一种月球探测器精密定轨方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于月球探测技术领域，涉及一种月球探测器精密定轨方法，具体地说，涉 及一种利用甚长基线干涉测量（VLBI)观测、同时估计地球自转参数和力学模型参数的月 球探测器精密定轨方法。
【背景技术】
[0002] 月球探测器的精确位置信息对实现探月计划、科学目标和研宄地月环境非常重 要。VLBI技术被广泛应用于深空探测领域。国际上许多深空探测器的实时测轨过程中都成 功使用了 VLBI技术，我国探月工程中对嫦娥系列探测器的跟踪与测控也应用了 VLBI技术， 相关文献中均有描述。
[0003] VLBI技术的原理如图1所示。由于探测器距地面两测站的距离不同，因此探测器 上发出的同一信号到达两测站的时间是不同的，测量这个时间差，建立探测器与两测站的 几何测量关系，通过大量的观测值以及已知的测站位置就可以计算得到探测器的位置。
[0004] 由于地面测站位于地球上，其坐标一般在协议地固参考系下描述，而探测器由于 位于深空，其坐标根据其位置的不同又定义在不同的参考系统下，如环月探测器的坐标一 般在J2000月心惯性系下描述。因此要通过VLBI技术建立地面测站与探测器的几何观测 连接，就必须将它们定义在统一的参考系中。在深空领域中，常将两者统一在太阳质心参考 框架（BCRS)下。这样就涉及到一个坐标系转换的问题。图2描述了由地固坐标系转换到 太阳质心坐标系的过程。
[0005] 在图2中，由地固坐标系转换到J2000地心惯性系可用下式表示：
[0006] 其中，[GCRS]表示在J2000惯性坐标系下的坐标，[ITRS]为协议地固系下坐标， Q(t)为岁差章动矩阵，R(t)为地球旋转矩阵，W(t)为极移矩阵。其中，R(t)与W(t)由地球 自转参数（ERP)决定，因此，ERP参数的精度高低将直接影响着转换过程的精度高低，从而 间接影响了观测方程的建模精度，并最终影响到探测器的定轨精度。相关文献研宄表明，不 同ERP先验精度下"嫦娥一号"等深空探测器的定轨结果最大将会存在公里级的差异（魏 二虎，史青，严韦，李雪川.ERP精度对"嫦娥一号"差分VLBI定位精度的影响.武汉大学学 报?信息科学版，2011，36(11) : 1324-1327)。
[0007] ERP参数目前由国际地球自转服务（IERS)发布，分为预报产品（Bulletin A)和事 后精密产品（Bulletin B)两种，事后精密产品精度较高，可满足目前深空探测器的定轨要 求，但由于是事后延迟发布，因此时效性低，在探测器的实时性定轨中不能使用。因此目前 的深空探测器实时定轨任务使用的是精度较低的预报产品，影响了深空探测器实时定轨精 度的提高。
[0008]目前，有学者提出了将ERP参数引入到观测方程中与探测器位置参数一同估计， 在提高ERP参数精度的同时提高探测器位置的解算精度，有效地降低了 ERP参数的预报精 度对定位精度的影响。但这种方法假设了在一个较短的弧段内探测器轨道根数没有变化， 限制了轨道确定的长度；而且基于几何定轨的原理，没有动力学信息，因此得到的轨道没有 预报作用。
[0009] 对月球探测器的每一种观测技术的观测模型中，涉及很多几何和物理模型参数的 先验信息，如果直接利用而不改进其先验信息的精度，就会传播到所确定的月球探测器位 置中。月球探测器在轨飞行时，其位置的先验信息一般分别通过经验的动力学模型积分获 得。由于动力学经验模型参数不准确，影响了给出的数值积分位置的精度，从而影响了采用 观测量确定探测器位置的精度。目前观测模型中不同参考系间的连接参数直接采用本观测 系统以外观测系统所提供的先验信息，其精度水平也会影响月球探测器定位精度。如何改 进这些几何和物理模型参数的先验精度，是目前月球探测器精密定位研宄急需突破的关键 问题和难点。对于月球探测器定轨，目前国际上使用的基本模型有几何观测模型和动力学 定轨模型。这两类模型各有优劣。
【发明内容】
[0010] 为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种月球探测器精密定轨方法，在 建立VLBI观测数据的观测模型基础上，提出了将观测模型与动力学模型进行有机结合，首 次提出和建立一种同时估计参考系连接参数（ERP参数）、探测器初始状态参数、探测器飞 行段动力学定轨的摄动模型参数的新模型，避免现有模型中直接引用这些几何和物理模型 参数的先验精度对探测器定位精度影响的缺陷，为月球探测器精密定位建立基础。
[0011] 其技术方案如下：
[0012] 一种月球探测器精密定轨方法，包括以下步骤：
[0013] 步骤1 :将观测模型和动力学模型进行有机结合，建立新的结合模型分析月球探 测器飞行段进行动力学定轨所涉及的摄动力因素，分析各摄动力对月球探测定轨的影响量 级，研宄摄动力模型。
[0014] 步骤2 :建立动力学积分确定探测器位置的模型。建立利用各类观测量确定探测 器位置参数的观测模型。利用这两种模型分别确定探测器位置的差异值作为虚拟观测值， 建立求解动力学和观测模型参数改正数的结合模型。
[0015] 步骤3 :将参考系连接参数引入新的结合模型对月球探测器不同运行阶段，分析 各观测技术的结合模型中所涉及的测站和观测目标初始坐标等参数所属的不同参考系，通 过不同的参考系连接参数的转换矩阵将不同参考系转换到统一的参考系，从而将参考系连 接参数带入了模型中，便于用此模型将其作为未知参数来计算其改正数。
[0016] 步骤4:通过以上步骤将参考系连接参数引入了观测模型，对观测模型进行线性 化，即计算观测值对可估计参数的偏导数，建立参数估计的平差模型，确定可估计参数序 列。
[0017] 步骤5 :利用步骤1、2建立的力学模型进行轨道积分得到观测时刻对应的月球探 测器的近似位置，并同时得到各观测时刻卫星状态与初始状态转换的状态转移矩阵以及卫 星状态对力模型参数的偏导数矩阵以此可计算各观测值的计算值，生成观测值残差并得到 法方程系数矩阵。
[0018] 步骤6 :重复步骤5直到读取所有观测数据，利用最小二乘或其它估计方法得到所 有估计参数（卫星初始状态、参考系连接参数、力学模型参数及其它观测模型参数）的改正 值。
[0019] 步骤7 :将所有估计参数的