来源：《中国空间科学技术（中英文）》2025年第6期

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曹建峰，黄勇，满海钧,等.时空参考系对地月观测建模与应用的影响[J].中国空间科学技术（中英文）,2025,45(6):62-70.
CAO J F,HUANG Y,MAN H J,et al.Comprehensive impact of space-time reference frames on cis-lunar observation modeling and practical applications[J].Chinese Space Science and Technology,2025,45(6):62-70(in Chinese).

一、文章导读
1.研究背景
人类太空活动主要聚焦于近地轨道，随着航天技术的迅速进步，地月空间正成为未来空间探索的关键领域。建立地月通信导航系统被视为支持未来地月空间活动的重要基础设施，预期将显著提升该地区的通信、导航与探测能力。

轨道测定是地月空间探索的基础技术之一，高精度的时空参考系应用为其核心组成部分。当前，近地探测器普遍使用地球质心天球参考系（GCRS），而环月探测器则采用以月球为中心的月心天球参考系（即BCRS的中心被平移至月球中心）。对于地月转移轨道，根据月球引力作用范围的变化，采取不同的参考系：在地球引力为主导的区域使用GCRS，在月球引力影响范围内则采用BCRS。在探月工程启动之初，测量控制系统即着手组织月球探测时空参考规范的制定工作。该规范明确了相应的时间与坐标系统，并提供了关键的转换关系，以确保其适用于中国月球探测任务的系统设计与执行阶段。此规范专为探月工程的实施而制定，旨在为各任务参与单位提供明确的指导。然而，需要注意的是，该规范并未详细阐述不同时空参考系的适用范围，也未说明混用这些参考系可能引入的误差。在近地空间，地心天球参考系的使用是明确的；而在近月空间，则采用月心天球参考系。然而，关于这两个参考系临界区间的具体范围，目前尚无严格规定。过去，地月转移轨道主要用于实现探测器在地球与月球之间的转移，对轨道测定精度的要求较低，因此不同参考系的应用并未在测控系统中受到特别重视。

随着地月空间开发活动的不断深入，高精度导航与定位的需求持续增长，原有的地月转移轨道百米级定位精度已无法满足当前需求。国际天文联合会（IAU）虽已提供地球5万千米范围内的高精度时空转换关系，但针对更远距离的应用方法及潜在误差分析尚未给出。因此，明确时空参考系的有效适用范围，并从理论或数值分析角度评估不同参考系对高精度应用的具体影响，对于推动地月空间探索活动具有重要意义。文献［10-11］根据发展需求，构建了地月空间时空基准架构。针对地球与月球区域之外的地月空间特性，提出了基于地月平动点的天基时空基准构建、溯源及传递方案，以支持地月空间统一的时空基准信息服务实现。

本文回顾GCRS与BCRS之间的转换应用关系，通过不同观测类型在两个时空参考系下的高精度建模算法的实现，以近地探测器、地月平动点及环月探测器作为具体案例，量化评估了采用不同参考系进行观测建模与轨道确定分析时产生的差异。系统量化分析并对比了地心天球参考系（GCRS）与质心天球参考系（BCRS）在地月空间探索中对高精度轨道确定的影响，揭示不同参考系下观测建模的具体差异及其对轨道确定精度的细微影响，为高精度地月空间时空基准的构建与维护提供了科学依据。

2.文章梗概
对地月空间探索中时空参考系的高精度应用需求进行研究，量化评估不同时空参考系对地月空间目标轨道确定的影响，为地月空间高精度导航应用提供支持。选取地月空间中的典型轨道作为量化评估对象，构建比对策略，旨在分析时空参考系对其产生的影响。对地月空间内不同时空参考系间的理论差异进行了系统梳理，特别关注了地心天球参考系（GCRS）与质心天球参考系（BCRS）框架下，各类观测数据类型在观测建模上的差异。采用仿真手段，探究了这两种时空参考系对地月空间目标轨道确定所产生影响的具体量级。结果显示，在不同时空参考系下，地基测距与时延的建模差异小于4cm，测速差异小于0.5mm/s。定轨偏差的影响保持在1m以内，星间双向链路建模差异在厘米量级，但单向链路建模差异可达10m。对于要求达到10m级的地月空间目标轨道测定任务，GCRS的应用已足够满足需求。然而，若须实现更高精度的轨道确定，特别是在构建高精度的地月空间时空基准与维持，以及使用星间单向链路数据时，采用BCRS参考系将更为适宜。

3.总结与展望
本文在GCRS与BCRS相对论框架的理论基础上，探讨了不同时空参考系下各类观测模型的影响。需要注意的是，观测数据在相对论框架下并非严格意义上的标量。论文基于工程应用的实际需求，采用数值计算方法进行量化对比分析，旨在为后续工程实践中时空参考系的选用提供数据支撑。通过对时空参考系转换中的时间转换与坐标转换进行了深入对比分析，通过模拟地月空间内不同轨道航天器的理论观测数据，进行了详尽的计算比对。研究结果显示，在测距建模方面，差异被控制在0.4m以内；测速建模的偏差保持在0.05cm/s以下；同时，时延建模的精度达到了0.2m以内的水平，基于双向链路数据的定轨差异小于2m。这些结果表明，在处理当前地月空间内，针对十米级及以上偏差的非合作目标轨道解算时，采用GCRS已能满足基本要求，此结论通过定轨仿真分析得到了有效验证。

对于追求更高精度要求的地月通信与导航应用领域而言，当前达到的精度水平仍有提升空间，主要差距是时间系统的转换，尤其是地月空间TT与TDB的相互转换。鉴于此，未来的研究需聚焦于进一步优化相关算法模型，以实现整体导航定位精度的提升，从而更好地支撑高精度地月空间探索的持续发展。

二、作者简介
曹建峰，博士，北京航天飞行控制中心副研究员，研究方向为航天器精密定轨及其科学应用。

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