我國火星探測器遙控跟蹤網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計資料

1、我國火星探測器遙控(yokng)跟蹤網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計共二十二頁2/22內(nèi) 容1. “螢火一號”及跟蹤網(wǎng) 2. 遙控跟蹤網(wǎng)跟蹤效率分析3. 遙控跟蹤網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(shj)及實(shí)驗(yàn)分析 4. 結(jié)論共二十二頁3/221. “螢火一號(y ho)”及跟蹤網(wǎng) 1）螢火(yn hu)一號中國獨(dú)立研制一顆火星軌道器（代號“YH-1”），2009-10發(fā)射，2010-08到達(dá)火星，1年以上環(huán)繞火星探測；它將與俄羅斯“Phobos-Grunt” 同時發(fā)射，組成“中國-俄羅斯聯(lián)合火星探測計劃”。Phobos-Grunt 在火衛(wèi)一上著陸、采樣、返回地球；以火衛(wèi)一為平臺，探測火星空間環(huán)境?！癥H-1” 環(huán)繞火星，探測火星的空

2、間環(huán)境。共二十二頁4/221. “螢火一號(y ho)”及跟蹤網(wǎng)2）“螢火(yn hu)一號”的科學(xué)目標(biāo)火星空間環(huán)境的主要形狀及結(jié)構(gòu)；火星離子逃逸的物理過程，輸運(yùn)機(jī)制; 其與火星表面水損失的關(guān)系，對火星可能生命存在的影響；太陽風(fēng)傳輸?shù)交鹦请婋x層和大氣的機(jī)制. 共二十二頁5/221. “螢火(yn hu)一號”及跟蹤網(wǎng)3）遙控跟蹤網(wǎng) 為了順利完成衛(wèi)星在發(fā)射過程中的測控工作，需要組建主要由衛(wèi)星遙控通訊跟蹤網(wǎng)和衛(wèi)星軌道跟蹤測控網(wǎng)組成的衛(wèi)星測控網(wǎng)，負(fù)責(zé)對衛(wèi)星通訊和測軌。4）中國衛(wèi)星測控網(wǎng)近地(jn d)衛(wèi)星，固定站和移動站近地衛(wèi)星和神州系列 圖2 中國衛(wèi)星測控網(wǎng)共二十二頁6/221. “螢火(yn h

3、u)一號”及跟蹤網(wǎng)5）“螢火一號” 跟蹤網(wǎng) 中國(zhn u)VLBI網(wǎng)（上海、烏魯木齊、昆明、密云VLBI站）將參與“螢火一號”的遙測跟蹤任務(wù)。 利用接收來自探測器的X波段信號，通過“寬帶”VLBI方式來實(shí)現(xiàn)對探測器進(jìn)行遙控跟蹤。圖3 中國VLBI網(wǎng)共二十二頁7/22螢火一號軌道示意圖1. “螢火一號(y ho)”及跟蹤網(wǎng)6）研究目標(biāo)“螢火一號”運(yùn)行中將經(jīng)歷：地球質(zhì)心軌道：研究較多太陽質(zhì)心軌道(行星軌道)火星質(zhì)心軌道將重點(diǎn)研究：火星探測器位于行星軌道段時遙控跟蹤網(wǎng)對其的跟蹤效率(xio l)遙控跟蹤網(wǎng)改造設(shè)計共二十二頁8/22內(nèi) 容1. 螢火一號”及跟蹤網(wǎng) 2. 遙控跟蹤網(wǎng)跟蹤效率分析3.

4、遙控跟蹤網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及實(shí)驗(yàn)(shyn)分析 4. 結(jié)論共二十二頁9/222.遙控跟蹤網(wǎng)跟蹤效率(xio l)分析1）理論(lln)基礎(chǔ) SHOP1P2RS共二十二頁10/222.遙控(yokng)跟蹤網(wǎng)跟蹤效率分析圖4墨卡托投影計算地面覆蓋流程圖2）覆蓋(fgi)區(qū)域計算 共二十二頁11/222.遙控(yokng)跟蹤網(wǎng)跟蹤效率分析 將中國VLBI網(wǎng)四個測站的參數(shù)輸入程序可以得到優(yōu)化后的遙控跟蹤網(wǎng)對衛(wèi)星軌道的覆蓋情況如圖（仰角=6）：覆蓋區(qū)域僅達(dá)到全球面積(min j)的50左右，未能實(shí)現(xiàn)對火星探測器的全軌道覆蓋。各跟蹤站的覆蓋區(qū)域重疊，跟蹤利用率不高。 圖5 中國VLBI網(wǎng)覆蓋情況共二十二頁1

5、2/222.遙控跟蹤(gnzng)網(wǎng)跟蹤(gnzng)效率分析 3）實(shí)際軌道參數(shù)的試驗(yàn)分析 以下采用(ciyng)具體的美國火星探測器軌道數(shù)據(jù)分析中國VLBI網(wǎng)對火星探測器的跟蹤效率。起始軌道參數(shù)如右表所示：變軌軌道為太陽質(zhì)心軌道；采用日心J2000平天球坐標(biāo)系；起始時間為1997年3月1日零點(diǎn)，以抵達(dá)火星軌道為變軌截止條件。參數(shù)數(shù)值半長軸193216365.381km偏心率0.236386軌道傾角23.455 deg升交點(diǎn)赤經(jīng)0.258 deg近地點(diǎn)角距71.347 deg真近點(diǎn)角85.152 deg表1 火星探路者號飛行器的軌道參數(shù)共二十二頁13/22圖6 火星探路者號飛行器的模擬軌道圖

6、2.遙控跟蹤(gnzng)網(wǎng)跟蹤(gnzng)效率分析4）實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果 （1）本文作了如下重點(diǎn)(zhngdin)計算中國VLBI網(wǎng)單個跟蹤站對火星探路者號飛行器的跟蹤時間整個網(wǎng)絡(luò)對飛行器的連續(xù)跟蹤時間 共二十二頁14/222.遙控(yokng)跟蹤網(wǎng)跟蹤效率分析4）實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果（2）結(jié)果四個跟蹤站對探測器的跟蹤時間分別占總模擬時間的53.90，52.12，52.79及54.48；平均每天各測站的跟蹤時間可達(dá)到12.8小時；中國VLBI網(wǎng)的平均連續(xù)跟蹤時間為14.2小時/天； 未達(dá)到全天對火星(huxng)探測器的連續(xù)跟蹤。模擬結(jié)果與50左右的跟蹤站覆蓋區(qū)域相符。 圖7 中國VLBI網(wǎng)的跟蹤

7、時間示意圖 圖5 中國VLBI網(wǎng)覆蓋情況共二十二頁15/22內(nèi) 容1. 螢火一號”及跟蹤網(wǎng) 2.遙控跟蹤網(wǎng)跟蹤效率分析3.遙控跟蹤網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及實(shí)驗(yàn)(shyn)分析 4.結(jié)論共二十二頁16/223.遙控跟蹤網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(shj)及實(shí)驗(yàn)分析 1）遙控跟蹤網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計 鑒于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有必要優(yōu)化設(shè)計中國現(xiàn)有(xin yu)遙控跟蹤網(wǎng)，以提高跟蹤效率。（1）優(yōu)化設(shè)計條件盡量保留原有的跟蹤站點(diǎn)，以節(jié)約成本，且有利于實(shí)現(xiàn)。保證任何時刻至少有一個跟蹤站遙控跟蹤衛(wèi)星，來保證跟蹤站對衛(wèi)星遙控跟蹤的連續(xù)性。 圖2 中國衛(wèi)星測控網(wǎng)圖3 中國VLBI網(wǎng)共二十二頁17/223.遙控跟蹤網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及實(shí)驗(yàn)(shyn)分析

8、（2）設(shè)計方案第1站選擇中國VLBI網(wǎng)中的上海站，在經(jīng)度間隔約120選擇其他站點(diǎn)。第2站選擇位于南半球的納米比亞站，是原來中國衛(wèi)星測控網(wǎng)的組成部分，節(jié)約布網(wǎng)成本第3站選擇了位于北半球的北美站，具體站點(diǎn)建議選擇美國境內(nèi)的深空網(wǎng)（DSN）站點(diǎn) 這三個跟蹤站形成了火星探測器遙控跟蹤網(wǎng)，這樣選擇避免了因地球自轉(zhuǎn)而造成的火星探測器信號(xnho)中斷。圖2 中國衛(wèi)星測控網(wǎng)共二十二頁18/223.遙控跟蹤網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(shj)及實(shí)驗(yàn)分析 2）覆蓋分析 優(yōu)化后遙控跟蹤網(wǎng)覆蓋情況如圖。只有A區(qū)和B區(qū)兩區(qū)無法對火星探測器的跟蹤覆蓋，但大部分都不在行星軌道星下點(diǎn)區(qū)間（藍(lán)色區(qū)間）；優(yōu)化后覆蓋區(qū)域(qy)基本覆蓋探測器

9、軌道的全過程，較VLBI網(wǎng)的覆蓋有很大改善。圖8 優(yōu)化遙控跟蹤網(wǎng)對探測器軌道的跟蹤覆蓋情況圖5 中國VLBI網(wǎng)覆蓋情況共二十二頁19/223.遙控跟蹤(gnzng)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及實(shí)驗(yàn)分析 3）計算分析 為了驗(yàn)證優(yōu)化效果，重新利用表1中的軌道參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，計算結(jié)果如下： 分別占總模擬(mn)時間的52.79；48.02；51.90平均跟蹤時間為12.2小時；優(yōu)化后的跟蹤網(wǎng)平均連續(xù)跟蹤時間達(dá)到21.4小時/天，較中國VLBI網(wǎng)（14.2小時/天）有顯著提高，基本達(dá)到了全天連續(xù)跟蹤 。 圖9 優(yōu)化遙控跟蹤網(wǎng)的跟蹤時間情況圖8 優(yōu)化遙控跟蹤網(wǎng)對探測器軌道的跟蹤覆蓋情況共二十二頁20/22內(nèi) 容1.

10、螢火一號”及跟蹤網(wǎng) 2. 遙控跟蹤網(wǎng)跟蹤效率分析3. 遙控跟蹤網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及實(shí)驗(yàn)(shyn)分析 4. 結(jié)論共二十二頁21/224.結(jié)論(jiln) 對比中國VLBI網(wǎng)和優(yōu)化遙控跟蹤網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對火星探測器在每一天的連續(xù)跟蹤時間也明顯(mngxin)延長，遙控跟蹤和通訊效率達(dá)到近90%有兩個跟蹤站的重疊時段區(qū)(C區(qū)和D區(qū)），以及有三個跟蹤站的重疊時段區(qū)E區(qū)，有利于使用VLBI技術(shù)和多普勒進(jìn)行探測器的聯(lián)合定軌。圖8 優(yōu)化遙控跟蹤網(wǎng)對探測器軌道的跟蹤覆蓋情況共二十二頁內(nèi)容摘要我國火星探測器遙控跟蹤網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計。它將與俄羅斯“Phobos-Grunt” 同時發(fā)射，組成“中國-俄羅斯聯(lián)合火星探測計劃”。Phobos-Grunt 在火衛(wèi)一上著陸、采樣、返回地球。“YH-1” 環(huán)繞火星，探測火星的空間(kngjin)環(huán)境。近地衛(wèi)星，固定站和移動站。中國VLBI網(wǎng)（上海、