天然卫星自转与轨道耦合的动力学模型研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 黄凯 |
| 答辩日期 | 2025-07-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李语强 |
| 关键词 | 数值历表 积分算法 动力学模型 天然卫星 火卫二 |
| 学位专业 | 天体测量与天体力学 |
| 其他题名 | The Study of the Dynamic Model for the Rotation and Orbital Coupling of Natural Satellites |
| 英文摘要 | 随着我国“天问一号”火星探测任务的成功实施，“天问三号”将再次开展火星系统探测活动以及“天问四号”木星探测任务的筹备推进，我国在深空探测领域实现了迅猛发展。在深空探测活动中，行星系统中的天然卫星一直都是研究热点。一方面，天然卫星相较于大行星，保留了更多的原始太阳系信息，它们的形成与演化过程揭示了行星系统不同发展阶段的特征；另一方面，天然卫星所特有的微引力环境为深空探测创造了独特的实验条件，使其成为空间技术论证的首选目标之一。与其他天体一样，动力学特性对天然卫星的科学研究与探测具有重要意义，高精度的动力学模型是揭示其内部结构、物理特性及演化历史的重要窗口。在此背景下，世界上多个机构开展了天然卫星动力学模型的研究，并在此基础上发布了一系列的天然卫星数值历表。 本文立足于此，聚焦于大行星卫星数值历表动力学模型的建立。针对现行动力学模型在卫星自转方面建模不充分的现状，本文提出了一种新的包含了自转与轨道耦合的动力学建模方法。该方法研究了天然卫星的形状效应以及太阳系主要天体引力引起的自转效应，以此将描述天然卫星运动的 6 个状态参数扩展为包含欧拉角及其速率的 12 个状态参量，使动力学模型在描述天然卫星运动时更符合天然卫星的实际运动情况。本文围绕新模型的建立，采用了复现-发展-差异分析的研究策略，开展了以下研究工作：（1）复现现行火卫历表中的动力学模型：本文参照现行火卫历表（MARS097）模型构建了一个火卫二动力学模型。该模型包含的影响因素涵盖二体运动、火星非球形引力场、三体摄动效应、广义相对论修正项以及火卫二天平动效应等，并且本文就各因素对火卫二轨道运动的影响进行了定量评估。（2）建立火卫二动力学模型数据拟合的平差模型：本文基于精密定轨的理论框架，针对火卫二的轨道特性设计了相应的数据拟合的平差模型。计算了火星非球形引力、第三体摄动、潮汐耗散及相对论效应等摄动力对火卫二运动状态参数的偏导数解析式，实现了模型与数据的拟合。数值验证表明，拟合后该模型与MARS097数值历表的差异为米级。（3）建立火卫二自转-轨道耦合动力学模型：本文提出了一个新的火卫二动力学模型。该模型在现有理论基础上，完整构建了火星卫星在惯性空间中的自转动力学方程，充分考虑了自转运动与轨道动力学之间的耦合效应，形成了自转-轨道耦合的六自由度动力学模型体系。在数值计算方面，采用12阶ABM多步积分算法实现了长期稳定的同步积分，验证了模型的可靠性。同时，本文建立了包含自转与轨道耦合的变分方程，并将状态转移矩阵由位置与速度的6阶参量矩阵扩展为包含欧拉角及欧拉角速率的12阶状态参量矩阵，成功求解出耦合效应的表达式。拟合后新建模型10年积分结果与复现模型差异在50米。（4）新建模型在木星系统中的验证：本文将建立新模型的理论方法扩展至木星系统，成功实现了木卫四自转与轨道运动的耦合建模。从J2000.0历元开始，对动力学方程进行了为期十年的积分，最终结果显示与木卫四简单模型的差异不超过100米，验证了新建模型对天然卫星的广泛适用性。（5）新建模型的应用：本文应用新建模型研究了木卫四多层内部结构下的运动情况。我们详细分析了在多种主流内部结构假设下，木卫四轨道运动的差异，特别地，本研究将木卫四冰下海洋纳入模型考虑范畴。 通过以上的研究内容，我们提出了一种针对天然卫星的动力学模型建模方法，并且发展出了适应其动力学特征的平差模型，使动力学模型具备了数据拟合功能。结合未来深空探测活动中产生的高精度天然卫星实测数据，可生成我国高精度的天然卫星数值历表。 |
| 学科主题 | 天文学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 0 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/28967]  |
| 专题 | 云南天文台_应用天文研究组 |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 黄凯. 天然卫星自转与轨道耦合的动力学模型研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
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