不规则形状小天体重力位的蒙特卡洛估算方法及其应用

张丽丹; 钟振; 杨珍

doi:10.13203/j.whugis20240415

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不规则形状小天体重力位的蒙特卡洛估算方法及其应用

大地测量学与测量工程 | 更新时间：2026-11-05

- 不规则形状小天体重力位的蒙特卡洛估算方法及其应用
- Monte Carlo Estimation of Gravity Potential for Irregularly Shaped Small Bodies and Its Applications
- 武汉大学学报（信息科学版） 2026年51卷第7期页码：1395-1403
- 作者机构：
  
  贵州师范大学物理与电子科学学院，贵州贵阳，550025
- 作者简介：
  
  张丽丹，硕士，研究方向为岩石质小天体内部结构与重力位。ldzhang1563@gznu.edu.cn
  钟振，博士，教授。zzhong@gznu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(42030110;42364001)
- DOI：10.13203/j.whugis20240415
  中图分类号： P223
- 收稿：2025-04-27，
  
  纸质出版：2026-07-05
- 稿件说明：
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张丽丹,钟振,杨珍.不规则形状小天体重力位的蒙特卡洛估算方法及其应用[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(7):1395-1403.

ZHANG Lidan,ZHONG Zhen,YANG Zhen.Monte Carlo Estimation of Gravity Potential for Irregularly Shaped Small Bodies and Its Applications[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(7):1395-1403.
张丽丹,钟振,杨珍.不规则形状小天体重力位的蒙特卡洛估算方法及其应用[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(7):1395-1403. DOI：10.13203/j.whugis20240415

ZHANG Lidan,ZHONG Zhen,YANG Zhen.Monte Carlo Estimation of Gravity Potential for Irregularly Shaped Small Bodies and Its Applications[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(7):1395-1403. DOI：10.13203/j.whugis20240415

摘要

随着小行星探测任务不断推进，不规则外表形状对重力位估算的影响较大，常用的多面体算法复杂度较高，不利于算法设计。针对不规则外表形状小天体重力位估算的问题，提出蒙特卡洛积分的重力位算法，以降低重力位估算的复杂度，促进相关理论研究和工程任务的开展。结果表明，蒙特卡洛算法与多面体算法在模型重力位估算中具有良好的一致性，所提算法具有一定的合理性。球谐算法在重力位估算方面具有极高的计算效率，但因数据转换和有限外表形状数据无法准确表征小天体形状而产生不可避免的偏差，该算法不太适合于不规则形状小天体重力位的估算；Phobos和彗星67P重力位估算结果进一步显示蒙特卡洛算法与多面体算法具有较好的一致性，再次表明蒙特卡洛算法具有一定的合理性，其因极大地降低重力位估算的复杂度更具适用性。将蒙特卡洛算法应用于Psyche重力位估算，发现Psyche赤道和两极地区的重力异常存在明显的带状分布。Psyche重力异常分布的差异性表明，类似小天体的扁率摄动可能是环绕探测器轨道确定的重要因素，类似小天体的着陆采样任务在极区开展有助于降低燃料消耗。鉴于蒙特卡洛算法的良好表现及低复杂度，可广泛应用于不规则形状小天体重力异常估算，为类似理论研究和工程应用提供一定的参考。

Abstract

Objectives

The irregular geometry of small celestial bodies significantly affects gravity potential estimation. However

the commonly used polyhedral model (PM) suffers from high computational complexity

which limits its application to theoretical research and engineering practice.

Methods

To address this issue

a gravity potential estimation method based on Monte Carlo (MC) integration is proposed for irregularly shaped small celestial bodies. The proposed method aims to reduce computational complexity while maintaining estimation accuracy.

Results

The proposed MC method shows good agreement with the PM in gravity potential estimation

demonstrating its effectiveness. In contrast

although the spherical harmonic method is computationally efficient

it is less suitable for irregularly shaped small celestial bodies because data transformation and the limited capability of spherical harmonic expansion to represent irregular geometries inevitably introduce estimation errors. The gravity potential estimation results for Phobos and Comet 67P further demonstrate the reliability of the proposed method. Compared with the PM

the MC method substantially reduces computational complexity while maintaining comparable estimation accuracy. Application of the proposed method to Psyche reveals a distinct zonal distribution of gravity anomalies between the equatorial and polar regions. The results indicate that oblateness-induced perturbations may significantly affect the orbit determination of orbiting spacecraft. In addition

conducting landing and sampling missions in the polar regions of similar small celestial bodies may help reduce fuel consumption.

Conclusions

The proposed MC method provides reliable gravity potential estimation with low computational complexity and is well suited for gravity potential and gravity anomaly estimation of irregularly shaped small celestial bodies. It provides technical support for related theoretical research and future exploration missions.

关键词

Keywords

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