一種月球探測器精密定軌方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于月球探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種月球探測器精密定軌方法，具體地說，涉 及一種利用甚長基線干涉測量（VLBI)觀測、同時估計地球自轉(zhuǎn)參數(shù)和力學(xué)模型參數(shù)的月 球探測器精密定軌方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 月球探測器的精確位置信息對實現(xiàn)探月計劃、科學(xué)目標和研宄地月環(huán)境非常重 要。VLBI技術(shù)被廣泛應(yīng)用于深空探測領(lǐng)域。國際上許多深空探測器的實時測軌過程中都成 功使用了 VLBI技術(shù)，我國探月工程中對嫦娥系列探測器的跟蹤與測控也應(yīng)用了 VLBI技術(shù)， 相關(guān)文獻中均有描述。
[0003] VLBI技術(shù)的原理如圖1所示。由于探測器距地面兩測站的距離不同，因此探測器 上發(fā)出的同一信號到達兩測站的時間是不同的，測量這個時間差，建立探測器與兩測站的 幾何測量關(guān)系，通過大量的觀測值以及已知的測站位置就可以計算得到探測器的位置。
[0004] 由于地面測站位于地球上，其坐標一般在協(xié)議地固參考系下描述，而探測器由于 位于深空，其坐標根據(jù)其位置的不同又定義在不同的參考系統(tǒng)下，如環(huán)月探測器的坐標一 般在J2000月心慣性系下描述。因此要通過VLBI技術(shù)建立地面測站與探測器的幾何觀測 連接，就必須將它們定義在統(tǒng)一的參考系中。在深空領(lǐng)域中，常將兩者統(tǒng)一在太陽質(zhì)心參考 框架（BCRS)下。這樣就涉及到一個坐標系轉(zhuǎn)換的問題。圖2描述了由地固坐標系轉(zhuǎn)換到 太陽質(zhì)心坐標系的過程。
[0005] 在圖2中，由地固坐標系轉(zhuǎn)換到J2000地心慣性系可用下式表示：
[0006] 其中，[GCRS]表示在J2000慣性坐標系下的坐標，[ITRS]為協(xié)議地固系下坐標， Q(t)為歲差章動矩陣，R(t)為地球旋轉(zhuǎn)矩陣，W(t)為極移矩陣。其中，R(t)與W(t)由地球 自轉(zhuǎn)參數(shù)（ERP)決定，因此，ERP參數(shù)的精度高低將直接影響著轉(zhuǎn)換過程的精度高低，從而 間接影響了觀測方程的建模精度，并最終影響到探測器的定軌精度。相關(guān)文獻研宄表明，不 同ERP先驗精度下"嫦娥一號"等深空探測器的定軌結(jié)果最大將會存在公里級的差異（魏 二虎，史青，嚴韋，李雪川.ERP精度對"嫦娥一號"差分VLBI定位精度的影響.武漢大學(xué)學(xué) 報?信息科學(xué)版，2011，36(11) : 1324-1327)。
[0007] ERP參數(shù)目前由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)（IERS)發(fā)布，分為預(yù)報產(chǎn)品（Bulletin A)和事 后精密產(chǎn)品（Bulletin B)兩種，事后精密產(chǎn)品精度較高，可滿足目前深空探測器的定軌要 求，但由于是事后延遲發(fā)布，因此時效性低，在探測器的實時性定軌中不能使用。因此目前 的深空探測器實時定軌任務(wù)使用的是精度較低的預(yù)報產(chǎn)品，影響了深空探測器實時定軌精 度的提高。
[0008]目前，有學(xué)者提出了將ERP參數(shù)引入到觀測方程中與探測器位置參數(shù)一同估計， 在提高ERP參數(shù)精度的同時提高探測器位置的解算精度，有效地降低了 ERP參數(shù)的預(yù)報精 度對定位精度的影響。但這種方法假設(shè)了在一個較短的弧段內(nèi)探測器軌道根數(shù)沒有變化， 限制了軌道確定的長度；而且基于幾何定軌的原理，沒有動力學(xué)信息，因此得到的軌道沒有 預(yù)報作用。
[0009] 對月球探測器的每一種觀測技術(shù)的觀測模型中，涉及很多幾何和物理模型參數(shù)的 先驗信息，如果直接利用而不改進其先驗信息的精度，就會傳播到所確定的月球探測器位 置中。月球探測器在軌飛行時，其位置的先驗信息一般分別通過經(jīng)驗的動力學(xué)模型積分獲 得。由于動力學(xué)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)不準確，影響了給出的數(shù)值積分位置的精度，從而影響了采用 觀測量確定探測器位置的精度。目前觀測模型中不同參考系間的連接參數(shù)直接采用本觀測 系統(tǒng)以外觀測系統(tǒng)所提供的先驗信息，其精度水平也會影響月球探測器定位精度。如何改 進這些幾何和物理模型參數(shù)的先驗精度，是目前月球探測器精密定位研宄急需突破的關(guān)鍵 問題和難點。對于月球探測器定軌，目前國際上使用的基本模型有幾何觀測模型和動力學(xué) 定軌模型。這兩類模型各有優(yōu)劣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種月球探測器精密定軌方法，在 建立VLBI觀測數(shù)據(jù)的觀測模型基礎(chǔ)上，提出了將觀測模型與動力學(xué)模型進行有機結(jié)合，首 次提出和建立一種同時估計參考系連接參數(shù)（ERP參數(shù)）、探測器初始狀態(tài)參數(shù)、探測器飛 行段動力學(xué)定軌的攝動模型參數(shù)的新模型，避免現(xiàn)有模型中直接引用這些幾何和物理模型 參數(shù)的先驗精度對探測器定位精度影響的缺陷，為月球探測器精密定位建立基礎(chǔ)。
[0011] 其技術(shù)方案如下：
[0012] 一種月球探測器精密定軌方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟1 :將觀測模型和動力學(xué)模型進行有機結(jié)合，建立新的結(jié)合模型分析月球探 測器飛行段進行動力學(xué)定軌所涉及的攝動力因素，分析各攝動力對月球探測定軌的影響量 級，研宄攝動力模型。
[0014] 步驟2 :建立動力學(xué)積分確定探測器位置的模型。建立利用各類觀測量確定探測 器位置參數(shù)的觀測模型。利用這兩種模型分別確定探測器位置的差異值作為虛擬觀測值， 建立求解動力學(xué)和觀測模型參數(shù)改正數(shù)的結(jié)合模型。
[0015] 步驟3 :將參考系連接參數(shù)引入新的結(jié)合模型對月球探測器不同運行階段，分析 各觀測技術(shù)的結(jié)合模型中所涉及的測站和觀測目標初始坐標等參數(shù)所屬的不同參考系，通 過不同的參考系連接參數(shù)的轉(zhuǎn)換矩陣將不同參考系轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的參考系，從而將參考系連 接參數(shù)帶入了模型中，便于用此模型將其作為未知參數(shù)來計算其改正數(shù)。
[0016] 步驟4:通過以上步驟將參考系連接參數(shù)引入了觀測模型，對觀測模型進行線性 化，即計算觀測值對可估計參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，建立參數(shù)估計的平差模型，確定可估計參數(shù)序 列。
[0017] 步驟5 :利用步驟1、2建立的力學(xué)模型進行軌道積分得到觀測時刻對應(yīng)的月球探 測器的近似位置，并同時得到各觀測時刻衛(wèi)星狀態(tài)與初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣以及衛(wèi) 星狀態(tài)對力模型參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣以此可計算各觀測值的計算值，生成觀測值殘差并得到 法方程系數(shù)矩陣。
[0018] 步驟6 :重復(fù)步驟5直到讀取所有觀測數(shù)據(jù)，利用最小二乘或其它估計方法得到所 有估計參數(shù)（衛(wèi)星初始狀態(tài)、參考系連接參數(shù)、力學(xué)模型參數(shù)及其它觀測模型參數(shù)）的改正 值。
[0019] 步驟7 :將所有估計參數(shù)的