擦肩而过到精准认知—光学/无线电融合测量在Toutatis小行星探测数据中的工程与科学应用

摘要

基于光学的测量与导航是深空科学探测和航天器自主导航的核心技术,但我国目前相关方面的技术实践和任务经验尚且有限,因此2012年12月13日嫦娥2号探测器对Toutatis小行星的成功飞越以及获得的图像数据非常珍贵.尽管这次任务不是依靠探测器自主实现,但是嫦娥2号所拍摄的这组光学图像中却隐含着关于Toutatis小行星、探测器本身以及二者之间的丰富信息.针对这次飞越探测的特点,结合飞越和成像策略,建立了一套完整的光学/无线电融合测量理论模型,对探测数据进行了系统性研究.本文详细剖析了光学/无线电融合测量模型,并对模型应用于Toutatis探测数据取得的重要工程与科学结论进行凝练.其中,工程应用包括图像阴影位置的预测,飞越距离的精确计算,以及嫦娥2号与Toutatis相对导航关系的建立;科学应用包括Toutatis尺寸和空间朝向的测量,以及对Toutatis旋转周期、质量和体积的估计.通过光学/无线电融合测量,尽管飞越的时间极短,仍然从嫦娥2号瞬间飞越中提取出重要的运动和导航信息,并且更准确地认知了Toutatis的物理本质特性,多项指标刷新了现有的测量结果,充分发掘出嫦娥2号光学探测的价值,有力证明了这套测量技术的科学性和未来前景.