小行星探测器多源跟踪数据处理与应用

There are some asteroid exploration mission proposed and implemented from China and foreign space agencies. These missions provide a good chance to study the combination of various sources tracking data in spacecraft precise orbit determination, asteroid ephemeris update, and asteroid gravity field recovery. This research intend to investigate the optimum data combination strategy and application based on various tracking data of Chang’E-2’s flyby of Toutatis and Rosetta’s fly around comet 67P. By thorough research on theories and methods about asteroid spacecraft precise orbit determination and gravity field model recovery developed at home and abroad, we will construct high precision perturbation force models and study an optimal fusion strategy of multi-source data. We plan to make a fusion of two-way range and Doppler as well as Very Long Baseline Interferometry tracking data from Chang'E-2 during flyby of Toutatis in order to determine the precise orbit of the spacecraft and discuss the feasibility of Toutatis’ mass solution. The image data of Toutatis from Chang'E-2 will also be combined with the ground-based tracking data for refinement of Toutatis ephemeris as well as Chang’E spacecraft orbit. For Rosetta comet exploration mission, we will discuss the optimal weight strategy of ground-based tracking data, radar data from the lander to Rosetta spacecraft as well as image landmarks data. Then we will perform the precision orbit determination and solve the gravity field model and ephemeris of comet. Our research will provide references for implementation of scientific targets of Chinese asteroid exploration program to some extent.

新近多个国内外小行星探测任务的提出和实施，为综合多源数据研究小行星探测器精密定轨、小行星星历改进和小行星重力场模型提供了良好的契机。本研究拟针对嫦娥二号飞越期间，以及罗塞塔任务绕飞彗星67P期间获取的多类型跟踪数据，开展多源数据的最优融合处理与应用。在深入调研国内外相关理论与方法的基础上，构建探测器高精度摄动力模型，研究多源数据的最优融合策略。融合嫦娥二号飞越Toutatis阶段地面测距测速和甚长基线干涉测量跟踪数据，解算探测器的精密轨道并探讨解算Toutatis质量的可能性，进而融合飞越期间Toutatis的影像数据，同时精化Toutatis星历；融合罗塞塔彗星探测任务中的地面跟踪数据、影像地标数据以及着陆器至飞行器的雷达数据，探讨数据的最优权重，进行探测器精密定轨，并同时解算彗星历表和重力场模型。该研究将为我国小行星探测计划科学目标的成功实施提供较为重要的参考。

本项目瞄准我国小行星探测任务，系统开展了小行星探测器精密定轨、小行星重力场模型解算的理论算法研究、软件平台研制以及仿真与实测数据处理。首先研制了具有自主知识产权的小行星探测器精密定轨与重力场解算软件系统，实现了地面射电跟踪数据、光学跟踪数据、影像数据等多源数据的探测器精密定轨、小行星精密定轨、小行星定向参数解算、小行星重力场解算等功能。基于这一软件平台，处理了嫦娥二号飞越Toutatis的地面跟踪数据，解算了Toutatis质量和历表。进一步针对我国小行星探测目标之一2016HO3，系统开展了精密定轨和质量解算仿真模拟，测试单程星载测距观测量对探测器轨道和小行星质量解算的作用。利用欧空局罗赛塔探测任务的实测数据，我们结合最新的67P/Churyumov-Gerasimenko彗星历表，利用深空站射电跟踪数据和探测器光学影像数据，开展了罗赛塔探测器精密定轨，并估计了67P/Churyumov-Gerasimenko彗星的3阶重力场，与罗赛塔探测任务射电科学团队的结果相比，有较为明显的改进。此外，在项目研究过程中，结合我国后续深空探测任务，拓展了本项目的研究内容，开展了关于不同探测目标的探测器精密定轨和重力场模型解算的研究工作。针对中国未来可能开展的木星系统探测任务，利用自主知识产权的定轨软件平台对探测器的精密定轨进行了模拟。进一步将自主软件系统的功能的拓展至火星、土星和水星任务，利用自主软件对卡西尼探测器获取的轨道数据进行了精密定轨，研究了Grand Finale 阶段轨道数据用于探寻土星内部发动机原理的可能性。我们处理了火星快车飞掠火卫一的跟踪数据，解算出火卫一的质量和二阶重力场。对于探测热点—月球，我们利用中国嫦娥往期任务以及新近“嫦娥五号”测试星的轨道跟踪数据，重新对月球重力场位系数及其潮汐勒夫数进行了估计，同时提供了一种全新的方法来研究月球运动及其内部结构，并对地月模型中的动力学模型进行改进。