[论文解读] Gravity Estimation at Small Bodies via Optical Tracking of Hopping Artificial Probes

Jacopo Villa, Andrew S. French+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2022

Astro and Planetary Science被引用 5

一句话总结

本文提出一种新颖的探测器任务架构，利用光学跟踪的跳跃探测器对小天体（如小行星Bennu）的重力场进行高分辨率估计。通过高频率光学跟踪低空亚轨道跳跃，该方法可在数月内实现高达40阶的重力场恢复——相比传统航天器跟踪方法，精度提升三个数量级，前提是测量精度和频率足够高。

ABSTRACT

Despite numerous successful missions to small celestial bodies, the gravity field of such targets has been poorly characterized so far. Gravity estimates can be used to infer the internal structure and composition of small bodies and, as such, have strong implications in the fields of planetary science, planetary defense, and in-situ resource utilization. Current gravimetry techniques at small bodies mostly rely on tracking the spacecraft orbital motion, where the gravity observability is low. To date, only lower-degree and order spherical harmonics of small-body gravity fields could be resolved. In this paper, we evaluate gravimetry performance for a novel mission architecture where artificial probes repeatedly hop across the surface of the small body and perform low-altitude, suborbital arcs. Such probes are tracked using optical measurements from the mothership's onboard camera and orbit determination is performed to estimate the probe trajectories, the small body's rotational kinematics, and the gravity field. The suborbital motion of the probes provides dense observations at low altitude, where the gravity signal is stronger. We assess the impact of observation parameters and mission duration on gravity observability. Results suggest that the gravitational spherical harmonics of a small body with the same mass as the asteroid Bennu, can be observed at least up to degree 40 within months of observations. Measurement precision and frequency are key to achieve high-performance gravimetry.

研究动机与目标

• 解决尽管已有大量行星探测任务，小天体重力场仍缺乏充分表征的问题。
• 克服当前重力测量技术的局限性，这些技术依赖于航天器跟踪，仅能解析低阶球谐系数。
• 通过部署执行重复低空亚轨道跳跃的探测器，提升重力场可观测性。
• 通过增强的重力测量实现高分辨率内部结构推断，服务于行星科学、行星防御及地外资源利用。
• 在真实任务约束条件下评估该新架构的性能，包括测量频率、精度以及探测器的光度特性。

提出的方法

• 模拟类似OSIRIS-REx的任务架构，由母船通过光学测量跟踪跳跃探测器。
• 使用双体动力学框架建模探测器的亚轨道轨迹，并考虑小天体重力场引起的摄动。
• 利用光学测量进行轨道确定，以估计探测器轨迹、小天体自转参数及重力场系数。
• 采用最高至40阶的球谐重力场模型，通过最小二乘法从跟踪数据中估计系数。
• 建立光学跟踪的测量模型，包括距离、距离率及指向误差，并评估其对重力可观测性的影响。
• 利用信噪比（SNR）分析评估不同观测场景与测量配置下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统航天器跟踪相比，光学跟踪跳跃探测器是否能实现小天体更高分辨率的重力场估计？
• RQ2 测量频率与精度如何影响重力场最大可观测阶数？
• RQ3 增加测距与距离率测量对重力估计性能有何影响？
• RQ4 重力测量性能对轨道参数（如跳跃速度、远近点高度与偏心率）的敏感性如何？
• RQ5 探测器的光度特性与自主星载检测能力在多大程度上影响重力场可观测性？

主要发现

• 所提方法可在数月观测内恢复小天体重力场至40阶，显著优于传统航天器跟踪方法。
• 高测量频率与探测器良好的光度特性是实现高性能重力测量的关键。
• 增加测距与距离率测量可使南向谐系数的可观测阶数从基准值约50提升至70，表明性能有显著提升。
• 降低测量频率或提高测量不确定性将导致最大可观测谐波阶数分别降至25以下或30以下。
• 重力测量性能对随机指向误差相对不敏感，在误差增加一个数量级时仍保持稳定。
• 跳跃速度与远近点高度等轨道参数对多数弧段的信息增益影响有限，尤其对高阶重力项而言。