[发明专利]一种基于四程中继跟踪模式的远月面着陆器精密定位方法

说明书

技术领域

本发明属于月球着陆器精密定位与深空探测领域，特别是涉及一种基于四程中继跟踪模式的远月面着陆器精密定位方法。

背景技术

目前，深空探测是世界各国竞相争逐的热点，进行深空探测，可以进一步解答地球如何起源与演变、行星和太阳系形成和演化的过程、人类是不是宇宙中唯一的智慧生命、地球的未来将如何等一系列问题，同时有利于人类积极开发和利用空间资源。在深空探测中，探测器的定轨定位是任务成败的关键，也是各种科学任务顺利进行的前提。精密的探测器轨道是进行地形地貌测绘的基础数据，也可以用于行星重力场的解算，进而反演行星的内部构造。

月球背面的着陆探测一直是国际上的热点和难点。月球背面具有不同于月球正面的独特地质构造，是研究地月起源的重要突破口；月球背面没有地球电磁波干扰，是进行低频射电天文观测的天然理想场所。但是由于月球自转与公转同步，月球背面着陆器无法与地球测站进行直接通信，任务难度和风险比较大，目前对月球背面的就位探测仍旧是一项国际空白。因此，开展月球背面的就位探测具有重要的科学意义和工程意义。

对于近月面着陆器的定位问题，一般采用运动学统计定位方法，采用测量模式包括：双程/三程测距、测速，VLBI时延/时延率模型等等。在“嫦娥三号”着陆器的精密定位中使用了运动学统计定位方法，综合了测距、测速数据和VLBI时延、时延率数据，着陆器定位的绝对精度在10m左右(曹建峰,张宇,胡松杰,等.2016.嫦娥三号着陆器精确定位与精度分析.武汉大学学报(信息科学版),41(2):274-278.doi:10.13203/j.whugis20140123.)，“玉兔号”漫游器与着陆器的相对定位采用了同波束VLBI技术，相对位置精度可达到米级(黄勇,昌胜骐,李培佳,等.2014.“嫦娥三号”月球探测器的轨道确定和月面定位.科学通报,59(23):2268-2277.)。

但是对于月球背面着陆器的精密定位问题，如图1所示，图1a为近月面示意图，图1b为远月面示意图，由于月球自身的遮挡，远月面着陆器与地球深空测控站无法通视，传统的直接测量模式，如“嫦娥三号”中的双程、三程测距/测速，VLBI时延/时延率测量模式将不再适用，因此有必要采取新的跟踪测量模式对远月面着陆器进行定位。

在对月球着陆器定位的过程中，涉及到坐标系的转换。地面测站位于地球，一般用地球参考框架描述；月球着陆器需要用月球主轴坐标系来表示；而信号在太空中的传输要考虑大天体引力时延以及相对论效应的影响，最终均需要在太阳系质心坐标系下(BCRS)表示。为了得到高精度的定位结果，需要不同坐标系之间进行高精度的转换。各坐标系之间的转换如图2所示。

地面测站坐标由协议地固系(ITRS)转为J2000地球惯性坐标系下的坐标，此转换需要岁差旋转、章动旋转、极移旋转以及地球自转旋转。关于岁差、章动模型，随着观测值精度的不断提高，也在不断地修正。目前IERS2010规范推荐采用IAU2006决议的岁差章动模型。J2000地球惯性系坐标经过平移、洛伦兹变换可以转到太阳系质心坐标系下。

同地固坐标系统的转换中用到岁差章动和极移一样，从月球主轴坐标系(PA)到月心天球坐标系，要考虑月球天平动(Libration)的影响。目前用于月球物理天平动研究的主要手段仍然是对月激光测距(LLR)，由月球自转引起测距的变化，通过数值积分来求得月球自转相应的三个欧拉角，通过旋转三个欧拉角即可转换到月心天球坐标系下，进一步经过平移、洛伦兹变换可以转到太阳系质心坐标系(BCRS)下。

目前对月球背面的着陆一直是国际空白，月球背面的着陆最大的难题是克服信号被月球遮挡的影响，同时面临无法实时测控跟踪着陆器等难题。

发明内容

本发明的目的是克服传统直接跟踪测量模式无法对远月面着陆器进行定位的缺陷，提供一种基于四程中继跟踪模式的远月面着陆器精密定位方法，该方法借助于中继星的中继跟踪测量，可以消除月球自身的遮挡，实现对远月面着陆器的精密定位。

为达到上述发明目的，本发明的技术方案提供一种基于四程中继跟踪模式的远月面着陆器精密定位方法，建立月球着陆器-轨道器的四程中继跟踪测量模式的观测模型，基于观测模型实现远月面着陆器精密定位。