月球和火星探测中的多探测器联合定轨软件及其应用研究

月球和火星是我国深空探测发展的方向，多探测器系统将在未来深空探测中扮演着非常重要的角色，相应地对轨道确定也提出了更高的要求，而国内尚无能够对多探测器进行联合定轨的深空探测软件系统。甚长基线干涉测量（VLBI）技术已经在"嫦娥一号"月球探测计划中发挥了重要作用，传统的VLBI技术同一时间只能对单颗探测器进行测量，同波束VLBI干涉测量技术则可以同时对多个目标进行测量，因此非常适合应用于多探测器任务，已经成功应用于日本SELENE月球探测计划中。本项目紧密结合我国深空探测发展的需要，提出月球和火星探测中多探测器联合定轨及其应用的研究方案。本项目将首先建立一套联合定轨软件系统，在该软件系统的基础上，进行仿真和实测数据分析，重点分析同波束VLBI在月球和火星探测中的应用，包括单独和联合其他类型观测数据在定轨中的应用。本项目的研究内容可直接应用于我国的深空探测计划中。

本项目研究月球和火星等深空探测中的多探测器联合定轨问题，主要研究目标是建立独立知识产权的月球和火星多探测器联合定轨软件，并在此软件基础上开展同波束VLBI测量在深空探测测定轨方面的应用研究，针对深空探测中的动力飞行等特殊弧段开展相应的定轨新方法研究。经过三年的研究工作，完成了预期研究目标，相关研究成果已经应用于探月工程二期嫦娥三号（CE-3）的实际工作中。本项目紧密结合我国深空探测发展的需要，建立了独立知识产权的月球和火星双探测器联合定轨软件，能够处理月球和火星探测器的实测数据。利用双探测器联合软件，处理了日本SELENE月探测器的同波束VLBI数据和测距数据，对Rstar和Vstar 2颗卫星进行了联合定轨分析，分析结果表明高精度的同波束VLBI数据可以同时提高2颗探测器的定轨精度。针对动力落月等特殊弧段，提出了运动学统计定轨算法，发展了多项式法和样条函数法，并应用于CE-3实际数据处理中。其他研究成果还包括：针对月球着陆器和巡视器的精密定位问题，提出了运动统计定位方法，分析了月球数字高程模型（DEM）和高程约束在月面目标定位中的应用，该方法已经应用于CE-3实测数据处理；提出了一种高精度的同波束VLBI差分相时延测量技术，测量噪声可达1ps/s，优于传统差分相时延的ns量级，测量数据中由于模糊度引起的测量系统误差在定位中予以解算，CE-3任务中获得了巡视器的实测差分相时延数据，初步估计相对定位精度为m级；分析了嫦娥二号（CE-2）环月轨道段、奔日地拉格朗日L2点和小行星Toutatis阶段中的轨道计算，利用CE-2环月轨道段（100*100km，100*15km）数据，通过重叠弧段分析评估了轨道精度，以及VLBI数据在定轨中的贡献，利用CE-2的独立测轨数据，对目前国际上几个著名月球重力场模型（LP165p，SGM100h，SGM100i）进行了精度评估，分析了奔L2点和小行星等转移轨道的定轨特点，以及在转移轨道段VLBI对定轨的贡献；推导了深空探测中的包括瞬时模型、积分模型、单程、双程、三程等不同类型Doppler测量数据的建模原理和方法。目前标注资助发表文章13篇，其中SCI收录4篇，EI收录2篇，培养博士研究生2名。