Joint Orbit Determination and Positioning Methods for Lunar Relay Satellites and Lander Probes

CAO Jianfeng; HOU Xiyun; WANG Peng; MAN Haijun; ZHENG Qingbiao; LIU Shanhong

doi:10.13203/j.whugis20250028

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Joint Orbit Determination and Positioning Methods for Lunar Relay Satellites and Lander Probes

Geodesy and Survey Engineering | 更新时间：2026-11-05

- Joint Orbit Determination and Positioning Methods for Lunar Relay Satellites and Lander Probes
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 51, Issue 6, Pages: 1110-1117(2026)
- 作者机构：
  
  1.航天飞行动力学技术重点实验室，北京，100094
  2.北京航天飞行控制中心，北京，100094
  3.南京大学天文与空间科学学院，江苏南京，210023
  4.航天东方红卫星有限公司，北京，100089
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20250028
  CLC： P228
- Received：08 May 2025，
  
  Published：05 June 2026
- 稿件说明：
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曹建峰,侯锡云,王鹏，等.月球中继星与着陆探测器联合定轨与定位方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(6):1110-1117.

CAO Jianfeng,HOU Xiyun,WANG Peng,et al.Joint Orbit Determination and Positioning Methods for Lunar Relay Satellites and Lander Probes[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(6):1110-1117.
曹建峰,侯锡云,王鹏，等.月球中继星与着陆探测器联合定轨与定位方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(6):1110-1117. DOI：10.13203/j.whugis20250028

CAO Jianfeng,HOU Xiyun,WANG Peng,et al.Joint Orbit Determination and Positioning Methods for Lunar Relay Satellites and Lander Probes[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(6):1110-1117. DOI：10.13203/j.whugis20250028

摘要

针对传统深空网测量在着陆器定位解算中存在的系统误差与坐标强耦合问题，探讨了一种月球中继星与着陆探测器联合定轨与定位的新方法。首先，详细阐述了四程中继测量数据在联合定轨与定位中的应用理论，并分析其提升精度的潜力；然后，提出一种融合局部与全局参数的优化方案，该方案通过有效整合长期观测数据，实现了待估参数的整体最优估计；最后，通过仿真实验对比分析了独立观测与交替观测模式下的定轨效果。结果显示，交替观测模式能显著提高定轨与定位的准确性。此外，还发现不同着陆区域对定轨及定位效果存在差异化影响，为未来深空探测任务提供了重要参考。

Abstract

Objectives

Aiming at significant systematic errors and serious coordinate coupling in the traditional deep-space network measurement for lunar lander positioning

a joint orbit determination and positioning method for lunar relay satellites and lunar probes is proposed. Based on four-way relay measurement

the proposed method fuses local and global parameters

thereby breaking the accuracy bottleneck of lunar positioning.

Methods

We elaborate the application principle of four-way relay measurement data in joint orbit determination and positioning

and quantitatively analyze its potential in improving positioning accuracy. A local-global parameter fusion optimization scheme is constructed to make full use of long-term observation data and realize the global optimal estimation of parameters to be solved. Simulation tests are designed to compare the orbit determination and positioning performance of lunar landers under independent and alternating observation modes. Moreover

the observation geometry and tracking arc differences caused by different landing areas are analyzed.

Results

Four-way relay measurement effectively suppresses system errors and coordinate coupling existing in traditional ground-based ranging. The local-global parameter fusion strategy improves the utilization efficiency of observation data and speeds up parameter convergence. Alternating observation mode significantly improves the accuracy of relay satellite orbit determination and lander positioning compared with independent observation. Different landing regions lead to different observation geometries

which bring measurable differences in final orbit determination and positioning accuracy. With the increase of observation arc segments

lander positioning accuracy gradually stabilizes at the meter level.

Conclusions

The proposed joint orbit determination and positioning method provides an effective technical solution for high-precision orbit control and precise landing positioning of lunar probes. Four-way relay measurement and alternating observation mode optimize observation geometry and shorten the parameter convergence period. Regional differences among landing sites should be fully considered in mission design. This method can be extended to more complex deep-space exploration scenarios

and supports the construction of high-precision lunar telemetry

tracking and command networks and fine-scale lunar surface positioning.

关键词

Keywords

references

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