基于VLBI跟踪观测的空间飞行器瞬时状态参量归算

来源 :中国科学院研究生院(上海天文台) | 被引量 : 12次 | 上传用户:lovetheme1988
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本文研究工作以我国绕月探测嫦娥工程为背景,以常规天测与测地VLBI资料分析的理论与软件为基础,实现了基于VLBI跟踪观测对空间飞行器瞬时状态参量的归算,在理论模型与误差方程的建立、法方程条件的分析和实用软件编制等方面,较之于已有工作基础存在多方面的拓展,有利于VLBI技术在深空航天领域发挥更加积极的作用,有望为CE-1卫星月球捕获段轨道的实时高精度监测做出实质性贡献。相比于精密轨道分析或短弧定轨模式,本文研究工作存在诸多特点,比如对跟踪弧段的长度没有苛刻的要求,不需要精确模制飞行器的受力状况,能够从几何角度快速实时地监视跟踪数据质量和监测飞行器运行轨道,更加适用于高效、快速的工程性需求。本论文研究工作主要进展包括如下方面:1)分析了河外射电源与空间飞行器在信号特征、VLBI观测模型与观测方式、误差修正、参数解算、资料处理的实时性需求、软件基础等方面的异同。2)在观测量的电离层修正方面分析指出,若无法确保空间飞行器双频观测,采用专门设计的单站GPS辅助测量方式较为可取。通过比较GPS与VLB工测量资料指出,二者所导出的基线电离层时延修正有时存在数百ns的系统差异,且此差异存在随时间的跳变和随观测仰角的变化。本文分析讨论了不同情况下将GPS辅助测量应用于VLBI电离层延迟修正的相应处理方式。3)分析了基于VLBI跟踪观测归算空间飞行器瞬时状态参量的理论和方法,编制了实用软件系统。具体包括数学模型的建立和偏导推演;基于初轨的星端矢量高精度预报、含各项地球物理效应修正的站端矢量计算、光行时与VLBI观测量理论值的迭代计算;分析了飞行器瞬时状态参量归算中对观测序列进行内插的必要性及内插方法与效果检验;讨论了法方程的条件,尤其是引入距离约束和速率约束以及综合处理测距测速资料的必要性;编制了实用软件系统;基于仿真计算,对方法与软件进行了多方位检验。4)基于地球卫星和环月卫星观测资料处理的实战检验,进一步改进了方法和软件,尤其是强化了软件的实时处理能力,并与相关软件计算结果进行了交叉检验。从理论推演和多种组合解算的比对上,分析了距离约束对参数解算值与参数精度的影响。5)讨论了Heimert方差分量估计方法在飞行器状态参量归算中的可能应用,表明当形式误差不能准确反映观测资料的真实精度时,应用Heimert方法能够显著提高参数的解算精度。)基于我们独立发展的资料处理软件系统、CE-1卫星设计轨道和USB与VLBI跟踪资料的精度情况,通过仿真计算与实测资料检验,分析了近月点附近飞行器瞬时状态参量归算的精度,表明此方法能够对CE-1卫星绕月入轨与否做出准确的判断,是一种快速实用的方法。本文研究工作在如下数个方面还存在急需改进和优化之处,)通过仿真计算和相关软件(Geodyn、OCCAM、Calc/Solve)的校核,进一步发掘与完善现有软件的不足与局限。2)增加观测量各种误差的修正处理能力,尤其是基于已知坐标河外射电源的观测解算类钟差的能力,以改进现有软件的系统完整性与适用性。3)完善现有软件对差分(differential)和相位参考(phase reference)VLBI资料的处理能力,并进行实测资料检验。4)针对几何方法下状态参量归算在参考架连接、月球天平动参数确定、同波束VLBI测量资料处理等方面的潜在应用,在方法和软件上做出相应的准备。5)为将本文发展的软件系统应用于地月系统以外天体探测器的VLBI跟踪资料处理,需要增加更多的中心天体自动判断和形状摄动模块。6)研究实现Kalman滤波方法在空间飞行器瞬时状态参量归算中的应用,开发软件系统。总之,本文在基于VLBI跟踪观测实现空间飞行器瞬时状态参量归算的理论分析与软件编制上已经有所收获,但后续的工作仍然紧迫和繁重。
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