[论文解读] Improvement of the planetary ephemerides using spacecraft navigation data and its application to fundamental physics

Ashok Kumar Verma|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2014

Scientific Research and Discoveries参考文献 91被引用 4

一句话总结

本论文通过直接分析原始航天器导航数据（特别是火星全球勘探者号和信使号的数据），利用法国空间局GINS软件，绕过空间机构提供的处理数据，改进了行星历表。由此生成的INPOP13a历表使水星历表精度提升了100倍（残差为0.4 ± 8.4米），实现了迄今为止最严格的广义相对论检验，通过PPN参数β和γ进行检验，其不确定性比以往结果小了十倍。

ABSTRACT

The planetary ephemerides play a crucial role for spacecraft navigation, mission planning, reduction and analysis of the most precise astronomical observations. The construction of such ephemerides is highly constrained by the tracking observations, in particular range, of the space probes collected by the tracking stations on the Earth. The present planetary ephemerides (DE, INPOP, EPM) are mainly based on such observations. However, the data used by the planetary ephemerides are not the direct raw tracking data, but measurements deduced after the analysis of raw data made by the space agencies and the access to such processed measurements remains difficult in terms of availability. The first part of the study deals with the analysis of the Mars Global Surveyor (MGS) tracking data. The tracking observations containing one-, two-, and three-way Doppler and two-way range are then used to reconstruct MGS orbit precisely. As a supplementary exploitation of MGS, we derived the solar corona model and estimated the average electron density along the line of sight separately for slow and fast wind regions. Fitting the planetary ephemerides, including additional data which were corrected for the solar corona perturbations, noticeably improves the extrapolation capability of the planetary ephemerides and the estimation of the asteroid masses (Verma et al., 2013). The second part of the thesis deals with the complete analysis of the MESSENGER tracking data. This analysis improved the Mercury ephemeris up to two order of magnitude compared to any latest ephemerides. Such high precision ephemeris, INPOP13a, is then used to perform general relativity tests of PPN-formalism. Our estimations of PPN parameters (? and ) are the most stringent than previous results (Verma et al., 2014).

研究动机与目标

• 通过独立分析过去和当前深空任务的原始测距科学数据，减少对空间机构处理数据的依赖，以提升行星历表精度。
• 通过整合信使号任务的高精度跟踪数据，提升水星历表的精度。
• 利用改进后的历表，在PPN形式化框架内对广义相对论进行严格检验。
• 开发适用于未来行星任务（包括贝皮科洛姆博任务）的稳健数据分析工具。
• 对无线电信号在太阳日冕等离子体中的延迟效应进行建模与校正，以提升历表精度与外推能力。

提出的方法

• 使用法国空间局GINS软件进行轨道确定与跟踪数据处理，实现对火星全球勘探者号与信使号原始多普勒与距离测量数据的独立分析。
• 应用迭代数据调整技术，将多普勒数据的后验残差最小化至(−0.00063 ± 4.8 mHz)，双程距离数据最小化至(−0.003 ± 1.5 m)。
• 通过MGS、MEX和VEX数据，分别估算慢速与快速太阳风区域的日冕电子密度剖面，以校正太阳日冕等离子体延迟。
• 将校正后的跟踪数据整合进行星历表解算中，构建INPOP13a历表，使水星历表精度提升两个数量级。
• 通过在替代历表中对β和γ参数引入5%、10%、25%的小幅扰动，并与INPOP13a的残差进行比较，开展PPN参数检验。
• 通过与卡西尼任务数据及先前研究结果对比，验证了结果的一致性与更高的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与机构处理的数据相比，对原始航天器跟踪数据的直接分析是否能显著提升行星历表的精度？
• RQ2 校正太阳日冕等离子体效应在多大程度上能提升行星历表的外推能力与质量参数估计精度？
• RQ3 利用信使号的高精度跟踪数据，水星历表的精度可提升多少？
• RQ4 借助改进的INPOP13a历表，可获得的PPN参数β和γ的最紧约束是什么？
• RQ5 尽管数据质量较低，过去任务（如水手10号）的数据在长期PPN参数敏感性分析中起到何种作用？”

主要发现

• INPOP13a历表在地心坐标系下水星残差为0.4 ± 8.4米（不包括太阳日冕期间），相比以往历表如INPOP10e（21 ± 187米）和DE423（15 ± 105米）提升了两个数量级。
• MGS跟踪数据的后验残差为多普勒(−0.00063 ± 4.8 mHz)，双程距离(−0.003 ± 1.5 m)，与其它研究结果的精度一致。
• 基于MGS数据估算的太阳日冕电子密度与文献值一致，验证了等离子体校正模型的有效性。
• INPOP13a得出的PPN参数约束不确定性比使用INPOP10a或INPOP08的以往结果至少小十倍，5%与10%的变化均未表现出不对称性。
• 25%变化的残差结果与卡西尼测量值（Bertotti et al., 2003）一致，证实与广义相对论相符。
• 尽管数据质量较低，水手10号数据在捕捉PPN参数估计中的长期效应方面至关重要，凸显了档案数据的价值。