本文针对已有月球探测任务主要为极轨的特点,仿真分析了大倾角轨道卫星跟踪数据在月球重力场解算中的贡献.文中针对极轨道、77°倾角和极轨道结合77°倾角轨道三种情况各三个月的轨道跟踪数据进行了月球重力场模型仿真解算,通过重力场功率谱、基于解算模型位系数协方差矩阵的重力异常及月球大地水准面误差以及精密定轨等手段对解算模型进行了精度评价.结果表明结合大倾角的轨道可以较为明显地改进月球重力场模型的计算精度.

本文介绍了"嫦娥一号"月球探测卫星轨道跟踪数据的特征,简要阐述了基于动力法精密定轨解算月球重力场模型的原理及策略.在"嫦娥一号"测控数据精度和覆盖均有限的条件下,独立使用"嫦娥一号"月球探测器6个月的在轨运行双程测距测速跟踪数据,成功得到了50阶次月球重力场模型CEGM-01.通过多种方式,如重力场模型频谱特性、实测数据定轨残差、月球重力异常特征、与地形的相关性及导纳值,对解算得到的CEGM-01月球重力场模型进行了精度评价,分析了相应的物理特性和效果.结果表明了CEGM-01解算过程的有效合理.在此基础上展望了我国月球重力场探测未来可能的发展方向.

利用卫星重力测量资料研究地球、月球与火星等星体的内部构造时,需要进行重力地形校正,计算全球布格重力异常,而在球坐标中实现地形校正计算是一种有效的途径.本文提出球坐标系中的球冠域地形校正计算方法,给出了该方法涉及的球坐标系之间坐标转换方法和球冠域内地形模型重构方法,并进行理论验证.作者利用嫦娥一号激光测高数据对月球重力进行地形校正,获得了月球全球布格重力异常,并与球坐标系中Tesseroid单元体地形校正方法对比,分析了球冠域地形校正方法的计算精度、空间分辨率及其优缺点.

月球表层与月壳岩石密度的横向与径向的变化,反映了月表及内部成分以及月球演化等特征.本文利用月球勘探者号伽马射线谱仪探测的月表Fe,Th与Mg元素分布数据,依据前人给出的元素含量与岩石类型的关系,对月球表层进行了岩性填图,并结合岩石样品与陨石的密度测试数据建立初始密度模型,采用铁元素与岩石密度的关系对其进行修正,从而建立了月表物质密度分布模型.基于嫦娥一号激光测高数据和日本SELENE计划发布的月球重力模型,计算出月球布格重力异常,进而反演得到月壳0～40 km深度范围内岩石平均密度分布模型.分析表明,大部分区域上,月壳至少月壳上部岩石成分主要以轻质的富含铝、钙、镁质的硅酸盐类岩石为主.由此推测,原始月壳极有可能是由轻质的、富含钙、镁质硅酸盐类岩石构成的全球性月壳.现今的玄武岩与克里普岩只是覆盖于原始的月壳之上的岩层,且厚度不大.

中国正在开展月球探测活动,下一步将发射月球着陆器并实现月面软着陆。为确保着陆器在月面着陆时的稳定性和可靠性,发射前需在地球表面进行着陆冲击试验。对会影响月球着陆器着陆性能的月貌和月壤进行了详细的叙述,以便在试验过程中进行相应环境特征的模拟。用图表详尽阐述了三种月球重力场模拟器的原理和装置,并对各自的优缺点进行了评述。根据试验模型的不同,将月球着陆器着陆冲击试验分为原尺寸试验(模拟的月球重力场下)和1/6模型试验(地球重力场下)两类,分别介绍了两类模型的结构以及试验模型与着陆器原型机之间缩放关系。分别给出了原尺寸试验和1/6模型试验的试验平台和试验步骤,以及初始试验参数的给定方法。根据试验研究的需要以及月球探测器在月球表面着陆时的真实情况,给出了在地球上进行着陆模式模拟的方法。研究表明两种试验结果之间有良好的一致性,但是这两种试验的花费很高,且对试验场地有较高的要求。再者,由于在试验中对月壤没有太好的模拟方法,试验数据与真实着陆时数据存在一定差异。

月球重力场制约着近月外空间物体的运动,同时环月飞行器的运动也反映了月球重力场的作用。本文结合我国嫦娥一号探月工程,探讨了利用月球卫星地面跟踪资料,求定月球重力场的基本理论和方法,分析了环月卫星的轨道高度、地面跟踪采样时间间隔和跟踪精度等对月球重力场求定的影响。

同波束VLBI通过同时观测两个探测器的多点频信号,可以得到两个探测器之间高精度的差分相位时延,日本月球探测计划SELENE充分体现了这一技术在月球探测器精密定轨中的贡献。本文针对采样返回的月球探测任务中,轨道器和返回器同时绕月飞行期间,研究利用同波束VLBI跟踪数据在探测器精密定轨和月球重力场仿真解算中的贡献。结果表明,加入同波束VLBI跟踪数据之后,探测器定轨精度有显著提高,改进超过一个量级。综合同波束VLBI跟踪数据解算得到的重力场模型相比于传统的USB双程测距测速数据,中低阶次位系数精度有明显改进,并且定轨精度有望能达到米级。

基于月球大地测量参数在月球探测中的基础性作用以及目前能够获取的测量数据类型,选取嫦娥一号测高地形数据及Lunar Prospector月球重力场模型作为数据源,采用地形逼近方法,解算了月球主惯性矩、主惯性轴指向、月球赤道半径、极半径、平均半径、月球形状扁率及质心与形心偏移量(DCOM-COF)等大地测量参数,得到地形逼近三轴椭球体和三轴水准椭球体,并与国内外已有研究成果进行比较分析,认为新计算的三轴水准椭球能较精确地反映月球质心与形心的不重合状况以及偏移的方向和量级。

2008年12月6日"嫦娥一号"卫星开始了为期半个月的变轨试验,卫星距离月球表面最近处约为15km,这在国内尚属首次。试验期间,国内USB和VLBI测控网进行了跟踪测量,获取了卫星不同飞行高度的测轨资料。通过对变轨试验期间的USB和VLBI测量数据的定轨计算,分析了月球重力场误差对于绕月低轨卫星的影响,计算表明,尽管目前的月球重力场模型高阶项由于没有月球背面的测量数据而不准确,但对绕月低轨卫星的定轨精度提高仍然有重要帮助。分析了VLBI数据对绕月低轨卫星定轨的贡献,比较了USB数据单独定轨以及USB和VLBI联合定轨两种情况,结果表明VLBI数据的加入可有效提高定轨精度。该工作对于我国后续月球探测工程具有一定的借鉴意义。

月球重力场研究及相关应用是月球科学探测中的重要内容之一。本文回顾了月球重力测量及月球重力场模型、月球地形模型等主要研究进展,总结了月球重力场(包括地形)在月球内部结构研究,特别是在月壳结构以及月球质量瘤等方面取得的研究成果。此外,月球重力场还应用于月幔/月核研究、月球均衡状态、月球物质成分及月球演化历史的研究中。随着我国嫦娥探月计划的实施,利用其探测数据建立自主重力场模型及地形模型成为我国探月研究的基础工作之一。在此基础上可开展月壳结构、月球均衡状态、月球质量瘤及月壳成分等研究,同时借鉴地球科学中相关学术思想和方法技术,从而促进对月球及类地行星等结构的研究。