小行星表面地形与引力场建模研究

This project focuses on the modeling approaches of the topography and gravitational field of asteroids. Based on the IAU resolutions and existing descriptions of the asteroids' body fixed coordinate system, our works sets up the body fixed coordinate system specifications for asteroids in different spin states, which can be specifically applied to China's independent asteroid exploration practices. Based on existing exploration results, the project works on the formation and correction of topography and shape models of asteroids. It figures out the spatial-temporal correlation characterization methods and modeling approaches for complex terrains of asteroids when lacking observation results , thus providing theoretical methods of the extraction,obtaining and matching of navigation features , obstacle detection and identification, and determination of safe landing areas.When no orbiting-orbit observation data is available, the accurate modeling methods and the calculation of exact spherical harmonic coefficients for irregular gravitational fields of asteroids are tried to be given based on a variety of modeling methods and algorithms, and applied to asteroids of heterogeneous density, paving the way for the analysis of motion characteristics and stability in irregular weak gravitational fields and the implementation of orbit design.Though parallel researches have long been conducted overseas, few technical specifications are revealed via publications. This project is therefore indispensible groundwork for future independent exploration of small bodies in China.

项目围绕小行星表面地形和引力场建模问题，针对不同自旋状态的小行星，基于IAU决议和已有的对小行星体固坐标系的描述，建立适用于我国自主小行星探测需求的小行星体固坐标系定义规范。基于已有的探测数据，构建、修正小行星表面地形和形状模型；研究欠观测条件下小行星表面复杂地形的建模和时空关联表征方法，为小行星探测任务中导航特征提取与匹配、障碍检测与识别、安全着陆点选取提供理论方法；基于多种引力场建模方法和算法，研究在无绕飞轨道测量数据情况下小行星不规则引力场精确建模方法和球谐系数精确计算方法，并将该方法适用于密度不均匀小行星,为不规则弱引力场中的运动特性和稳定性分析、临近轨道精确设计提供相应的基础。虽然类似研究在国外早已开展，但见于公开发表文献的技术细节很少。本着为我国自主小行星探测作准备的初衷，需要开展本项目的研究。

本项目以我国嫦娥二号拓展任务中对图塔蒂斯小行星的探测以及未来自主的小行星探测计划为背景，讨论了小行星指向的几种表达方式之间的关系，探讨了其体固坐标系的定义与转换，并对其自转动力学的演化和表面重力场分布及计算进行了相应的研究。.在此项目资助下，申请人及其项目组成员主要完成的研究 内容包括: (1)研究了形状不规则密度不均匀太阳系小天体的表面重力场：利用多面体模型，采用体积离散方法通过直接积分计算小行星引力场球谐系数和表面重力场分布情况。对我国探测候选目标Apophis和(1996)FG3小行星的重力场进行了计算。并对嫦娥二号获得的光学数据对其飞越的(4179)Toutatis小行星表面引力势情况进行了分析，为其表壤分布、流向等研究工作提供了理论依据。(2)项目研究了利用切比雪夫多项式分区域拟合形状不规则小行星引力场的方法提高计算效率，将小行星附近空间根据球坐标方式做三维分割进行三维切比雪夫插值，采用结果更好的球壳式分割方式并借用八叉树的数据结构思想，利用自适应分割方式可以在某些区域获得更高的精度。(3)项目利用嫦娥二号飞越Toutatis小行星获取的光学图像，研究了该小行星的空间指向和自转动力学机制：基于嫦娥二号获取的数据，拟合了Toutatis小行星的空间指向，并结合雷达观测数据模拟了其自转动力学演化的情况，对既有结果进行修正。(4)利用丽江观测站对Apophis的观测数据，修正其自转参数和自转状态，研究了小行星重力场分布、表面势能分布等临近空间动力学环境。本项目的研究内容涉及不规则小天体的形状模型、体固坐标系与表面区域在空间中的描述、不规则引力场的计算和拟合、自转轴状态描述等小天体探测中的多个基础问题，为我国自主小行星探测打下理论基础，还利用我国空间探测任务和地面望远镜的观测结果对特定小行星进行了相应的科学研究，为我国既有的工程和地面观测设备科研成果的转化做了相应的贡献。.项目执行过程中，项目组成员共发表论文7篇，其中SCI论文2篇，会议论文1篇。此外，项目组成员还积极参加国内外学术交 流活动，多次在会议上做学术报告和墙报展示并开展了国际合作研究活动。