[发明专利]月球探测器落点预报方法

说明书

技术领域

本发明专利属于航天测量与控制领域，涉及月球探测器落点预报。

背景技术

嫦娥月球探测工程是我国航天事业发展中一项重要的工程任务，其中探月三期工程的目标是探测器软着陆月球完成探测试验任务。考虑到测控条件和探测器、月球车在月球表面平稳降落并顺利展开的需要，工程根据月表地势、坡度、土质、表面石块数量等选定了预定着陆点位置并提出了相应落点精度要求。为了保证探测器能顺利降落到预定着陆点，必须开展探测器落点预报和计算的研究试验工作。

发明内容

本发明的目的是：提供一种通用的月球探测器落点预报方法。

本发明的技术方案是：一种月球探测器落点预报方法，包括如下步骤：

步骤一，利用多星并行高精度轨道计算系统处理统一S波段跟踪数据以及甚长基线干涉测量数据，对月球探测器进行精密轨道确定，得到探测器在月心天球坐标系中的位置(X,Y,Z)，利用坐标转换进一步得到探测器月固系的位置(x,y,z)；

步骤二，对月球表面地形高度进行插值，建立月球地形模型，利用月固系的位置矢量计算月球探测器月面高度；

步骤三，在探测器轨道确定基础上，直接预报探测器星历和月面高度，设定判定撞击条件，当探测器月面高度小于预设值时，认为探测器已撞击月球，计算探测器落点，即探测器落点的经度，纬度和高程，以及落月时刻。

本发明通过验证结果表明，本方法在月球探测器落点预报中位置精度较高，落点时刻预报准确。该方法解决了嫦娥一号撞击月球的时刻和位置的计算问题，以及为嫦娥三期探测器月球软着陆做技术准备。

具体实施方式

本实施例中的月球探测器落点预报方法，用于进行嫦娥一号的落点预报。该预报方法包括如下步骤：

步骤一：对探测器进行精密轨道确定，得到探测器月固系的位置(x,y,z)。轨道确定是进行撞月点预报的前提，轨道确定就是利用观测数据估算出卫星的实际运动参数及其精度，本实施例采用了自主研发的多星并行高精度轨道计算系统（PASAX），利用探测器制动后很短的统一S波段跟踪数据与甚长基线干涉测量数据进行短弧轨道确定，其中PASAX短弧轨道确定，采用嫦娥一号轨控后大约14分钟数据，采用宇航动力学国家重点实验室自主研发的多星并行高精度轨道计算系统（PASAX），进行探测器轨道计算，利用观测数据估算出卫星的实际运动参数及其精度，它包括轨道积分、理论观测量计算和最小二乘参数统计等如下几个子步骤：

子步骤1：建立合理的动力学模型，进行轨道积分。以月心J2000坐标系为基本参考架来建立卫星运动方程，考虑的主要摄动力包括月球非球形引力场、太阳和地球等第三体引力、月球固体潮、太阳直接辐射压和广义相对论模型，轨道积分采用8阶Gauss-Jackson-Merson多步法数值积分器。

子步骤2：建立观测模型，计算理论观测量。除了传统的统一S波段载波（USB）双向测距和测速外，嫦娥一号加入了高精度测角观测，即甚长基线干涉测量（VLBI）数据。为此PASAX软件专门加入了VLBI观测模型。

子步骤3：探测器轨道解算。参数最优估计采用贝叶斯（Bayes）加权最小二乘估计方法，待估参数为卫星初始位置、速度以及部分动力学模型参数和测量系统差。

本实施例选用了优化的轨道动力学模型和轨道确定策略。其中

轨道动力学模型考虑的主要摄动力包括月球非球形引力场、太阳和地球等第三体引力、月球固体潮、太阳直接辐射压和广义相对论模型，轨道积分采用8阶Gauss-Jackson-Merson多步法数值积分器。参数最优估计采用贝叶斯（Bayes）加权最小二乘估计方法，待估参数为卫星初始位置、速度以及部分动力学模型参数和测量系统差。

本实施例选用轨道确定策略如表1：

表1定轨策略

步骤二：利用月球地形模型，对月球表面地形高度进行插值，计算探测器月面高度，包括如下子步骤：

子步骤1：选取合适的月球地形模型。本实施例使用的月球地形模型是ULCN2005栅格数据产品，该地形模型的平面精度(1σ)约为0.9像素，高程精度为102m左右，在月球正面的月海区域精度更高，满足试验要求。

子步骤2；选择模型中的参数。取月球参考椭球半径为1737.4km，按照纬度从-90到90度，精度从-180到180度，每度16个栅格，每个栅格的大小为0.0625X0.0625度（对应1.8km）。