基于GNSS和平动点导航星座的地月空间基准研究

Lunar surveying and taking Moon served as a natural transfer base for deep space explorations demand a large-scale spatial reference covering cislunar space. Currently GNSS is the main PNT means for near-earth users with altitude below GEO, but is unfortunately limited by the orbital altitude of its constellation, and thus cannot serve users flying further up to moon. Meanwhile, the overall rotation of GNSS constellations is an inherited weakness if doing autonomous POD using inter-link data. We will study the construction and configuration of a novel constellation consisting of libration point orbits(LPOs) and the orbit determination theories in the earth-moon-spacecraft restricted three-body problem. We will construct some deputy LPO constellations around the lunar libration points, and exploit the mechanism of autonomous POD combined GNSS and LPO constellations based on the SST data. By utilizing the locally smooth one-parameter characteristics of a periodic orbit family, we will achieve the absolute spacial orientation for GNSS constellations. With the simultaneous observations from both types of navigation constellations, we will establish the seamless navigation and positioning theories and algorithms for user spacecraft in cislunar space and especially the landers and rovers on the far side areas of the moon. Based on the high-level fusion of GNSS and the LPO constellation, we expect to reach the goal of supporting for Change-4 and LL2 missions aiming to land on the far side of the moon. Meanwhile, the outcome of the project will significantly improve the GNSS applications and services.

月球测绘以及月球作为天然的深空探测中转基地，对地月系大尺度空间基准提出了迫切需求。目前以GNSS为代表的传统导航星座，其卫星高度决定了基准服务主要集中在GEO以内的近地空间，难以有效地波及40万千米的地月空间；此外，基于星间链路的GNSS星座自主定轨存在星座整体漂移问题。本课题拟着眼于由地-月-飞行器组成的限制性三体问题和平动点轨道在地月大空间基准建立中的独特作用和重要契机，开展非传统二体问题意义下的星座构型和定轨研究。构造地月系代表性平动点导航星座，利用周期轨道族在特定空间的分布单值性，建立基于平动点星座+GNSS星座的SST联合定轨理论和算法，解决GNSS星座的绝对定向，研究融合两类星座的地月空间（尤其是月球背面）用户的无缝导航和定位方法。GNSS和平动点星座的高度融合，具有嫦娥四号的月球背面和LL2平动点轨道探测任务应用背景，并对提升GNSS的应用层次具有重要的现实意义。

传统受摄二体问题框架下的GNSS导航星座难以有效服务40万千米的地月空间，地月系大尺度空间基准对地月系三体问题下的平动点周期轨道的利用提出了迫切需求。本项目着眼于由地-月-飞行器组成的限制性三体问题和平动点轨道在地月大空间基准建立中的独特作用和重要契机，开展了联合非传统二体问题意义下的星座构型和定轨研究。在受摄三体问题框架下，(1)基于模态分析理论，构建了圆型限制性三体系统下共线平动点、三角平动点附近周期轨道的高阶多项式解；(2)研究了平运动共振的相空间结构及动力学性质；(3)构建了在强摄动情况下，小天体的长期演化模型；(4)提出了在多体系统下构造具有共振跃迁特点的复杂周期轨道，并指出太阳系多体系统中存在的共振跃迁现象的动力学机制在于DRO倍周期分岔轨道的不变流形；(5)发现了不规则小行星同步轨道航天器平衡姿态存在新的不稳定区域。在受摄二体问题框架下，(1)基于星下点轨迹参数，提出了一种GEO/IGSO区域导航星座的快速优化设计算法；(2)基于特征参数和GAPM模型，提出了一种LEO全球导航/导航增强星座的快速优化设计方法；(3)基于第一类无奇点根数，设计了一套LEO导航星座卫星的17-21参数的广播星历参数集；(4)提出一种基于公开数据源的北斗GEO机动检测和判别的近实时监测方法；(5)利用LEO星载GPS，解算了高精度差分码偏差DCB；（6）提出了一种基于IGS超快产品（IGU轨道产品）和实时数据流（RTS）钟差产品的改进LNAV算法。在地月空间测控和空间基准建立方面，(1)仿真验证了基于单基线SBI的CE-5器间分离准实时监测算法的有效性；(2)数值验证了鹊桥中继星-北斗导航卫星的星间链路自主定轨的可观性。北斗导航系统与平动点轨道动力学的高度融合，具有嫦娥系列月球探测和LL2平动点轨道探测任务应用背景，并对提升GNSS的应用层次具有重要的现实意义。