[發明專利]一種基于四程中繼跟蹤模式的遠月面著陸器精密定位方法

有效

• 申請號: 201611249128.7
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106643744B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 葉茂;李斐;鄢建國;郝衛峰;金煒桐;楊軒;曲春凱
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 嚴彥

技術領域

本發明屬于月球著陸器精密定位與深空探測領域，特別是涉及一種基于四程中繼跟蹤模式的遠月面著陸器精密定位方法。

背景技術

目前，深空探測是世界各國競相爭逐的熱點，進行深空探測，可以進一步解答地球如何起源與演變、行星和太陽系形成和演化的過程、人類是不是宇宙中唯一的智慧生命、地球的未來將如何等一系列問題，同時有利于人類積極開發和利用空間資源。在深空探測中，探測器的定軌定位是任務成敗的關鍵，也是各種科學任務順利進行的前提。精密的探測器軌道是進行地形地貌測繪的基礎數據，也可以用于行星重力場的解算，進而反演行星的內部構造。

月球背面的著陸探測一直是國際上的熱點和難點。月球背面具有不同于月球正面的獨特地質構造，是研究地月起源的重要突破口；月球背面沒有地球電磁波干擾，是進行低頻射電天文觀測的天然理想場所。但是由于月球自轉與公轉同步，月球背面著陸器無法與地球測站進行直接通信，任務難度和風險比較大，目前對月球背面的就位探測仍舊是一項國際空白。因此，開展月球背面的就位探測具有重要的科學意義和工程意義。

對于近月面著陸器的定位問題，一般采用運動學統計定位方法，采用測量模式包括：雙程/三程測距、測速，VLBI時延/時延率模型等等。在“嫦娥三號”著陸器的精密定位中使用了運動學統計定位方法，綜合了測距、測速數據和VLBI時延、時延率數據，著陸器定位的絕對精度在10m左右(曹建峰,張宇,胡松杰,等.2016.嫦娥三號著陸器精確定位與精度分析.武漢大學學報(信息科學版),41(2):274-278.doi:10.13203/j.whugis20140123.)，“玉兔號”漫游器與著陸器的相對定位采用了同波束VLBI技術，相對位置精度可達到米級(黃勇,昌勝騏,李培佳,等.2014.“嫦娥三號”月球探測器的軌道確定和月面定位.科學通報,59(23):2268-2277.)。

但是對于月球背面著陸器的精密定位問題，如圖1所示，圖1a為近月面示意圖，圖1b為遠月面示意圖，由于月球自身的遮擋，遠月面著陸器與地球深空測控站無法通視，傳統的直接測量模式，如“嫦娥三號”中的雙程、三程測距/測速，VLBI時延/時延率測量模式將不再適用，因此有必要采取新的跟蹤測量模式對遠月面著陸器進行定位。

在對月球著陸器定位的過程中，涉及到坐標系的轉換。地面測站位于地球，一般用地球參考框架描述；月球著陸器需要用月球主軸坐標系來表示；而信號在太空中的傳輸要考慮大天體引力時延以及相對論效應的影響，最終均需要在太陽系質心坐標系下(BCRS)表示。為了得到高精度的定位結果，需要不同坐標系之間進行高精度的轉換。各坐標系之間的轉換如圖2所示。

地面測站坐標由協議地固系(ITRS)轉為J2000地球慣性坐標系下的坐標，此轉換需要歲差旋轉、章動旋轉、極移旋轉以及地球自轉旋轉。關于歲差、章動模型，隨著觀測值精度的不斷提高，也在不斷地修正。目前IERS2010規范推薦采用IAU2006決議的歲差章動模型。J2000地球慣性系坐標經過平移、洛倫茲變換可以轉到太陽系質心坐標系下。

同地固坐標系統的轉換中用到歲差章動和極移一樣，從月球主軸坐標系(PA)到月心天球坐標系，要考慮月球天平動(Libration)的影響。目前用于月球物理天平動研究的主要手段仍然是對月激光測距(LLR)，由月球自轉引起測距的變化，通過數值積分來求得月球自轉相應的三個歐拉角，通過旋轉三個歐拉角即可轉換到月心天球坐標系下，進一步經過平移、洛倫茲變換可以轉到太陽系質心坐標系(BCRS)下。

目前對月球背面的著陸一直是國際空白，月球背面的著陸最大的難題是克服信號被月球遮擋的影響，同時面臨無法實時測控跟蹤著陸器等難題。

發明內容

本發明的目的是克服傳統直接跟蹤測量模式無法對遠月面著陸器進行定位的缺陷，提供一種基于四程中繼跟蹤模式的遠月面著陸器精密定位方法，該方法借助于中繼星的中繼跟蹤測量，可以消除月球自身的遮擋，實現對遠月面著陸器的精密定位。

為達到上述發明目的，本發明的技術方案提供一種基于四程中繼跟蹤模式的遠月面著陸器精密定位方法，建立月球著陸器-軌道器的四程中繼跟蹤測量模式的觀測模型，基于觀測模型實現遠月面著陸器精密定位。