分析火星卫星可见性

X射线脉冲星导航系统利用火星视场角和火星卫星的方向矢量作为附加观测，则火星卫星可见性的不能忽视［139-140］。对于视场角观测，仅考虑了火星本身的遮挡，未考虑火星处于太阳阴影区及太阳逆光的影响。火星卫星在两种不同情况下的可见性几何位置如图7.2所示。

图7.2　火星卫星可见性的几何示意图

图7.2中S为火星探测器重心；RM是火星半径；P是火星边缘的切点；α为OS和OP之间的夹角；β1为OS和OD1之间的夹角，β2为OS和OD2之间的夹角；OD1和OD2分别为火星卫星的位置向量，可由星历表准确计算。

火卫一的可见条件与火卫二相同，因此这里只讨论火卫二可见性。

由此可见，火卫一和火卫二的可见性是通过比较火星视场角与火星卫星和探测器之间的矢量夹角来确定的。当矢量夹角在视场角范围之内时，火星卫星是可见，反之同理。同时还可以发现火星卫星的可见性由火星半径、火星卫星和探测器轨道高度共同来确定，探测器轨道越高，火星卫星可见概率越大。

基于以上可见性条件，为直观观察各个因素对火星卫星可见性的影响，使用STK软件对可见性问题进行仿真。实验中，选用的两个轨道分别为美国NASA于1996年12月4日发射的火星探路者号（Mars Pathfinder，MPF）的轨道和一个半长轴大于火星探路者轨道半长轴的测试卫星轨道（Test Satellite）。各轨道参数如表7.1所示。

表7.1　火星卫星及火星探测器瞬时轨道参数

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火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos）的可见性仿真结果如图7.3和图7.4所示。图中水平坐标轴表示仿真时间从2009年10月1日0∶00∶00（UTCG）到2009年10月4日0∶00∶00（UTCG）。实线表示火卫一或者火卫二对于火星探路者或者测试卫星是可见的，箭头指出的空间表示火卫一或者火卫二对于火星探路者或者用户卫星是不可见的。

图7.3　火卫一和火卫二在MPF轨道上的可见性

图7.4　火卫一和火卫二在测试卫星轨道上的可见性

火卫一和火卫二的可见时间百分比如表7.2所示。

表7.2　火卫一和火卫二可见时间比

从表7.2可见，在较高轨道上运行的测试卫星能够观测到火卫一火卫二的时间长于在较低轨道上的火星探路者号。对于高轨道探测器，绝大多数时间内，火卫一火卫二都是可见的。轨道高度越高，卫星可见时间越长，即对火星卫星的观测能力越强。对于低轨航天器，火星两个卫星同时不可见的时间仅占到5%。由此可以看出，本章所提的使用火星卫星的视场角及方向矢量信息来增强X射线脉冲星导航的方法是可行的。