基于伪相对运动频谱分析的火星探测轨道精确改进研究

As there is no global navigation satellite system in Mars orbit, high precision orbit determination is key technology in Mars mission tracking and control. Mars space orbit innovative improvement method based on pseudo relative motion frequency analysis is proposed, which can further improve orbit determination precision on the basis of initial orbit determination. Pseudo satellite orbit state series are obtained through orbit propagation of initial orbit state at a given epoch. Pseudo relative orbit state series are obtained by subtraction pseudo satellite orbit state series from real tracking orbit state series. Secular term, periodic term together with its associated magnitude frequency information can be derived using frequency analysis of pseudo relative motion, which can be used to precisely inverse three dimensional orbit error. This project will reveal the mechanism of Mars orbit improvement based on relative motion frequency analysis, analyze the characteristic of Mars relative state motion under complex perturbations, research on high efficient relative orbit series generation method, design three dimensional orbit error precise inversion method according to sample conditions and noise character, and evaluate orbit improvement effect. This study will provide an innovative approach for Mars space orbit improvement. With the initial orbit determination precision of 1 km order, 300 m order orbit determination precision will be achieved using the proposed method.

火星没有GPS等卫星导航系统，高精度轨道确定是火星探测任务测控的难点。课题提出基于伪相对运动频谱分析的火星探测轨道精确改进方法，能够在初始定轨数据的基础上进一步提高定轨精度。以某时刻含有初始定轨误差的轨道参数为初值，进行轨道预报得到伪卫星轨道数据；将伪卫星轨道数据与实测轨道数据作差得到伪相对运动数据。对伪相对运动数据进行频谱分析，利用伪相对运动中蕴含的长期分量、周期分量及其幅频特性信息实现三维定轨误差的精确反演。课题将阐明基于伪相对运动频谱分析的火星探测轨道精确改进机理，揭示复杂摄动力作用下火星探测轨道的伪相对运动特性，提出高效的伪相对运动数据生成方法，根据伪相对运动采样条件和初始定轨误差特性设计三维定轨误差的精确反演算法，开展轨道改进效果综合评估。课题将为火星探测轨道高精度确定提供一种新的技术路径，对初始定轨精度为1km的火星探测轨道，利用提出的改进方法能够将定轨精度改进到300米以内。

火星等太阳系天体距离地球遥远，没有全球卫星导航系统，高精度轨道确定是深空探测任务测控的难点；太空安全任务要求飞行器具有长时间的自主生存能力，对自主导航定位精度提出了挑战。依赖导航敏感器进步提升导航精度需要的成本较高，并且容易受限于器件水平，通过创新的数据处理方法提升导航定位精度是一种低成本、效果显著的途径。课题通过研究误差在非线性系统中的传播演化规律，首次提出了伪相对运动的概念，建立了基于伪相对运动分析的轨道改进理论与方法。该理论包括伪相对运动高效数据生成方法、伪相对运动规律、三维误差高效反演方法等。该理论能够在经典定轨数据的基础上，通过数据处理进一步提高轨道确定精度，具有广泛的适用性。课题突破了基于伪相对运动频谱分析的精确轨道改进机理，揭示了复杂摄动力作用下火星探测轨道的伪相对运动特性，提出高效的伪相对运动数据生成方法，设计了三维定轨误差的精确反演算法，开展轨道改进效果的仿真评估。仿真表明，对初始定轨精度为1km的火星环绕探测轨道，利用提出的改进方法能够将定轨精度改进到300米以内。课题建立的伪相对运动精确轨道改进理论将为深空探测及长时间运行的太空安全任务的高精度轨道改进提供一种新的技术路径。利用该理论对经典导航方法的结果进行数据处理，能够进一步提升导航定位精度，具有成本低、效果好等优势，对深空探测及太空安全任务的轨道改进具有重要意义。通过本课题的研究，培养硕士生2名、博士生1名，发表论文5篇，授权发明专利 1项。