基于主从星测速模式的小行星重力场反演方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于主从星测速模式的小行星重力场反演方法及系统，搭建环绕同一颗小行星的主星和从星之间的观测链路，所述主星和从星分别采用一个探测器实现，地面深空站与围绕小行星运行的主星保持跟踪，围绕同一颗小行星的主星和从星之间进行双程测速；利用星间观测值分别对探测器坐标和重力场系数计算偏导数，得到并解算雅克比矩阵，从而确定两个探测器准确的轨道和小行星重力场系数，实现提取更高精度的重力场反演结果。本发明专利技术在建立基于主星

【技术实现步骤摘要】
基于主从星测速模式的小行星重力场反演方法及系统


[0001]本专利技术属于小行星重力场反演与深空导航领域，特别是涉及一种主从星测速模式的小行星重力场反演方法及系统。

技术介绍

[0002]在过去的三十年里，美国、欧空局和日本在彗星/小行星探测任务中方面非常活跃，主要的探测任务有：前往小行星Eros的近地轨道任务、前往小行星Itokawa的隼鸟任务、前往彗星67P的罗塞塔任务、前往Vesta和Ceres的黎明号任务、前往小行星Ryugu的隼鸟2号任务和前往小行星Bennu的欧西里斯号任务。
[0003]小行星属于太阳系小天体，和行星一样环绕太阳运动，但体积和质量比行星小的多。广义的小行星大小介于流星体和矮行星之间，直径可从数米至1,000公里不等，包括在这个尺寸下太阳系里非彗星的所有小天体。但大部分的小行星都分布于内太阳系，加上外太阳系小天体（如半人马群和海王星外天体）的物理特性和内太阳系小天体有所差异，因此小行星更常被用于专指内太阳系非彗星的小天体。
[0004]小行星作为太阳系形成的早期产物，其重力场可提供内部结构、物质组成和早期演化的重要信息。同时，小行星重力场对探测器的着陆和轨道设计有着重要意义。为了解算小行星的重力场系数，传统的方法是地球发射探测器至小行星，同时地面深空站的射电望远镜与探测器保持通信，并进行多普勒跟踪测速，如图1所示。但信号来回的时间延迟将达到数小时，不适用于探测器的紧急任务。信号也会受到地球的对流层和电离层以及行星际的等离子体的影响。而且对探测器的长时间观测必然会加重地面深空站的负担。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服传统双程测速模式无法及时与探测器保持通信的问题，建立了主从星之间的联系，提供基于主从星测速模式的小行星重力场反演方案。该方案借助星间测速，可以消除地面深空站的长时间通信问题，实现探测器的快速定轨，同时提高小行星重力场的解算精度。
[0006]为达到上述专利技术目的，本专利技术的技术方案是一种基于主从星测速模式的小行星重力场反演方法，搭建环绕同一颗小行星的主星和从星之间的观测链路，所述主星和从星分别采用一个探测器实现，地面深空站与围绕小行星运行的主星保持跟踪，围绕同一颗小行星的主星和从星之间进行双程测速；利用星间观测值分别对探测器坐标和重力场系数计算偏导数，得到并解算雅克比矩阵，从而确定两个探测器准确的轨道和小行星重力场系数，实现提取更高精度的重力场反演结果。
[0007]而且，重力场反演实现过程包括如下步骤，步骤1，搭建环绕同一颗小行星的主星和从星之间的观测链路，建立主星
‑
从星的双程测速观测模式，星间观测值分别对探测器坐标和重力场系数计算偏导数；步骤2，利用步骤1中的主星
‑
从星的双程测速观测模式，并结合地面深空站与主星
的双程观测模式，生成观测数据，从而确定单弧段法方程；步骤3，融合多个弧段的方程，解算主星和从星的坐标改正值和重力场系数的改正值，分别加到解算探测器坐标和重力场系数的初始值上，得到最优估值；步骤4，重复步骤1~3，直到前后两次最优估值的改正值在预设的门限值内时停止迭代，从而确定两个探测器准确的轨道，并得到小行星的重力场系数，提取更高精度的重力场反演结果。
[0008]而且，步骤1中，建立主星
‑
从星的双程测速观测模式的测量方程如下，上式中，X
M
，X
S
分别为主星和从星在质心天球参考系BCRS下的位置矢量，X
P
为探测器环绕的小行星在BCRS下的位置矢量，T1，T2代表起始时刻、终止时刻的质心动力学时，V代表主星和从星分别相应探测器的相对速度；计算星间测速对两个探测器位置矢量和重力场系数的偏导数H1，得到雅克比矩阵：其中，V
MS
表示星间观测值，代表主星相应探测器A在BCRS下的位置和速度，代表从星相应探测器B在BCRS下的位置和速度，C
nm
，S
nm
为小行星的重力场系数，n和m为重力场系数的阶次和级，T表示矩阵的转置。
[0009]而且，步骤2中，仅对主星的位置矢量和重力场系数求偏导数H2，表示为：其中，V
MG
表示地面站与主星间的双程测速值，表示主星相应探测器A的位置和速度，C
nm
，S
nm
为小行星的重力场系数；利用步骤1中的主星
‑
从星的双程测速观测模式，并结合地面深空站与主星的双程观测模式，构建观测方程y，表示为：其中，V
MS
和V
MG
分别代表星间观测数据和地面站的观测数据，S
A
和S
B
分别代表主星相应探测器A和从星相应探测器B的状态矢量，ε为无偏白噪声分布，
∆
X0为实际观测值和理
论值之差，H为结合H1和H2所得雅克比矩阵。
[0010]而且，当星间测速值和地面的观测值之间存在精度上的差别，添加权矩阵W，表示为：其中，n表示参数的个数，所述参数包括探测器坐标和重力场系数σ
12
、σ
22
、
…
、σ
n2
分别表示第1个参数、第2个参数、
…
、第n个参数的方差，代表观测数据的噪声水平；则结合上式，参数的改正值Δx表达为：其中，Δz表示残差，T为矩阵的转置。
[0011]而且，用于避免地面深空站对探测器的长时间通信观测，实现探测器的快速定轨。
[0012]另一方面，本专利技术还提供一种基于主从星测速模式的小行星重力场反演系统，用于实现如上所述的一种基于主从星测速模式的小行星重力场反演方法。
[0013]本专利技术的有益效果：本专利技术基于星间测速跟踪模式，在小行星探测任务中，利用星间双程测速，实现对围绕小行星运行的两个探测器的精密定轨，并解算小行星的重力场系数。由于该观测模式中的星间观测数据的精度相对较高，可对探测器进行高精度定轨。而且观测数据对小行星的地形有很强的敏感性，将极大地提高小行星重力场系数的精度，进而为了解小行星的起源与演化，深入研究其内部构造提供重要的科学数据。
附图说明
[0014]图1为传统的双程测距、测速模式示意图；图2为本专利技术实施例基于主星
‑
从星的双程测速跟踪测量模式示意图；图3为本专利技术实施例的流程图。
具体实施方式
[0015]为了更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。
[0016]本专利技术提出将主从星测速模式运用在小行星探测中。具体来讲，地面深空站与围绕小行星运行的探测器A（主星）保持跟踪，同时探测器A与围绕同一颗小行星的探测器B（从星）进行双程测速，如图2所示。这种观测模式的优势在于是主从星之间实时进行测量，无需过度依赖地面深空站。主从星的高精度测速数据对小行星重力场较为敏感。小行星的地形变化可直接体现在速度的观测量上。因此在解算小行星重力场时，添加星本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于主从星测速模式的小行星重力场反演方法，其特征在于：搭建环绕同一颗小行星的主星和从星之间的观测链路，所述主星和从星分别采用一个探测器实现，地面深空站与围绕小行星运行的主星保持跟踪，围绕同一颗小行星的主星和从星之间进行双程测速；利用星间观测值分别对探测器坐标和重力场系数计算偏导数，得到并解算雅克比矩阵，从而确定两个探测器准确的轨道和小行星重力场系数，实现提取更高精度的重力场反演结果。2.根据权利要求1所述基于主从星测速模式的小行星重力场反演方法，其特征在于：重力场反演实现过程包括如下步骤，步骤1，搭建环绕同一颗小行星的主星和从星之间的观测链路，建立主星
‑
从星的双程测速观测模式，星间观测值分别对探测器坐标和重力场系数计算偏导数；步骤2，利用步骤1中的主星
‑
从星的双程测速观测模式，并结合地面深空站与主星的双程观测模式，生成观测数据，从而确定单弧段法方程；步骤3，融合多个弧段的方程，解算主星和从星的坐标改正值和重力场系数的改正值，分别加到解算探测器坐标和重力场系数的初始值上，得到最优估值；步骤4，重复步骤1~3，直到前后两次最优估值的改正值在预设的门限值内时停止迭代，从而确定两个探测器准确的轨道，并得到小行星的重力场系数，提取更高精度的重力场反演结果。3.根据权利要求2所述基于主从星测速模式的小行星重力场反演方法，其特征在于：步骤1中，建立主星
‑
从星的双程测速观测模式的测量方程如下，上式中，X
M
，X
S
分别为主星和从星在质心天球参考系BCRS下的位置矢量，X
P
为探测器环绕的小行星在BCRS下的位置矢量，T1，T2代表起始时刻、终止时刻的质心动力学时，V代表主星和从星分别相应探测器的相对速度；计算星间测速对两个探测器位置矢量和重力场系数的偏导数H1，得到雅克比矩阵：其中，V
MS
表示星间观测值，代表主星相应探测器A在BCRS下的位置和速度，x
S
,y
S
,z
S,
代表从星相应探测器B在BCR...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢建国，孙尚彪，高梧桐，叶茂，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：