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.

月球地形、重力场和内部构造不仅对于研究月球起源和发展具有重要意义,而且对月球探测器轨道的飞行控制、月球着陆器的着陆区选择也有重要的影响.本文首先回顾了月球地形观测的方法和模型,并对新近"嫦娥一号"和"Kaguya/Selene"得到的地形模型做了分析和比较.其次,讨论了新近月球重力场研究的现状,并给出了综合新近及既往数据解算重力场的方法.最后,分析了综合地形和重力场,并给出利用新近数据研究月球内部构造的进展.

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.

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.

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。

日本探月卫星SELENE(KAGUYA)携带了14种仪器设备用于对月球进行多方面的测量,其中的3种设备用于对月球进行大地测量观测.这包括两个子卫星和一台激光高度计测量设备.这些设备所获得的科学成果主要包括:利用多普勒和同波束VLBI测量得到了精度为10m的精密轨道确定结果;利用四程多普勒测量首次获得了月球背面精确的重力场;首次获得了纬度高于86°区域的月面地形图;通过使用月球全球地形信息与月球全球重力场信息得到了全球重力异常分布图;获得了月壳厚度全球分布图以及月球南北极区光照率图.这些成果的取得进一步加深了人类对于月球的认识.

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。