月球重力场环境对月球卫星轨道影响分析

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1、第29卷第2期航天器环境工程2012年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING191月球重力场环境对月球卫星轨道影响分析童科伟，李文清，刘伟，高朝辉，王俊峰（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076）摘要：文章分析了月球复杂的重力场环境对月球卫星轨道运行的影响。通过月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的对比分析，结果表明月球重力场存在较大异常，并由此引起月球卫星轨道发生较大漂移。另外，月球冻结轨道在带谐项影响下还存在中等周期的漂移，仅简单考虑带谐项系数无法求得完美的月球冻结系数。由于月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球轨道卫星情况相比存在很大差异

2、，因此月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计必须充分考虑此影响。关键词：月球环境；月球重力场；月球卫星轨道；冻结轨道中图分类号：V412.4文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)02-0191-06DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2012.02.0150引言轨道变扁，对于100km×15km的椭圆轨道，这种趋[2]势更为明显。在进行月球卫星轨道和控制策略设月球表面重力加速度约为地球表面的1/6，且计时，需要了解月球重力场的影响机理，因此开展月球重力场分布非常不均匀，在一些月海盆地内存[1]月球重力场的仿真研究具有重要的工程意义。在重力异常，称

3、之为质量瘤（mascons）。月球本文利用解析与数值方法分析月球重力场影重力场的异常对长期运行的绕月航天器轨道造成响下的航天器绕月球长期运行的轨道变化特性，并影响。与地球重力场对航天器轨道的影响特性进行对比在人类早期（1958—1976年）的月球探测活动分析。中，应用月球探测器绕月飞行成功实现了对月球重力场的初步探测，发现了月球重力场异常现象。在1月球重力场模型20世纪90年代，美国利用1994年发射的Celementine月球重力场模型通常采用球谐函数分析法，即探测器和1998年发射的LunarProspector探测器实用球谐展开系数描述月球引力势相对于理想球体施了对月球重力场的

4、探测。Konopliv采用多步法分的偏离异常。在月球质心坐标系下，月球引力势的析后者探测到的数据，获得了高精度的月球重力场球谐系数的级数表达式为模型，即LP165P月球重力场模型。由于对月球背nRn面部分区域直接观测数据的缺乏，该模型存在的主V1Pnmsin[Cnmcos(m)Snmsin(m)]，(1)rrnm10要问题是对于阶次高于20的短波长重力场异常反映得不够充分和准确[1-3]。式中：为月球引力常数；Pnm为归一化勒让德多月球异常复杂的重力场使得月球卫星的运行项式系数；Snm、Cnm为归一化位系数；R为月球轨道与地球

5、卫星轨道相比具有不同的特性。月球上赤道平均半径；r、、分别为空间某点对应的[1]空没有大气，卫星轨道不会因大气阻力而衰减，但月心距、月球经度、月球纬度。是在较低圆轨道上运行的月球卫星在重力影响下重力场模型的空间分辨率由球谐函数展开的[4]最大阶次决定。通常重力场模型的低阶次展开反映经过一段时间后仍可能坠落到月球。月球重力场影响会导致其卫星轨道偏心率变大，意味着卫星了月球的总质量和形状等信息，而高阶次则含有更————————————收稿日期：2011-12-05；修回日期：2012-04-06基金项目：月球探测数据优化处理技术与二次开发应用研究（项目编号：2010AA122206）

6、作者简介：童科伟（1982—），男，博士学位，从事航天运输系统总体设计与研发工作。E-mail:tongkewei@126.com。192航天器环境工程第29卷多反映月球内部质量分布及横向变化的信息，因此2冻结轨道理论分析阶次高低与其反映重力异常的尺度有关。高阶次重冻结轨道是一条特殊轨道，被视为普通轨道的力场模型能够更好地反映月球局部重力异常的变一种平衡状态。分析表明，冻结轨道即对应于动力化，但随着重力场阶次的提高而使得待求解的球谐[8]学分析中的一个不动点。杨维廉指出，对于冻结系数大量增加，对观测数据及计算能力均有很高要轨道，除了偏心率e和近地点幅角ω要求变化为0以求。随着探测数据

7、的丰富和计算机技术的发展，月外，半长轴、轨道倾角的长期项也要完全冻结，而[3]球重力场模型如LP165P的阶次已达到165阶。胡只有升交点赤经在长期摄动。[5]小工等指出，由于没有月球背面的观测数据，因此从冻结轨道出发，研究其长期演化趋势可LP165P重力场模型的20阶以上的球谐展开系数可以了解不同星球重力场摄动因素对轨道长期演化能不可靠。的影响。月球始终有一面背向地球，导致月球背面的重当仅考虑地球引力场带谐项系数J2、J3时，在力场无法直接探测，只能通过