利用LP实测数据解算月球重力场模型及月球重力场特征分析

摘要

月球重力场是研究月球演化及其深部构造的关键，是月球卫星精密定轨的核心。自20世纪90年代以来，随着新的探月任务成功执行，国际上又掀起了新一轮的月球重力场研究高潮。而我国也制定了长远的探月计划。本文基于探月实测数据解算了月球重力场模型并根据月球重力场模型进行了初步反演，主要内容及成果如下：
　　1.75阶月球重力场模型解算。本文给出了LP ODF轨道实测数据的获取方式、数据预处理原理及方法。详细介绍了卫星精密定轨及大地参数解算软件平台GEODYN II和SOLVE，给出了软件使用流程和注意事项等。利用LP任务前4个月的双程和三程Doppler数据及测距数据解算了完全至75阶次的月球重力场模型LPGM75，并与JPL解算的LP75G进行了全面比较，证明了解算结果的合理性。同时，总结了月球重力场模型解算中的模型选择、参数设置等问题。由于该模型的解算仅利用了单星数据，其低阶位系数精度较LP75G略差，但其高阶位系数精度较高，基于该模型计算的重力异常和大地水准面起伏表明二者在月球背面及极区差别较大。
　　2.现有高阶月球重力场模型SGM100i与GLGM-3比较。由于月球正面始终面向地球，卫星运行至月球背面后，地球上的跟踪站便无法对其进行直接跟踪，从而造成了月球背面重力场信息的空白。因此，历史探月任务所建立的月球重力场模型均没有实际远月面直接观测数据。SELENE通过高轨中继卫星跟踪卫星的方式，历史上首次得到了背面月球重力场直接观测数据。SGM100i融合了SELENE Doppler跟踪数据、差分VLBI数据以及历史探月数据。与GLGM-3相比，SGM100i的模型位系数阶方差在15-30阶精度提高大于一个量级，最大达66倍；模型位系数与地形相关性系数在50-70阶高达0.9左右，而GLGM-3仅为0.6-0.7。SGM100i对于月球重力异常和月球大地水准面起伏的描述在正面与GLGM-3相差不大，在背面明显占优，揭示了背面环形重力场特征。说明SELENE得到的背面重力数据对高精度月球全球重力场模型的解算有重要意义。
　　3.基于SGM100i的月球垂线偏差及其分量计算及分析。垂线偏差表征天体物质分布和质量密度异常，包含了重力场方向信息。SGM100i使用了SELENE四程Doppler数据，即包含了月球背面重力场直接跟踪数据，是目前最好的月球全球重力场模型。基于SGM100i计算并分析了月球垂线偏差及其卯酉分量，子午分量及方向。定义并给出了月球垂线偏差坡度的计算公式。讨论了月球垂线偏差与月球地形模型之间的相关性，发现月球正面和背面的垂线偏差特征有很大差别，可能是由于岩石圈补偿和月幔上升造成的。

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1 绪论

1.1 月球重力场研究背景及意义

1.2 月球重力场探测历史及其发展

1.3 主要研究内容

1.4 本章小结

2 月球重力场模型解算原理

2.1 月球全球重力场模型的球谐函数表达形式

2.2 月球卫星精密定轨及重力场解算基本原理

2.3 由卫星轨道解算月球重力场模型

2.4 GEODYN II软件系统简介

2.5 本章小结

3 LP数据处理及月球重力场模型解算

3.1 LP数据处理原理与方法

3.2 利用LP ODF数据解算月球重力场模型

3.3 LPGM75模型分析

3.4 本章小结

4 利用GLGM 3与SGM100i进行月球重力场特征分析

4.1 最新月球探测任务及重力场模型

4.2 GLGM 3与SGM100i模型分析

4.3 月球垂线偏差及其坡度计算方法

4.4 基于SGM100i的月球垂线偏差及其分量

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 后续研究展望

参考文献

攻读硕士期间主要成果

致谢