[论文解读] Planetary and Lunar ephemerides, INPOP10A

A. Fienga, H. Manche+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2010

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 1被引用 9

一句话总结

INPOP10a 提供了改进的行星和月球星历解算，通过增强的数据覆盖范围和拟合技术，整合了新的航天器跟踪、甚长基线干涉测量（VLBI）和月球激光测距（LLR）数据。其行星轨道精度达到亚米级，月球激光测距的残差达到厘米级，与 INPOP08 相比，显著提升了地球、火星、水星和土星的外推稳定性和动力学一致性。

ABSTRACT

The Planetary and Lunar ephemerides INPOP10a version has several improvements in the fitting process, the data sets used in the fit and in the general features of the solution. No big change was brought in the dynamics. As a consequence of these changes, the extrapolation capabilities of INPOP10a are improved compared to INPOP08, especially for the Earth, Mars, Mercury and Saturn orbits. As for INPOP08, INPOP10a provides to the user, positions, velocities of the planets and the moon and TT-TDB chebychev polynomials at \url{http://www.imcce.fr/inpop}.

研究动机与目标

• 通过整合新的观测数据和优化的拟合程序，提高行星和月球星历的精度与外推能力。
• 通过在月球激光测距（LLR）模型中对超过180个参数进行约束拟合，减少行星质量与月球重力场参数的不确定性。
• 通过建模24,635颗小行星的平均与个体摄动，改进小行星摄动的表示，并基于独立估计固定其中15个质量。
• 通过整合信使号（MESSENGER）、卡西尼号（Cassini）、火星勘测轨道飞行器（MEX）、火星快车号（VEX）以及先驱者号/海盗号任务的新飞越与测距数据，改进内太阳系与外太阳系行星的动力学。
• 利用高精度月球激光测距观测与偏差校正，优化地球与月球重力场系数及潮汐参数。

提出的方法

• 将天文单位（AU）固定为 IERS2003 规范，并基于观测数据拟合太阳引力参数（GM）。
• 采用带密度约束的 BVLS 算法拟合146个小行星的 GM 值，同时基于 Baer（2010）的独立估计固定其中15个质量。
• 整合了56%的行星数据来自航天器跟踪，包括距离、VLBI角位置和飞越法向点数据，增强了动力学约束。
• 使用切比雪夫多项式表示 TT-TDB 时间尺度及星历位置/速度，以实现高效插值与高精度输出。
• 在月球激光测距（LLR）模型中拟合59个关键参数，包括地球与月球重力系数、潮汐时间延迟与 Love 数，其形式误差低于拟合值的5%。
• 将近期月球激光测距观测权重按时间段划分（例如，Cerga 在1995年前后、MLRS1 在1985年前后），以考虑仪器变化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 新航天器跟踪数据的引入在多大程度上提升了行星星历的精度与外推能力？
• RQ2 改进的小行星建模与质量约束在多大程度上减少了行星轨道解算的不确定性？
• RQ3 高精度月球激光测距数据对地球与月球重力场及潮汐参数估计有何影响？
• RQ4 外行星与冥王星的更新 VLBI 与光学天体测量数据在多大程度上优化了遥远太阳系天体的星历？
• RQ5 INPOP10a 中的新拟合程序是否能降低残差并相比 INPOP08 提升长期稳定性？

主要发现

• 水星的后验残差在赤经方向改善至1.5 毫角秒，在赤纬方向为2.5 毫角秒，信使号飞越数据的距离精度达5米，相比以往雷达测距提升了5倍。
• 整合卡西尼号（2007–2009.5）的 VLBI 观测以及火星勘测轨道飞行器（MEX）与火星快车号（VEX）的改进跟踪数据，显著提升了火星与土星星历的精度，尤其在外推阶段表现更优。
• 1969年至2010年间的月球激光测距数据（包括阿波罗与 Cerga 的新观测）实现了厘米级精度，拟合月球重力系数（如 C20M）的形式误差为 2.8×10⁻⁸。
• 拟合得到的地球 J2 系数（C20E）为 −1.0826282367×10⁻³，形式误差为 ±1.1×10⁻⁹，与 EGM96 一致，但通过 LLR 数据得到进一步优化。
• 月球 Love 数 k₂M 拟合结果为 2.6248414243×10⁻²，形式误差为 ±1.7×10⁻⁴，表明潮汐响应建模得到显著改进。
• 外推测试表明，INPOP10a 在长期外推中残差低于 INPOP08，尤其在 MEX 与 VEX 任务中，6个月预测窗口内的残差始终低于10厘米。