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太阳系中的小天体,包括小行星、彗星和一部分自然卫星等,一直以来都是行星科学研究和深空探测的热点。一方面,相比大行星,这些天体往往带有更多的原始太阳系信息,它们的形成和演化过程反映了行星系统不同演化阶段的状态;另一方面,小天体的微引力环境为深空探测提供了独一无二的条件,是空间技术论证和星基测站建设的首选目标之一。
与其他天体一样,引力场信息对小天体的科学研究和探测都具有关键意义。具有足够精度和分辨率的引力场模型不仅是分析小天体本身物质演化、内部结构等物理状态不可缺乏的因素,也是研究其邻域内探测器的轨道特性,进行轨道设计、仿寞和确定所需的首要参数。通过对探测器近距离绕飞数据进行反演,可以构建实际引力场模型。但是,对于绝大多数小天体,这类数据尚未获得。因此,通常采用正演建模的方法,根据天体的形状,结合一定的密度假设,构建理论引力场模型。
在众多的小天体中,火卫一显得格外特别。作为火星的两颗卫星之一,它却拥有与小行星更为类似的不规则外形、低反照率和低平均密度。对它的形成与演化过程一直存在争议。虽然对火星系统的探测已有近50年的历史,我们对火卫-包括引力场在内的众多物理特性还知之甚少。但是,对它的研究和探测都需要一个详细的引力场模型。
基于以上背景,本论文综合评述了三种基于模型的小天体引力场建模方法,并进一步从理论和应用上,对它们各自的优势和局限性进行了讨论。首次将最新的17阶次火卫一形状模型应用于引力场建模,利用解析方法获得了完整至17阶次的球谐展开形式火卫一引力场模型,这是到目前为止最为完备的火卫-引力场模型,可应用于未来火卫一探测计划中探测器的轨道和无线电观测数据的分析。同样基于最新的火卫一引力场模型,利用数值分析方法获得了格网化的火卫一表面重力分布。并结合动力学参数,进一步建模获得了火卫一表面动力学环境的精细模型。新模型相比之前的模型,在分辨率上有了较大的提高。根据该模型,分析了火卫一表面地貌特征和物质迁移的历史与动力学环境间的可能关联。
论文首先介绍了三种基于形状模型的引力场建模方法。从方法论角度研究帮分析了它们对形状模型精度、模型边界控制等的褶关性,以及潜在的误差来源。
然后,利用基于Mars Express探测器照相数据的最新火卫一形状模型,进行了火卫一引力场的正演建模,获褥了17阶次的球谐函数展开模型和不同的空间格网模型。结果显示,不同方法获得的引力场模型均具有良好的一致性,从而证实了各方法的可行牲和一致性。同时,不同的建模方式也体现出了各自的优缺点,因而在使用对应根据研究目的和要求进行适当的选择。
进一步,基于获褥的火卫一地表引力场格网模型,利用动力学高程和表面加速度等参数对火卫一动力学环境进行建模研究。由于火卫一显著的潮汐和自转效应,它的动力学地形与几何地形具有很大程度的差异,这直接导致其表面和邻近区域的物质存在菲直观的特殊运动状态。通过对火卫一地表特征和动力学环境的比较研究发现,它的表面物质迁移和演化很有可能受到动力学环境演化的影响。同时,作为应用,对火卫一采样返回计划Phobos-Grunt的着陆区域进行了地形和动力学环境的联合评估。
最后,本论文讨论了深空无线电通信技术在小天体引力场测定和动力学环境研究中的可能应用。分析了近地小行星采样返回计划MarcoPolo-R的距离差分观测量对中心天体引力场的敏感性。介绍了甚长基线干涉测量,特别是同波束干涉测量的概念和在深空探测中的应用,并展望它们在未来的火星系统探测中所能做出的贡献。