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火星探测器行星际转移段定轨精度评估

段建锋 张宇 孔静 陈明 李翠兰

段建锋, 张宇, 孔静, 陈明, 李翠兰. 火星探测器行星际转移段定轨精度评估[J]. 空间科学学报, 2023, 43(3): 499-506. doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0008
引用本文: 段建锋, 张宇, 孔静, 陈明, 李翠兰. 火星探测器行星际转移段定轨精度评估[J]. 空间科学学报, 2023, 43(3): 499-506. doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0008
DUAN Jianfeng, ZHANG Yu, KONG Jing, CHEN Ming, LI Cuilan. Evaluation of Orbit Determination Accuracy in Interplanetary Transfer Section of Mars Probe (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(3): 499-506 doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0008
Citation: DUAN Jianfeng, ZHANG Yu, KONG Jing, CHEN Ming, LI Cuilan. Evaluation of Orbit Determination Accuracy in Interplanetary Transfer Section of Mars Probe (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(3): 499-506 doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0008

火星探测器行星际转移段定轨精度评估

doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0008 cstr: 32142.14.cjss2023.03.2022-0008
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(11973015)
详细信息
    作者简介:
  • 中图分类号: V412

Evaluation of Orbit Determination Accuracy in Interplanetary Transfer Section of Mars Probe

  • 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202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2021年2月10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20 mm·s–1 (1σ)。

     

  • 图  1  行星际转移初期各摄动加速度演化

    Figure  1.  Evolution diagram of perturbed acceleration at the initial stage of interplanetary transfer of Mars probe

    图  2  不同积分中心下定轨误差

    Figure  2.  Orbit determination error under different integration centers

    图  3  典型测站跟踪时间分布

    Figure  3.  Tracking time distribution of typical stations of Mars probe

    图  4  火星探测器行星际转移段定轨精度评估策略

    Figure  4.  Orbit accuracy evaluation strategy for interplanetary transfer section of Mars probe

    图  5  天问一号行星际转移过程

    Figure  5.  Interplanetary transfer process of Tianwen-1

    图  6  器地距离与时延变化

    Figure  6.  Mars probe ground distance and time delay change

    图  7  火星探测器行星际转移段轨道精度评估结果

    Figure  7.  Orbit accuracy evaluation results of the interplanetary transfer section of the Mars probe

    表  1  不同行星历表下定轨预报误差

    Table  1.   Orbit determination prediction error under different ephemeris

    比较项目定轨预报
    位置误
    差/m
    速度误
    差/(m·s–1
    位置误
    差/m
    速度误
    差/(m·s–1
    DE421 VSDE436261.43510.0000006306.48320.0207
    DE405 VSDE4361172.07480.00022238.26500.0930
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    表  2  行星际转移轨道探测器动力学模型及参数

    Table  2.   Dynamics 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-38×8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Cr = 1.34
    太阳质点J2000日心惯性系
    大行星及月球第三体引力JPL-DE436历表
    后牛顿效应广义相对论JPL-DE436历表
    太阳光压固定面质比初值Cr = 1.34
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    表  3  火星探测器行星际转移轨道定轨数据使用的选择情况分析

    Table  3.   Analysis on the selection of orbit determination data for interplanetary transfer orbit of Mars probe

    数据使用策略误差统计
    位置/m速度/(m·s–1
    测距、测速
    时延率
    60209.20.057
    测距、测速
    时延
    161.50.0002
    测距、测速60309.10.059
    测速
    时延、时延率
    1864324.00.102
    测距
    时延、时延率
    74.80.0001
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    表  4  天问一号探测器行星际转移段关键事件

    Table  4.   Orbit control time of the interplanetary transfer phase of “Tianwen-1” probe

    序号时间(BJT)关键事件
    12020-07-23 13:17发射
    22020-08-02 07:00第一次中途修正
    32020-09-20 23:00第二次中途修正
    42020-10-09 23:08深空机动
    52020-10-28 22:00第三次中途修正
    62021-02-05 20:00第四次中途修正
    72021-02-10 20:00近火制动
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-18
  • 修回日期:  2022-07-23
  • 网络出版日期:  2023-02-14

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