基于二叉树的太阳系小天体数值历表建立方法-天文学报.PDF
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第卷第期 天 文 学 报
年月
基于二叉树的太阳系小天体数值历表
建立方法
胡寿村123 季江徽12
中国科学院紫金山天文台南京
中国科学院行星科学重点实验室南京
中国科学院大学北京
摘要 在小天体深空探测任务中 经常需要调用力模型较完备的精确小天体数值历
表 然而由于部分小天体可能有较大的轨道偏心率以及存在近距离飞越大行星的可能
导致传统的等区间分段切比雪夫多项式插值方法不适用于构建这些小天体的数值历
表 在传统方法基础上采用结合误差自适应的二分法对原始轨道进行分段 并采用二
叉树结构来组织所有的分段区间 能解决历表读取中的系数反查问题 以大偏心率近地
小行星 和 、大偏心率彗星 以及将近距离飞越地球
的 小行星为例 通过数值仿真证实了该算法的有效性 由于该方法没有对
小天体的轨道性质做任何要求 因此能够作为构建太阳系小天体数值历表的通用方法 可
应用于大量目标小天体的精确轨道设计中
关键词 天体力学 小行星 普通 方法 数值
中图分类号 文献标识码
引言
小天体探测是21世纪全球深空探测的热点, 欧美日目前都已经对部分小天体(包括
小行星、彗星和矮行星)展开过实质性的探测活动, 嫦娥二号也在2012年12月13 日近距
[1–3]
离飞越了4179 Toutatis小行星并取得重要的科学成果 . 目前新的小天体探测计划( 日
本的Hayabusa-2、美国的OSIRIS-REx任务)也在开展当中, 并且在2022年美国还将发射
两次小行星探测任务Lucy和Psyche, 分别去探测6颗木星特洛伊小行星以及金属型主带
小行星16 Psyche[45] .
在小天体精确任务轨道设计中, 需要计算小天体在完整力模型积分下的轨道. 此时
从效率和精度考虑, 可以对事先积分好的轨道做拟合或插值来获得高精度的光滑连续轨
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国家自然科学基金项目、、、航天系统装备部预研项
目、紫金山天文台小行星基金会资助
卷 天 文 学 报 期
道, 以计算任意时刻目标天体的坐标. 常用方法包括拉格朗日插值、Neville插值、切比
[67]
雪夫多项式拟合、样条插值等 , 其中切比雪夫多项式因具有较高的数值稳定性而被
[89]
广泛应用于构建自然天体和人造卫星的数值历表 .
目前已有多篇文献介绍了切比雪夫多项式用于构建大行星/月球和人造卫
星(如GPS卫星)数值历表的方法[10–12], 其核心思想是将轨道做等区间分段后用一定
阶数的切比雪夫多项式进行分段拟合, 并将每一段拟合的切比雪夫多项式系数保存下
来. 在调用历表时, 只需根据时间搜寻到对应的系数段后即可反演出该时刻天体的轨道.
然而与大行星/月球以及大部分人造卫星不同, 许多小天体的轨道偏心率较大, 且存在近
距离飞越大行星的可能, 使得轨道随时间的变化并不均匀. 图1给出了目前15630颗近地
小行星和924颗彗星轨道偏心率的分布, 分别有
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