基于多月球探测器低轨跟踪数据的月球局部重力场及构造研究

在已获取并公开发布的全月球最新重力场模型、地形模型以及高分辨率影像数据的基础之上，把握各月球探测器（Apollo子卫星、Lunar Orbiter I-V、LP及嫦娥一号、二号等）任务期间的低轨跟踪数据包含有丰富的近月空间重力场及月表构造信息这一特征，针对以此为数据源进行的月球局部重力场解算和月球区域构造特征反演的理论与方法的分析与研究，选择月球正面典型区域（如撞击坑盆地、嫦娥三号月球车着陆的首选区域- - 虹湾区等），重点运用点质量法和局部球谐函数法，通过对各探测器定轨后的测速残差分析计算获得视向加速度数据，解算相应的高精度局部重力场模型，进而反演和分析对应的撞击坑盆地均衡补偿状态、弹性厚度及其与几何形态的相关性。以此作为月球全球重力场模型和构造模型的精细化信息的补充，为精度的改善进行理论与实际的探索，并为我国嫦娥三号月球车的着陆与巡游导航提供更多的参考信息。

我国已经实施的“嫦娥三号”及即将开展的后续月面探测计划中对探测器着陆区的选择、巡游路径的设计，都需要有针对性地获取高精度月球局部重力及区域构造信息。鉴于此，本项目利用多探测器跟踪数据开展月球局部重力场及构造研究。项目组保质保量地完成了任务书拟定的各项任务，取得了丰硕的成果，主要包括：（1）根据绕月卫星跟踪技术的三种模式对月球重力场模型的发展阶段进行了科学划分，梳理和分析了国际主流月球重力场模型的特征及精度；对地月重力场进行了比较分析，为借鉴地球重力场的方法提供了参考。（2）美国发射的GRAIL探测器利用卫星前-后跟踪技术，提供了类型更丰富、精度更高、分布更均匀的跟踪数据。研究了GRAIL星间测速在月球重力场恢复中的贡献，并对GRAIL重力场模型的定轨性能进行了评价。（3）在全月球重力场模型分析的基础上，开展了局部重力场构建理论研究并针对嫦娥三号的着陆区-虹湾区域构建了月球局部精细重力场模型。将径向基函数方法引入到重力边值问题的求解中来，探索新的局部重力场逼近手段。利用LP扩展任务段的视线加速度数据，拟合反演了月球虹湾区域的重力场。（4）以上述理论研究和实践为基础，开发了一套具有我国自主知识产权的月球重力场解算系统。（5）利用获取的高精度月球重力信息，结合高精度影像数据和地形数据，应用粒子群PSO算法同时反演了多个月球物理参数的最优解，联合重力/地形导纳求解月球岩石圈弹性厚度的全球分布，计算出月球表面地形载荷加载时月球表面热流密度的全球分布，对月球早期热演化起到约束；基于平均密度和平均惯性矩(MOI)，建立约束方程，引入参数敏感性的概念分析了平均惯性矩、壳密度、壳厚度、幔密度四个参数各自对月核平均半径和密度的影响。利用高精度GRGM660PRIM月球重力数据对月球近月面、远月面各7个典型质量瘤盆地进行了三维重力反演，得到了其深部三维密度分布特征。（6）根据数据情况和我国嫦娥计划的进展需要，我国计划在后续的探测计划中放置重力仪，对重力场模型进行实地验证，本研究还分析了月球表面重力仪安置点选择应顾及的条件。同时，作为本研究的拓展，利用最新的金星地形和重力模型，通过改进重力的短波成分，提出了一个新的金星重力模型。