月球背面着陆器测定位和多探测器巡航段测定轨关键技术研究

Launching multiple spacecrafts in the coming years in our country is the main approach to detect. In recent years, for example, we will launch Chang'E-4, which is composed of a lunar rover, a lander and a relay satellite, together with two small scientific satellites. CE-4 will be the first to achieve soft landing on the lunar farside, therefore, the position determination of a lunar lander on the farside is necessary to study. In CE-4, a relay satellite and two small satellites separately fly to the moon at the same time, so the combined orbit determination for multiple spacecrafts is necessary. Aiming the urgent need of lunar and deep-space missions, we will study in two aspects in this research. One is to study 4-way Doppler measurement technology for position determination of a lander on the lunar farside. The other is to study same-beam VLBI technology for orbit determination of multiple spacecrafts flying to the moon. In this research, we will solve these two key techniques in the first time of the world. These techniques will strongly support high-accuracy orbit and position determination of the future missions such as CE-4 and manned lunar spacecrafts etc.

同时发射多个探测器是我国深空探测今后数年的主要探测方式。比如，近几年将发射的嫦娥四号由月球车、着陆器及中继星组成，并同时携带两个科学探测小卫星。嫦娥四号将首次实现月球背面软着陆，故月球背面着陆器的测定位技术急需研究。中继星和两个小卫星各自且同时飞向月球，故巡航段的多探测器联合测定轨技术也需研究。针对我国探月和深空探测任务的迫切需求，本项目主要开展两方面的研究：一是研究基于4程多普勒测量的月球背面着陆器的测定位技术，二是研究基于同波束VLBI观测的巡航段的多探测器联合测定轨技术。解决的关键科学技术问题为：一是首次解决基于4程多普勒测量的月球背面着陆器的测定位关键技术问题，二是首次解决月球巡航段的多探测器联合测定轨关键技术问题。上述两项关键技术均为国际上首次遇到的问题，它们的解决将为嫦娥四号以及将来的载人登月和月球极区探测等类似的探月和深空探测任务测定轨和测定位提供强有力技术支撑。

本项目主要开展了两方面的研究。一是研究了基于4程多普勒测量的月球背面着陆器的测定位技术。我们研究了4程多普勒系统的构成、给出了一个设计方案。研究了基于多普勒数据的龙江小卫星自旋监测、为本卫星的成功挽救提供了数据支撑。特别是研究了四种高动态微弱信号的多普勒测量算法，为后续的深空探测时的高动态极微弱信号的多普勒的数据处理和工程应用打下了良好基础。以上的研究成果实际应用到龙江小卫星自旋监测和嫦娥五号落月过程的监测等，并利用国内外深空探测器实测数据进行了验证和应用。.二是研究了基于同波束VLBI观测数据的巡航段的多探测器联合测定轨技术。对嫦娥四号中继星和龙江小卫星进行了同波束VLBI观测，得到了二者之间的差分群时延和差分相时延数据，利用同波束VLBI数据和测速测距数据对巡航段的中继星和龙江小卫星进行了定轨。进一步扩展，我门利用同波束VLBI技术同时观测天问一号环绕器和祝融号火星车，并利用火星车微弱的极窄带信号实现了火星车的测定位。.以上两个方面的研究成果均具有较大的创新性并得到了实际应用。发表论文7篇、培养博士研究生2名、硕士研究生2名。特别是项目负责人刘庆会参加了嫦娥系列和天问一号探测工程，本项目的研究成果直接应用到了嫦娥四号、嫦娥五号和天问一号的VLBI测定轨测定位及信号监测中，为这些项目的成功也做出了重要贡献。