基于多种中继跟踪模式的月球背面与南极着陆器精密定位及其科学应用研究

The Lunar farside and the Lunar south pole are two regions that have paramount importance in lunar surface exploration, as recognized by both the national and international scientific comminutes. The tidal locking of the Moon prevents any direct Earth-lander communications, for any vehicle that is located on the far side of the lunar surface. This research proposes various new types of relay tracking modes to solve the occlusion problem and open the possibility of high-precision lunar science on the farside. That will grant China a strategic advantage on the international arena for both unmanned and manned missions to the Moon. The types of relay tracking mode to be investigated includes “station- L2 orbiter -lander”, “station- lunar orbiter -lander”, “station- multiple orbiters – multiple landers”. For each relay tracking mode, we will provide specific and applicable solutions, analyze the error source and its magnitude, study and probe the contribution to selenodetic parameters (e.g., gravity field coefficients and K2 love parameters), and analyze the impact of lander positioning and relay satellite OD. This research could provide high precise positioning results for the lunar farside and south pole lander, improve the accuracy of relay satellite OD and provide new perspective for the solutions of selenodetic parameters.

月球背面与南极区域一直是国内外月球探测的热点区域。但由于月球自转与绕地球公转的同步性,月球背面着陆器与深空站无法通视，导致传统的“探测器-深空站”这种直接的无线电跟踪测量方式不再适用。本研究针对遮挡这一难题，分别面向我国近期的无人探月和未来载人登月与月球基地建设大规模应用这两个需求，提出多种新型中继跟踪测量模式，包括“深空站-单颗L2中继星-着陆器”，“深空站-单颗绕月中继星-着陆器”，“深空站-多中继星-多着陆器”等模式，针对不同的中继跟踪测量链路给出可能的具体实现解决方案，厘清影响中继跟踪模式的误差源及量级，研究中继跟踪模式对着陆器精密定位，以及中继星精密定轨的贡献，同时探讨这些新跟踪测量模式对包括重力场和勒夫数K2在内的月球测地学参数改进的贡献。通过本项目研究，可为月球背面与南极着陆器提供高精度定位结果，显著提高中继星定轨精度，同时为月球测地学参数解算提供新思路。

由于月球自转与绕地球公转的同步性,月球背面着陆器与深空站无法通视，导致传统的“探测器-深空站”这种直接的无线电跟踪测量方式不再适用。本项目首先对四程月球着陆器-轨道飞行器中继跟踪测量算法进行了改进，比较了绕月中继和地月L2 Halo轨道中继对月球背面着陆器的定位精度的差别；基于自主软件系统,对嫦娥系列的跟踪数据进行了重新处理，评估了不同任务期间跟踪测量数据的精度;并利用嫦娥5号试验卫星和以往的轨道跟踪数据，研制并验证了新的自主月球重力场模型CEGM03。进一步，拓展了自主软件WUDOGS系统功能，包括星间卫-卫跟踪测量、四程中继跟踪测量、flyby模式、逆VLBI测量模型、火星定向参数解算等新模式，并将WUDOGS系统逐步由月球拓展至水星、木星和小天体，探讨这些新跟踪测量模式对包括重力场和勒夫数K2在内的测地学参数改进的贡献。利用火星快车号于2010年和2013年飞掠火卫一时的多普勒轨道跟踪数据，研究了火卫一Phobos的质量及二阶重力场系数;并利用ESA Rosetta任务中的轨道器对着陆器在通视阶段的CONSERT测距序列，开展了着陆器定位的研究；开展了四程中继跟踪测量模式在水星重力场的初步研究。重要结果包括：在0.1 mm/s多普勒测量误差水平下，利用环月中继卫星，背面着陆器的定位精度可达到厘米级；利用地月L2 Halo中继卫星，背面着陆器的定位精度仅达5米。在增加了4W中继跟踪数据后，两种中继卫星的轨道精度均得到提高，同时四程中继模式也适用于其它行星和小天体探测任务。新研制的CEGM03模型相比于CEGM02模型在前20阶次的精度提升至少2倍，显示出我国嫦娥5T1探测器小倾角轨道跟踪数据独特的科学贡献。通过本项目的研究，表明了多种新型跟踪模式在诸如重力场、勒夫数、自转参数、着陆器定位定轨方面的科学价值，其成果可为我国后续深空探测器的射电跟踪提供重要的参考。