中国深空测控技术丛书-深空测控GNSS应用技术

《深空测控GNSS应用技术》以GNSS应用于深空 导航为出发点，从月球探测器导航的时间与坐标系 统、动力学模型和测量模型、地月空间GNSS信号特 征、基于GNSS的月球探测器精密定轨和自主导航算 法以及工程应用实例等方面开展详细论述。本书详 细介绍了深空导航中涉及的时间与坐标系统，动力 学模型和测量模型；针对典型月球探测任务各阶段 计算分析了GNSS信号的可见性、动态性和精度因子 ；给出了GNSS测量数据用于月球探测器精密定轨的 算法，对实测数据定轨精度进行分析，全面评估了 月球探测任务全弧段GNSS定轨精度；提出了基于 GNSS测量的月球探测器自主导航算法，分析了自主 导航的精度等。在此基础上，还提出了未来载人月 球探测和小行星探测等任务应用GNSS技术的新方向 本书理论与实践并重，可供深空测控相关工程 技术人员参考，也可作为深空探测器精密定轨等专 业方向的科研人员的参考读物。

\"樊敏,主要从事月球与深空测控总体技术工作和航天器精密定轨及其应用研究，承担了我国探月工程和行星探测工程等多项重大工程的测量与导航精度评估和方案设计工作。 李海涛，主要从事深空测控系统的顶层设计与技术研究工作，是我国深空测控系统的主要设计者之一；现任探月工程四期嫦娥七号、嫦娥八号副总设计师。 黄勇，主要从事空间飞行器精密定轨及其应用研究，先后参与了我国月球探测、北斗卫星导航和自主火星探测等国家重大专项工程。\"

|第3章动力学模型和测量模型 3.1动力学模型| 3.1动力学模型 在月球探测任务的各个飞行阶段，探测器受到各种 力的作用，根据这些力的物理含义进行数学建模，可以 明确探测器的运动规律［1］，从而建立运动方程为： r¨=F0+Fε (31) 其中，r为探测器位置矢量，F0=-μr2rr为中心天 体(地球/月球)质心引力，μ为中心天体引力常数，Fε 为摄动力之和。 探测器受到的中心天体质心引力为保守力，受到的 摄动力有保守力和耗散力。保守力包括日、月及大行星 的质点引力、中心天体非球形引力等，耗散力包括大气 阻力等。在不同轨道段，可以根据轨道特征和精度需求 进行摄动量级分析，对摄动力进行取舍。 对于地月/月地转移轨道段，探测器运动以地球为 中心天体，可以在地心天球参考系中建立运动方程，时 间引数为地球时，受力主要包括： 地球质心引力，地 球非球形引力摄动，日、月及大行星N体引力摄动，太 阳辐射压摄动等。对于环月轨道段，探测器运动以月球 为中心天体，可以在历元月心天球坐标系中建立运动方 程，时间引数为太阳系质心动力学时，受力主要包括： 月球质心引力，月球非球形引力摄动，地、月及大行星 N体引力摄动，太阳辐射压摄动等［23］。此外，由 于探测器在飞行过程中会发生调姿、喷气等事件，因此 还需要考虑这些摄动对探测器轨道的影响。通常这些摄 动力的精确物理模型未知，可以采取经验力模型对其进 行模化以提高定轨精度。 3.1.1主要摄动力模型 本节将详细给出月球探测器所受各种摄动力的模型 。 1. 地球/月球非球形引力摄动 该摄动是由地球/月球的质量分布不均造成的，在 固连坐标系(对于地球为国际地球参考系，对于月球为 主轴坐标系)中，非球形引力势采用球谐展开表达式［4 ］： ΔV=-μr∑Nl=2∑lm=0aerllm(sinφ)［lmcos(m λ)+lmsin(mλ)］ (32) 其中，μ为中心天体引力常数，ae是中心天体参考 椭球体的赤道半径，r、λ、φ分别是固连坐标系中空 间点的地心距离、经度和纬度，lm是l次m阶缔合勒让德 多项式，lm、lm是归一化的l次m阶谐系数。 由此，可以得到中心天体非球形引力摄动为： FNS=grad(ΔV) (33) 通常由重力场模型提供μ、ae和lm、lm。严格而言 ，不同的重力场模型对应不同的参考椭球体和固连坐标 系。因此在轨道计算中，选取地球重力场模型时，应考

第1章 绪论 1.1 GNSS技术的应用发展 1.2 GNSS在更高轨道上的应用 1.3 月球探测器导航技术的发展 1.4 未来月球与深空测控面临的挑战 参考文献 第2章 时间与坐标系统 2.1 时间系统 2.2 坐标系统 2.2.1 大地坐标系 2.2.2 站心坐标系 2.2.3 月球地理坐标系 2.2.4 月面当地坐标系 2.2.5 月固坐标系和月面当地坐标系的转换 2.3 常数系统 2.3.1 基础常数 2.3.2 测站坐标及改正 参考文献 第3章 动力学模型和测量模型 3.1 动力学模型 3.1.1 主要摄动力模型 3.1.2 月球重力场模型对定轨精度的影响分析 3.2 GNSS测量模型 3.2.1 伪距/相位测量模型 3.2.2 差分伪距/相位测量模型 3.2.3 相位平滑伪距测量模型 3.3 地基测量模型 3.3.1 双向测距和多普勒测量 3.3.2 差分干涉测量 3.3.3 同波束干涉测量 3.4 本章小结 参考文献 第4章 探月轨道的GNSS特征 4.1 GNSS信号可见性分析 4.1.1 姿态建模 4.1.2 链路分析 4.1.3 实测数据验证 4.2 GNSS信号动态性分析 4.3 位置精度因子 4.4 地月转移轨道段分析 4.4.1 轨道特征和仿真场景 4.4.2 可见性 4.4.3 动态性 4.4.4 精度因子 4.5 环月轨道段分析 4.5.1 可见性 4.5.2 动态性 4.5.3 精度因子 4.6 动力下降和月面工作段分析 4.6.1 动力下降段的动态性和精度因子