VLBI月球定轨和月面定位技术及其应用

从"嫦娥1号"任务开始,中国月球探测器就使用地基测距测速和甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)联合测轨模式,实现对月球探测器的精密测定轨。对VLBI在中国月球探测定轨定位中的应用进行系统性介绍,分析得出:测量精度从10 ns左右提高到优于1 ns;在探测器定轨和着陆器/巡视器月面定位中,VLBI数据在提高定轨定位精度方面发挥了重要作用,"嫦娥3号"(Chang’E-3,CE-3)环月段定轨精度可达20 m,着陆器定位精度优于100 m,同波束VLBI技术是巡视器相对定位的唯一地面测量手段,CE-3巡视器相对定位精度在1~2 m。

基于月面LTE基站OFDM测距的巡视器定位

针对目前的月面定位技术中成本高、观测时间长以及缺少可用定位信息的问题,开展了基于长期演进(LTE)基站的月面定位技术的研究,并引入了LTE技术,通过在月面布设基站为月面巡视器的实时定位提供了可行基础。提出了一种基于因子图优化的月面定位方法,通过融合月面基站的正交频分复用(OFDM)测距信息和巡视器自身的惯性导航信息,利用有限的月面基础设施,在较低成本的硬件条件下实现了月面巡视器的准确定位。仿真实验结果显示,该月面定位方法具有良好的准确性和鲁棒性。

“嫦娥三号”月球探测器的轨道确定和月面定位

我国探月工程二期"嫦娥三号"月球探测器(CE-3)在月球正面虹湾以东地区登陆,这是我国首次在地球以外的天体成功实施软着陆.CE-3采用X频段测距测速联合VLBI测量技术进行定轨定位工作,其中VLBI采用了ΔDOR测量技术,测量精度较CE-1/CE-2任务有很大提高.本文评估了CE-3地月转移段、环月段和动力落月段的定轨精度,分析了着陆器定位以及巡视器相对定位精度.分析结果表明环月100 km×100 km和100 km×15 km轨道确定精度分别约为20和30 m,精度比CE-2提高约50%,与同时期国外月球探测定轨精度相当.CE-3新增了动力落月段和月面工作段的定轨定位工作,本文利用运动学统计定轨方法确定了CE-3动力落月轨迹,综合分析落月轨迹确定精度优于100 m.利用统计定位方法确定了着陆器的在月固系的位置,以及巡视器相对于着陆器的相对位置,着陆器定位结果和LRO图像数据差异小于50 m,差分群时延数据巡视器相对定位精度在百米量级,而利用高精度的差分相时延数据,结合一定的数据处理策略,可以得到精度在米级的着陆器和巡视器相对定位结果.

基于地基无线电测量的月面目标精确定位技术研究

2013年嫦娥三号将实施月面软着陆,对月面着陆点以及月面巡视器进行定位是月面目标导航中的一个重要环节。在复杂的月面环境下,需要以探测器作为基准,其定位精度直接影响到整个探测任务的执行效果和导航定位的性能。基于统计学原理,建立了基于地基无线电测量的月面目标定位方案和软件,使用地面手段对探测器在月面各阶段的测量方式进行仿真计算,分析了多种条件定位能力。计算表明,在当前测控条件下基于地基无线电测量的月面目标定位精度优于百米量级,该精度可以为月面软着陆任务提供借鉴和支持。

同波束干涉测量在月面相对定位中的应用

基于同波束干涉测量原理和观测模型,针对月面目标特性,推导了给定着陆器先验位置的差分时延、差分时延率观测方程。引入指定高程约束、月球数字地形模型等约束方程,提出巡视器相对位置确定的卡尔曼滤波算法。通过仿真数据进行了验证和评估,表明该算法可快速、较高精度地确定月面巡视器相对着陆器的位置。

月面起飞基准高精度标定技术应用与嫦娥五号任务验证

嫦娥五号探测器于北京时间2020年12月1日成功着陆于月球表面预定区域,随后依次顺利完成了我国首次月面采样、月面起飞、月球轨道交会对接以及月球采样返回.其中,对着陆上升组合体精确定位是后续能否顺利月面起飞,乃至能否顺利完成月球轨道交会对接的根本所在.本文针对嫦娥五号任务着陆上升组合体月面起飞基准高精度标定的需求,提出了利用"三向测量系统+VLBI干涉测量系统"的高精度月面基准测量方法,给出了月面基准高精度确定算法,利用嫦娥五号任务20 min实测数据快速确定了着陆上升组合体在月固系下的坐标为:43.0595°N,-51.9214°E,高程-2446 m,并利用LRO图像数据对定位结果进行了比较评估.结果表明,仅利用着陆后20 min的外测数据获得的定位结果和LRO图像数据差异为180 m,当只解算经度和纬度,高程由月面数字高程模型获取时,其定位结果和LRO图像数据差异为97 m,可有效作为月面起飞基准.利用月面48 h实测数据得到的坐标为:43.0594°N,-51.9167°E,高程-2550 m,和LRO图像数据差异为60 m.

三向测量模式在嫦娥三号探测器中的应用

以嫦娥三号探测器的三向测量跟踪数据为依据,利用最小二乘方法分析站间钟差,在5阶拟合计算中实现了ns级的拟合精度;然后使用探测器精密星历对三向测轨数据进行标校,经过修正后的测距系统差达到10m量级,拟合噪声水平优于1m;最后将三向测量数据应用于探测器的定轨、着陆点定位和动力下降段的弹道计算,其中环月段100km×15km轨道计算结果与精密定轨相比较偏差百m级,120km×70km轨道计算结果与精密定轨相比较偏差10m量级,月面定位与双程测距加时延定位结果相比较偏差10m量级。

嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略问题

针对嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略的实际问题,通过合理的假设,以理论力学(万有引力、开普勒定律等)和卫星力学知识为理论基础,结合微分方程和微元法,求解着陆准备轨道近月点和远月点的位置,以及嫦娥三号相应速度的大小与方向;并对软着陆中的6个阶段建立相应控制方案及模型,然后求解模型并优化,实现对燃料、时间、避障的优化控制策略。最后,通过对建立的模型进行误差分析及评价,说明本文的数学模型合理且具有重要参考价值。

VLBI相位参考成像方法用于玉兔巡视器精确定位

实时高精度VLBI技术在嫦娥三号任务中的成功应用,为探测器的成功落月及月面定位提供了重要保障.目前使用VLBI群时延及测距数据获得的玉兔巡视器在月面上相对着陆器的位置精度约100 m.为获得更精确的巡视器位置,在中国VLBI网同波束观测条件下,将天文相位参考成像方法成功用于月面定位.先将探月VLBI软件相关处理机结果转为通用FITS-IDI数据格式,然后用天文成像软件对着陆器和巡视器进行相位参考成像,得到巡视器天线相对于着陆器天线的角位置.在此基础上,提出了新的探测器月面相对定位算法,获得了玉兔相对于着陆器高精度月面位置.由于利用了同一基带转换器数据进行相位参考成像,消除了共同的系统误差,因此获得了极高的定位精度.本文分别完成了玉兔离开着陆器前,两器处于初始零位条件时,以及两器在不同位置相互拍照时的相对位置测量.理论分析、零位测量及与视觉定位结果的比较表明,采用VLBI相位参考法获得的玉兔巡视器的相对位置精度约为1 m.本方法可用于未来月球及行星表面巡视器相对位置精密测量、导航与视觉定位结果的标定.

嫦娥三号巡视器GNC及地面试验技术

嫦娥三号巡视器是我国首个实现地外天体表面巡视探测的航天器,其制导导航控制(GNC)技术与地球卫星和飞船等全然不同.嫦娥三号巡视器GNC系统突破了月面自主导航定姿定位和协调运动控制、基于双目立体视觉的自主环境感知、基于地形通过性量化分析的路径规划、基于主动结构光被动视觉的激光探测避障以及地面试验验证等关键技术.在轨飞行试验结果表明,GNC系统实现了既定任务目标,为未来火星等深空巡视探测任务奠定了技术基础.本文对巡视器GNC系统的任务要求、系统组成、功能实现方案及关键技术、工作模式、地面试验验证及在轨飞行情况等方面进行了系统介绍.