火星探测器行星际转移段定轨精度评估.pdf
《火星探测器行星际转移段定轨精度评估.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《火星探测器行星际转移段定轨精度评估.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Mars Probe(in Chinese).(ChineseJournal ofpaceScience,22023,43(3):499-506.D0I:10.1)03.2022-0008DUAN Jianfeng,ZHANG Yu,KONG Jing,CHEN Ming,LI Cuilan.Evaluation of Orbit Determination Accuracy in Interplanetary Transfer Section ofChin.J.SpaceSci.0254-6124/2023/43(3)-0499-08空间科学学报火星探测器行星际转移段定轨精度评估段建锋张宇孔
2、静陈明李翠兰(北京航天飞行控制中心北京100094)(航天飞行动力学技术重点实验室北京100094)摘要天问一号是中国第一次实现地火转移行星际飞行的探测器,在长达2 0 2 天的行星际转移飞行期间,共经历了4次中途修正及1 次深空机动控制,在2 0 2 1 年2 月1 0 日成功进行了近火制动,被火星捕获而进入环火轨道。本文对探测器行星际转移期间的动力学模型进行了分析,制定了转移飞行期间定轨积分中心转换原则:在探测器飞出地球影响球后,定轨积分中心需要由地心更换为日心;对不同版本行星星历表的使用进行了分析,确定了使用DE436行星历表进行计算对定轨影响最小。根据探测器行星际转移飞行的特点,制定了
3、一种基于逐日迭代定轨策略的精度评估方法。基于实测数据分析,验证了该方法的有效性,火星探测器行星际转移期间定轨位置误差优于2 km,速度误差优于2 0 mms(1 o)。关键词同天问一号,行星际转移,积分中心,定轨策略,精度评估中图分类号V412Evaluation of Orbit Determination Accuracy inInterplanetary Transfer Section of Mars ProbeDUAN JianfengZHANG YuKONG JingCHEN MingLI Cuilan(Beijing Aerospace Flight Control Center
4、,Beijing 100094)(Aerospace Flight Dynamics Laboratory,Beijing 100094)AbstractTianwen-l is the first Chinese probe to realize interplanetary flight between Earth andMars.During the 202-day long interplanetary transfer flight,it experienced four midway corrections andone deep space maneuver control.On
5、 10 February 2021,it successfully applied braking near Mars andwas captured by Mars.This paper,the dynamic model during interplanetary transfer is analyzed,andthe principle of celestial center conversion during transfer flight is formulated.It is necessary to replacethe celestial center with the Sun
6、 after leaving the Earths influence sphere.According to the analysis re-sults,DE436 ephemeris is determined to be used,because it has the least impact on orbit determination.*国家自然科学基金项目资助(1 1 9 7 3 0 1 5)2022-04-18收到原稿,2 0 2 2-0 7-2 3 收到修定稿E-mail:The Author(s)2023.This is an open access article unde
7、r the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)5002023,43(3)Chin.J.Space Sci.空间科学学报Based on the characteristics of the interplanetary transfer flight of the probe,this paper proposes an ac-curacy evaluation method based on a daily iterative orbit determination strategy.Based on
8、the analysisof measured data,the effectiveness of this method has been verified.During the interplanetary transferof the Mars probe,the orbit determination position error is better than 2 km,and the velocity error isbetter than mm.s (1o)。KeywordsTianwen-1,Interplanetary transfer,Integration center,O
9、rbit determinationstrategy,Accuracy evaluation0引言20世纪6 0 年代,人类开始发射火星探测器对火星及其卫星进行探测。截至2 0 2 1 年底,人类共发射了45颗火星探测器,苏联、美国、欧洲、印度、中国、俄罗斯、阿联酋等已经成功实现了火星的环绕探测,目前正在工作的环绕火星探测卫星有8 个(美国3个,欧洲2 个,印度、阿联酋、中国各1 个)。由于火星探测器飞离地球几千万km至4亿km,中间轨道稍有偏差,到达火星附近时就会出现很大误差,甚至有无法被火星捕获的风险。因此,为了保证探测器安全顺利达到火星,深空任务对行星际转移阶段的轨道确定提出了更高精度的
10、要求。中国的第一个火星探测计划是中国国家航天局与俄罗斯联邦航天局合作的董火一号,2 0 1 1 年1 1 月8日,该探测器与俄罗斯的福布斯-土壤号火星探测器一起发射升空,1 1 月9 日宣布任务因俄罗斯探测器失联而失败2 。2 0 1 6 年,中国正式批复首次火星探测任务3,2 0 2 0 年7 月2 3 日1 2 时41 分,使用长征五号遥四火箭将中国首次火星探测任务天问一号探测器发射升空。2 0 2 1 年2 月1 0 日完成火星捕获,5月1 5日天问一号着陆巡视器成功着陆火星乌托邦平原南部预选着陆区,这标志着中国首次火星探测任务取得圆满成功。火星探测任务轨道动力学与近地轨道和探月轨道的动
11、力学差异很大,美国Odyssey探测器的转移段位置误差约5kml4,中国嫦娥二号探测图塔蒂斯小行星的最远测量距离约数百万km,内符合定轨精度为2km5.6。中国此前从没有对如此远距离的探测器或者卫星进行测轨跟踪。针对这种距离的探测器轨道确定,需要重新构建日心系下时空参考框架、动力学模型及观测模型。针对萤火一号探测器,中国多家机构具有一定的研究基础7-1 0,但无实测数据分析支撑。北京航天飞行控制中心针对火星探测任务特点,研制了一套行星际精密定轨系统。本文基于该定轨软件系统,使用火星探测器行星际转移段全程实测数据,对探测器的轨道精度进行分析,获取了具有重要意义的精度数据,可为后续深空探测任务提供
12、有益借鉴。1深空动力学模型深空探测器是在太阳系中飞行的一个人造天体,太阳系各天体的运行轨迹不会受探测器影响而改变。在行星际巡航飞行阶段,太阳为主要的作用力源,虽然仍可将航天器轨道运动考虑为受摄运动二体问题,但是其余天体及摄动源所产生的作用力相对于太阳作用力的摄动量级相比环绕阶段大许多。另外,由于卫星轨道的动力学约束很弱,定轨计算需要考虑的定轨弧段相对于环绕阶段更长,最长可达半年甚至更长,这需要高精度的动力学模型作为支撑。航天器在行星际飞行过程中会受到各种各样的力,总体而言,航天器受到的作用力可以分为两大类:一类是保守力,另一类是耗散力。保守力包括太阳以及大行星的质点引力等,耗散力则包括大气阻力
13、、太阳光压以及航天器的调姿、卸载作用力等。总加速度为上述各项摄动源引起的加速度总和,即=RpM+RNs+RIo+RsR+RRLT+RTAC.(1)其中,(RpM)为由n个质点产生的引力加速度,(Rs)为由引力位非球形部分产生的引力加速度,(Rio)为其他大行星产生的加速度,(RsR)为由太阳辐射压产生的加速度,(RRLT)为由相对论效应产生的加速度,(RTAc)为由姿态控制系统调整过程引起的加速度。引力和相对论加速度建模精度都很高,完全满足一般定轨要求,太阳光压等非引力加速度不易准确建501段建锋等:火星探测器行星际转移段定轨精度评估模,尤其是转移段非引力加速度相对于中心天体加速度量级明显增大
14、,其模型误差成为主要的模型误差源。太阳辐射压产生的加速度可以表示为RsR=-P(P(会)()会(2)式中,Po表示距太阳1 AU处的太阳光压强度,近似值为4.56 0 51 0-6 Nm-2,au为天文单位量值,等于1.4961011m,.为中心天体惯性坐标系中探测器与太阳的距离,。=r-rs,,指向探测器,r和r分别表示探测器和太阳在中心天体惯性坐标系中的位置矢量;A表示探测器的有效照射面积,与探测器的形状、姿态有关,为探测器质量,C,表示探测器的光压系数,与探测器自身材质有关,在1 2 区间通常需要对上述力模型误差,以及未精确模制的摄动因素等进行补偿,即建立经验力模型1 。一般经验力模型可
15、用三角级数来表示,即KRTAc=(Trn)TCo+(Cn cos nf+Sn sinnf)n=1(3)式中,(TRTN)T 为卫星轨道坐标系(RTN坐标系)到J2000.0惯性坐标系的转换矩阵,C为经验力的常数加速度偏差,Cn,Sn 为经验加速度的余弦和正弦项系数,K为三角级数的阶次,具体可根据未建模因素的频率成分确定,f表示真近点角。在多数情况下,这些未精确模制的摄动因素几乎都表现在一个轨道周期1次的频率上(One-Cycle-Per-Orbit-Revolution,1 CPR),因此这里K一般取 1 1 2 。为更加清楚了解动力学模型中各项摄动加速度的演化规律,使用仿真分析的方式,得到各
16、摄动加速度变化规律如图1 所示:可以看出地球的加速度快速减小,太阳质点加速度保持较为稳定的状态,后期太阳的质点引力摄动完全超过地球,探测器成为一颗行星际飞行的探测器针对太阳系内行星际转移飞行过程中的定轨计算,与地月空间内飞行相比,需要注意天体影响球对积分中心选取的影响,一般而言,对于太阳系内天体影响球半径可由下式估算:2Tsoim5P(4)Rms其中,rsoi表示影响球半径,R表示天体自身半径,mp表示天体质量,m表示太阳质量。根据上式可以得到地球的影响球半径为9 2 50 0 0 km,根据预报星历分析,火星探测器人轨后3 天,器地距离约1 0 km(7 月26日1 4:0 0 BLT)。为
17、方便处理,在此处将积分中心由地心转换成日心。针对积分中心切换的影响,使用2020年7 月2 6 日1 4:0 0 BLT(北京时间)之前的实测数据,分别以地球和太阳作为轨道计算的中心天体,采用不同中心天体计算的轨道误差如图2 所示。从图2 可以看出,不管是在地心系和日心系下,定轨的位置误差小于5m,速度误差小于0.2 5mm.s-l,但使用相同轨道,分别在日心和地心坐标系下进行1 5天轨道预报并进行比较,在两种坐标系下位置误差达到102Gravitational perturbation of the earthJ2 term perturbation of the earth100Pertu
18、rbation of other major planetsSolar pressure perturbationRelativisticeffect10-210-410-610-810-1010-1210-14012345 678910Time/d图1行星际转移初期各摄动加速度演化Fig.1Evolution diagram of perturbed acceleration atthe initial stage of interplanetary transfer of Mars probe432100.25O.T0.20OaN0.15OvEL0.100.050GeocentricSun
19、Integral center图2不同积分中心下定轨误差Fig.2Orbit determination error under differentintegration centers5022023,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报700m,速度误差达到1 mmsl,并且随着时间的推移,误差不断扩散,这是因为不同天体作为积分中心条件下,由行星历表中第三体摄动相对中心天体加速度不一致而导致的,这种误差在定轨过程中几乎可以忽略,但是在轨道外推后将产生较大的影响1 3 。根据分析,在地球影响球内,选用地球、太阳作为中心天体对定轨精度影响不大;在地球影响球外,使用地球作为中心天
20、体,对定轨预报精度会产生较大影响,在行星际转移期间,应及时将定轨计算的中心天体切换成太阳。观测模型方面,行星星历、地球定向参数、介质延迟和观测误差等影响较为明显4。地球定向参数采用经常性更新的措施解决,介质延迟和观测误差需通过相关模型修正1 5。行星星历表会根据高精度深空探测数据的增加不断更新,目前在国际上得到广泛应用的是由JPL发布的DE系列历表1 0 。以DE405,DE421,DE436为例,采用深空机动后至第三次中途修正前的数据,使用不同历表进行定轨,并预报至近火点处,以DE436的定轨预报结果为基准,误差比较结果列于表1。从表1 可以看出,使用DE405历表的定轨预报结果偏差较大,达
21、到km量级,使用DE421历表的定轨预报偏差也达到了百米量级,若该误差进行长时间的累积,会对轨道精度产生较大影响,甚至影响最后的火星捕获。相比DE405,DE421历表在生成时增加了许多内行星的观测数据1 7 ,DE436是JPL为了朱诺号木星探测器项目而发布的版本,在DE430的基础上更新了木星星历1 8 。基于此,应采用JPL较新发布的DE436行星历表。2定轨策略与精度评估方法设计目前,中国已建成了自己的深空测控网(Chinese表1不同行星历表下定轨预报误差Table 1Orbit determination prediction errorunder different epheme
22、ris定轨预报比较项目位置误速度误位置误速度误差/m差/(ms)差/m差/(ms)DE421VSDE436261.43510.0000006306.48320.0207DE405VSDE4361172.07480.00022238.26500.0930Deep Space Network,CDSN)19。首次火星探测任务行星际转移期间,由地面X频段测控设备以及甚长基线干涉测量(VLBI)测轨分系统承担探测器的各项测控任务。其中,佳木斯、喀什、阿根廷三个深空站是主要测控站,VLBI系统包括上海、乌鲁木齐、北京、昆明四个站,位于喀什、青岛、纳米比亚的三个18m天线测量站没有参与测控。探测器在长达半
23、年的转移段飞行期间,无法长期保持高强度的测控,一般每天安排国内2 个深空站各测距4h,阿根廷深空站间隔使用,一次测距2 h。由于VLBI系统在深空探测中具有重要作用2 0-2 3 ,因此安排VLBI系统一周跟踪2 次,一次4h,在轨控前后会加强跟踪,数据量有显著增加。日常典型的跟踪弧段如图3 所示,图中表示约8 天的数据量。在此期间,VLBI跟踪了3 次,每次均有3 条基线;统一S波段(USB)每天安排三站跟踪,某个国内站跟踪期间会因为其他飞控事件而出现中断现象,但基本可以保持测量数据时长。在实际定轨分析中,考虑了不同积分中心下的动力学模型,具体见表2。其中行星的星历表使用JPL-DE4362
24、4。在太阳积分中心下,需重点考虑后牛顿效应,因为该效应产生的影响随着探测器与地球距离的增加,对轨道的影响将达到km量级。在数据的使用上,主要使用测距、多普勒测速2 5.2 6 和时延、时延率数据,对测距求解系统差,对光压系数C进行解算。从表3 可以看出,测距与时延对于定轨的贡献最大,测速与时延率对轨道的影响相对较小,为保证定轨精Kunming-TianmaUrumqi-TianmaKashgar StationKunming-UrumqiJiamusi StationArgentina Neucon StationVLBIUSB27Dec.202020406080100120140160180
25、200220Time begin/h图3典型测站跟踪时间分布Fig.3Tracking time distribution of typicalstations of Mars probe503段建锋等:火星探测器行星际转移段定轨精度评估表2行星际转移轨道探测器动力学模型及参数Table 2Dynamics model and parameters of explorer in transfer orbit积分中心动力学模型参数地球地球质点J2000地心惯性系地球非球形JGM-38x8阶次日月及大行星第三体引力JPL-DE436历表太阳太阳光压固定面质比初值C,=1.34太阳质点J2000日心
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 火星 探测器 行星 转移 段定轨 精度 评估
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。