短交会对接精密测定轨技术研究

In a human lunar mission, due to a variety of resource constraints, the return-cabin must dock with the orbital module within 1 to 2 circles after it uplifts from the lunar surface, the precise orbit determination must be performed quickly. In this study, we will use the S-band same-beam VLBI technique among three spacecrafts (return-cabin, orbital module, and lander), and obtain high-accuracy differential phase delay data. Using the differential phase delay and Doppler/range data, we can determinate the orbit of the return-cabin and the relative position between the return-cabin and the orbital module, based on the precise orbit of the orbital module and the precise position of the lander. This project will focus on three study fields: design of the on-board radio sources, study of the real-time processing technology for obtaining the differential phase delay data and developmemnt of the processing software, and study the precise orbit determination technology for three spacecrafts.

载人登月探测时，由于各种资源的限制，返回舱月面起飞后1至2圈内就必须与轨道舱进行短交会对接，此时的精密测定轨最为关键，必须对返回舱进行快速精密测定轨。针对于此，本项目将首次研究高精度的三探测器（着陆器、轨道舱、返回舱）间的S频段同波束VLBI技术，即用地面射电望远镜同时观测三探测器，利用轨道舱、着陆器、返回舱间的高精度同波束VLBI数据并结合测速测距数据，以轨道舱的精密绕月轨道和着陆器的月面基准位置为参考，快速且精确地测出返回舱从月面上升的轨迹和轨道及二者之间的相对位置和速度，为返回舱与轨道舱的快速交会对接提供强有力地面测控支持。本项目将主要针对三探测器同波束VLBI设计方案、三探测器同波束VLBI实时处理技术和软件研发以及三探测器精密测定轨技术及其应用进行研究。刘庆会作为同波束VLBI技术的倡导者并已将之应用于月球车相对定位和采样返回多目标测定轨中，需对此技术持续研究以用于载人登月任务。

针对载人登月、采样返回等多探测器精密测定轨和交会对接，研究了三探测器的同波束VLBI信标设计方案、同波束VLBI实时处理技术、多探测器精密测定轨技术及其在载人登月等交会对接中的应用等。超额完成了任务书要求的各项研究内容。有关研究成果共发表论文22篇，培养博士生5名，硕士生6名。 . 给出了三探测器的同波束VLBI信标设计方案。对日本SELENE 的两个小卫星Rstar 和Vstar的信标源设计方案进行了深入分析，得到了利用来自同源的两对频点信号的相关相位来求解差分时延，与利用异源信标相比，可大幅提高差分相时延实时解算成功率的结论。. 研究了同波束VLBI实时处理技术和应用于月球探测器交会对接条件下的同波束VLBI 差分相时延实时解算算法。通过求解精确差分群时延值、采用匹配搜索算法以及差分相位连接条件对传统实时解算算法进行改进, 提出了一种新的差分相时延实时解算算法。利用SELENE 同波束VLBI 观测数据进行实时解算验证, 结果表明该算法成功解算模糊度的准确度达到95.49%, 相对于传统解算算法准确度提高了5.45%。. 我们研究的同波束VLBI技术在嫦娥三号月球车相对定位和动作监测中取得了良好结果。我们利用同波束VLBI技术解算含微小系统差的差分相时延，把月球车的相对定位精度提高至1米，并以数厘米的灵敏度监测出月球车的移动、转弯等动作。今后，我们还将把同波束VLBI技术应用于嫦娥五号轨道器和上升器的测定轨从而支持交会对接，以及将来的载人登月短交会对接中的多探测器绝对位置和相对位置的测量。为了分析远程引导和交会对接时的两个探测器的测定轨精度，我们进行了仿真分析。分析表明，在13小时长弧定轨条件下，绝对轨道测量精度在10m左右，相对轨道测量精度在1m左右。在4小时短弧定轨条件下，同波束VLBI数据加入后，也可将轨道器和上升器的相对定轨精度提高到1m水平，在短交会对接中有重要应用价值。