1) 回顾统计定轨理论，简单介绍了时空参考框架，动力学模型，估值方法，摄动分析理论以及考察协方差。.(2) 开展深空探测的观测建模研究。基于理论分析，推导建立测距、多普勒以及VLBI等观测类型的测量模型。在观测模型建立过程中对算法进行优化，在保证计算精度的同时，提高了计算效率。此外，针对嫦娥卫星巡航飞行阶段自旋稳定的特点，建立了测量数据的自旋修正模型，既满足了数据修正的需求，亦可实现天线安装位置的估算。.(3) 对CE-2平动点飞行试验期间积分中心选取的问题进行了研究，基于理论推导，得出更适宜选取地球作为积分中心开展轨道计算及预报研究。为CE-2平动点飞行的提供精密轨道支持，建立真实力模型下的空固坐标系与旋转坐标系的转换关系；针对测量数据对流层延迟建立了平均效应的修正方式；基于重叠弧段比较，实现了平动点飞行CE-2全程2-10km的定轨精度，在平稳飞行阶段轨道精度优于5km。.(4) 为CE-2小行星探测试验提供轨道支持。交会前最后两次轨道修正期间只有13天时间，而实现小行星拍照试验指标要求轨道精度优于15km。针对控后弧段有限的特点，制定了融合轨控前后测轨数据开展定轨计算的策略，实现了控后12天优于10km的定轨精度，同时为轨控过程速度增量的标定提供了依据。.(5) 针对早期YH-1火星探测任务开展了仿真计算，分析影响定轨精度的主要误差源和当前测控条件下YH-1可能的定轨计算能力，先期的研究工作可为后续的自主火星探测提供支持。