嫦娥三号探测器DOR信号本地相关处理与定轨验证

嫦娥三号(CE-3)探测器在我国首次正式使用了X波段差分单向测距(DOR)信号,未来深空探测器将沿用这一信标体制.本文针对DOR信号特点研究了不同于常规VLBI信号处理的本地相关处理方法,并用于CE-3环月段DOR信号的干涉处理.经过带宽综合、射电源校正,获得了高精度较差差分单向测距(Delta-DOR)时延,并成功将测量结果用于探测器定轨.本地相关获得的DOR信号的相位噪声明显小于现有相关处理机,定轨获得的星历与工程中的精密星历差异约为20m,等效时延残差约0.4ns.相比于常规的VLBI信号相关处理机,本地相关更适合于弱信号的处理,可以用于我国未来月球与深空探测项目.     

上海和乌鲁木齐射电望远镜的超高精度同波束VLBI观测

上海天文台和国家天文台乌鲁木齐天文站的25米射电望远镜于2008年参加了日本月球卫星SELENE的两个子卫星Rstar和Vstar的同波束较差VLBI观测. 当Rstar和Vstar的角距小于0.1°时, 上海-乌鲁木齐基线的X频段的较差相位时延的测量残差为0.15 mm·rms, 比现有VLBI的最小残差改善了1~2个量级. 当Rstar和Vstar的角距小于0.56°时, 也成功得到S频段的较差相位时延, 其测量残差为毫米级. 利用VLBI和多普勒及测距数据, Rstar和Vstar的定轨精度提高到了数米. 超高精度的同波束较差VLBI技术将极大地提高我国的深空探测器的精密测定轨能力, 并将被用于我国首个火星探测器“萤火一号”（YH-1）和俄罗斯的“福布斯”探测器（Phobos-grunt）的精密测定轨中.     

深空探测用数字开环多普勒技术初步研制及其在嫦娥一号探测任务中的应用

基于数字无线电技术, 开发了用于卫星视线方向速度测量的无线电开环多普勒测量方法和技术原理样机. 并在嫦娥一号卫星测轨任务中进行了观测试验, 利用卫星转发的S波段载波信号进行开环多普勒测量. 结果显示, 在1 s积分情况下, 嫦娥一号卫星的开环多普勒测量精度RMS达到3 mm/s（1σ）, 这已经与目前使用的USB （Unified S-Band, 统一S波段）测速数据的精度水平相当. 这个测量精度主要受制于上行站原子钟的短期稳定度. 进一步通过两站开环差分测量的办法, 可以有效地消除信号发射时的原子钟频率漂移和不稳定性, 使得测量精度RMS提高到1 mm/s （1σ）. 开环多普勒数据和差分数据已经开始尝试用于嫦娥一号卫星的定轨, 数据的精度评估和科学应用也将逐步展开. 这项技术的研制成功将对我国未来深空探测有重要的意义.     

嫦娥五号探测器精细开环测速及空间引力红移验证设计分析

嫦娥五号(CE-5)任务具有天地联合的优势测控资源,为地基无线电测量新方法验证、工程应用与科学研究提供了优越条件.本文重点开展CE-5探测器开环测速精细提取及应用.首先,提出了基于信号重构互相关的开环测速多普勒频率提取算法,建立了从信号输入、信号处理到观测量输出的完整实现步骤;然后,基于中国深空网开展了CE-5轨道器开环测速试验,经信号处理分析结果表明:CE-5轨道器开环测速精度达到2–3 mHz水平,优于深空站基带测速精度3–4倍;其次,通过CE-5轨道器精密定轨,有效验证开环测速观测量应用效果,结果表明:开环测速的定轨残差为0.12 mm/s,基带测速的定轨残差为0.46 mm/s;最后,提出了基于深空探测器的多体问题引力红移验证方法,从理论上分析了高精度开环测速在引力红移验证方面潜在应用可行性,初步设计了引力红移验证设想方案,以现有CE-5轨道器开环测速结果为依据,建议开展引力红移验证专项试验,有望实现10^-4–10^-5水平的引力红移验证精度.     

火星探测器跟踪及VLBI测定轨分析

我国将于2020年首次发射由轨道器和火星车组成的火星探测器.火星探测器的跟踪及精密测定轨是完成工程任务和科学探测的前提.本文首先分析了火星探测器跟踪技术.然后在简述好奇号火星车VLBI观测频度和测定轨精度的基础上,以2020年7月发射的火星探测器为例,给出了深空机动、近火制动、平面机动、降轨前等关键测控弧段的太阳等离子体时延、各测站观测仰角等参数.分析了我国VLBI网对火星探测器的测定轨能力以及关键弧段的测定轨精度.用5 d的测距测速数据、测速测距+VLBI数据分别进行定轨并预报2 d至近火制动点,三维定轨误差(1σ,下同)由只用测速测距时的45.7 km降至18.8 km,近火点高度预报误差由28.2 km降至7.6 km,体现了VLBI在近火制动等关键测控弧段对定轨和轨道预报精度提高的贡献.在测距、测速和VLBI时延测量误差降低后,近火制动段定轨和预报误差会进一步降低.     

基于同波束VLBI测量的月球交会对接轨道确定

我国探月工程三期"嫦娥五号"月球探测器(CE-5)将实现月球采样返回探测,月球交会对接是CE-5工程中的关键技术,CE-5任务中将采用地基无线电测距测速技术联合同波束VLBI测量技术实现对轨道器和上升器的联合测定轨,以支持月球交会对接过程特别是远程导引阶段的多探测器测控.本文分析了同波束VLBI测量数据在多探测器定轨中的应用,利用仿真数据分析了月球交会对接远程导引段的轨道器和上升器定轨精度,特别是两器间的相对定轨精度.选取的长弧和短弧定轨典型算例分析表明,利用10 ps精度的同波束VLBI数据,联合测距数据对轨道器和上升器定轨,可以达到1 m的相对定轨精度.     

深空探测器VLBI成图技术研究

VLBI天线阵通过交替观测深空探测器与邻近河外射电参考源,所获数据经过相关处理后可进行相位参考成图,获得深空探测器图像.图像中心的位置对应着探测器与位置精确已知的参考源的相对位置,可用于探测器的高精度定位.但VLBI是一种稀疏干涉阵列阵,其成图原理不同于光学成像.本文研究了深空探测器VLBI成图技术,包括目标脏图重建和去卷积图像恢复算法,编写了专门的成图软件ProbeMap.利用该软件,中国VLBI网数据中心完成了对嫦娥三号和火星快车的实测数据成图处理.比对结果验证了本文成图方法的正确性.未来该技术可用于我国月球与深空探测器的高精度成图定位.     

同波束VLBI在采样返回式多目标探测器精密测轨测位中的应用

同波束VLBI即用射电望远镜的主波束同时观测角距很小的两个探测器发出的巧妙配置的多频点信标,据此得到两探测器在两个测站间的误差为皮秒量级的差分相位时延．在月球卫星SELENE的两个小卫星Rstar和Vstar的测定轨中,利用40多分钟的同波束VLBI和测速测距数据数小时的短弧定轨精度已显著提高,而一年多的定轨结果表明弧长数天的长弧定轨精度已达10m左右,充分证明了同波束VLBI在多目标卫星精密测定轨中的作用．本文在介绍SELENE同波束VLBI观测、多普勒数据处理和定轨结果的基础上,以用于月球采样返回探测任务中的多目标探测器如轨道器、着陆器和返回器为例,给出各探测器搭载电波源的信标设计方案及设计原则,并分析S频段多频点同波束VLBI技术在轨道器和着陆器绕月飞行、着陆器月球软着陆、着陆器月球采样、返回器从月面上升、返回器多次变轨、特别是轨道器和返回器交会对接等各个测控段的高精度测定轨或测定位及月球重力场探测中的应用．     

深空探测对我国地面测控站升级的需求?

我国近年建成的深空测控网可以对未来的火星探测任务和其他深空探测任务实现自主测量和控制,并且同时具备对深空探测器的微波测速测距和VLBI测量能力.遥远深空探测任务加大了微波信号在星-地链路之间的往返传输时间,改变了测控链路信号的上、下行路线几何构型,导致同一个天线系统难以对探测器同步完成上、下行链路的业务,是对目前地面测控通信能力的挑战.本文以典型的火星探测为例,分析了深空探测器的微波闭环跟踪测控对我国深空测控系统单站设备的升级需求,并对深空站相应的改造提出了建议:1)单站单一天线上、下行时分交替测控模式;2)利用设置了单一天线的多个深空测控站协同三程开环链路测控,实现对探测器的控制和遥测;3)采用DSN/JPL/NASA的方案,在每个深空测控站配置多套天线系统,全部天线共用台站时频资源实现单站闭环上、下行实时连续测控.     

基于地基测量数据的地月L2点探测器轨道确定

CE-5T1是探月工程三期的先导探测器,主要用于验证嫦娥五号(CE-5)飞行过程和再入返回技术,为CE-5任务的顺利实施奠定基础.CE-5T1在执行完主任务之后,又飞向了地月平动点L2,并绕L2点飞行约40 d,是我国第一颗绕地月L2点飞行的探测器.本文利用地基测距测速和VLBI干涉测量数据,对CE-5T1绕L2点飞行期间的轨道进行了定轨计算并分析精度.轨道动力学特征决定了绕L2点飞行的探测器需要采用较长弧段数据以提高定轨精度,而由于不同类型测量数据和轨道之间的几何特征差异,VLBI系统误差对定轨精度的影响要远大于测距系统误差.分析结果表明,综合利用5–7 d的测距测速和VLBI数据,CE-5T1在L2点的定轨后位置和速度精度分别为百米和毫米每秒量级.相关分析结果可以为我国后续执行类似任务的探测器(如CE-4)提供参考.     

深空探测器的VLBI逆相位参考定位

深空探测器的VLBI相位参考定位一般是以河外源为参考源,深空探测器为目标源,通过对河外源的观测数据进行条纹拟合,获得延迟和延迟率,用以改正这些效应对深空探测器的VLBI观测相位数据的影响,由于两者角距较近,主要误差源如传播介质延迟的影响通过对两者相位的差分得以基本消除,通过成图后可以获得两者的高精度相对位置.然而,这种传统的VLBI正相位参考定位方法对河外源的强度有较高的要求,即观测数据必须有足够高的信噪比来确保可靠的条纹拟合结果.通常深空探测器射电信号的流量密度远高于河外源,为此本文提出逆相位参考定位方法,即以行星探测器作为参考源,对相位校准后的河外源进行成图,来实现高精度的相对定位.本文基于实测的VLBI观测资料,验证了该方法的可行性;并通过模拟资料表明,在河外源较弱的情况下,逆相位参考可以获得更高精度的相对定位结果.     

天马望远镜在嫦娥三号测定轨VLBI观测中的应用分析

天马望远镜(上海65 m射电望远镜)于2012年10月完成了第一阶段建设并具备了S/X,L,C波频段的VLBI观测能力.2013年12月全程参加了嫦娥三号着陆器和月球车X频段的VLBI测定轨测定位任务.在嫦娥三号中,利用天马望远镜代替上海佘山25 m射电望远镜,使中国VLBI观测网的灵敏度提高至1.67倍.同时,利用2比特采样代替嫦娥二号的1比特采样,使灵敏度提高至1.38倍.上述两项措施使定轨后的ΔDOR型VLBI时延残差由嫦娥二号时的1.77 ns降至嫦娥三号时的0.67 ns,着陆器和月球车同波束VLBI差分相时延随机误差降至0.011 ps rms.本文在介绍天马望远镜及其X频段致冷接收和数据采集系统的基础上,对其在嫦娥三号测定轨VLBI观测中的应用进行分析.     

月球背面探测器跟踪的4程多普勒技术

飞行或着陆于月球背面的探测器,无法从地面直接观测,必须利用更高轨道的探测器中继才能进行跟踪.作为月球背面探测器的一种有效的跟踪手段,本文以SELENE为例,系统性地给出了4程多普勒观测系统的组成、数据处理和应用方法、定轨和重力场解算结果,并分析了天线相位特性和自旋对4程多普勒测量精度的影响及改正方法.这些内容对月球背面探测器的跟踪、测控和数传系统的研发和应用提供了参考实例.     

中国科学院助力嫦娥五号月球样品采集

2020年11月24日,嫦娥五号探测器在我国文昌卫星发射中心成功发射入轨;12月17日,返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆,探月工程嫦娥五号任务取得圆满成功. 在嫦娥五号任务中,中国科学院牵头论证提出科学目标与有效载荷配置方案,承担地面应用系统、有效载荷分系统、甚长基线干涉测量(VLBI)测轨分系统和多项工程关键产品的研制任务,建成国内首个"月球样品实验室".     

GRAIL月球重力场模型对嫦娥卫星定轨精度的改进

从阶方差以及大地水准面自由空气重力异常两个方面分析了"重力恢复与内部实验室"(Gravity Recovery and Interior Laboratory,GRAIL)月球重力场420阶模型(GL0420A)的特点,并通过与月球勘探者(Lunar Prospector,LP)重力场165阶模型(LP165P)分析结果比较发现,该重力场极大地提高了月球重力场的阶数及误差精度,在全月面都有明显的重力异常正负交替现象.本文使用GL0420A重力场对"嫦娥"系列探测器的绕月测轨数据进行轨道解算,对比LP165P重力场模型解算结果,在定轨弧段内有10m量级的精度提升,可将该重力场用于高精度的月球探测器精密定轨.     

天马观空,探测宇宙的“神兵利器”

<正>天马望远镜荣获2018年度上海市科技进步特等奖,项目第一完成人沈志强接受了采访,并向我们介绍了天马望远镜的项目背景、技术内容以及应用情况。S=沈志强H=华东科技大型射电望远镜是深空探测器导航和天文学研究等领域的关键基础设施,代表了一个国家的综合创新能力。我国先后建设了口径为25米至50米的4面射电望远镜,它们与上海VLBI(甚长基线干涉测量)中心一起圆满完成了嫦娥一号精     

从奔月之旅看嫦娥三号的七大首创

正"嫦娥抱玉兔,逐梦广寒宫",承载着中国首次地外天体软着陆和巡视探测任务的嫦娥三号月球探测嚣,去年12月2日1时30分从西昌卫星发射中心顺利升空,中国航天由此开启了一段崭新征程。一、嫦娥三号是什么嫦娥三号是中国国家航天局嫦娥工程第二阶段的登月探测器,包括着陆器和月球车。二、嫦娥三号的使命嫦娥三号携带着中国的第一艘月球车——"玉兔号"月球车,在成功突破月球软着陆后开展月面巡视勘察、月面生存、深空测控通信与遥控操作     

一种ΔDOR算法的初步实现

ΔDOR(双差分单向测距)技术是一种广泛应用于深空探测的测角技术.中国VLBI(甚长基线干涉测量)网目前使用互相关方法实现ΔDOR技术,然而在信号的信噪比很低时,使用基于互相关方法的相关处理机进行时延测量会有弱信号处理能力不足的局限性.随着更遥远距离的深空探测的推进,对弱信号求时延将成为必然的任务需求.本文将高性能三阶锁相环作为测量信号的频率和相位的基本模块,并由此推导了一种弱信号处理能力较强的基于本地相关的ΔDOR算法.该算法避免了传统本地相关方法中本地模型信号与含噪信号进行互相关运算时引起的算法性能损失问题,同时算法更为简洁.对天问一号数据求残余群时延间接验证了本文提出的算法的可行性,为进一步发展高性能ΔDOR技术提供了一种方案.     

“新视野”号多普勒频率数据评估

NASA于2006年发射的"新视野"号探测器于2015年7月14日飞掠冥王星,借此机会,中国科学院国家天文台行星无线电科学研究团组选取我国上海佘山观测站和黑龙江佳木斯深空探测基地的两台60m级射电望远镜,开始了对"新视野"号下行信号的接收及后续分析处理研究工作.利用东南大学研制的无线电科学接收机在黑龙江佳木斯完成了测量工作,利用接收到的探测器多普勒信号对其精度进行了分析比较,并尝试了不同的处理方法.最后本文对我国设备的深空多普勒测量数据的分辨能力进行了评估.     

CE-5T1探月飞行器地月转移段和环月段的实时定轨

随着我国探月工程和深空探测工程的实施,传统的地基测轨手段联合最小二乘定轨预报的模式已难以满足定轨任务的实时性需求,为此需要发展飞行器的自主测轨手段和定轨方法.本文采用扩展卡尔曼滤波算法对探月飞行器进行实时定轨研究.对CE-5T1月地转移段约2.5?h弧长的星基GNSS伪距数据进行滤波处理,计算结果表明,以预报轨道为先验参考轨道,约1?h后滤波即可稳定收敛,且收敛后轨道精度与批处理统计定轨精度相当,位置偏差(Root Mean Square,RMS)约在30?m,速度偏差好于1?cm/s.对CE-5T1环月段地基测量数据进行滤波计算,计算结果表明,对于轨道周期为2h的月球探测器,位置偏差好于50m(RMS).由于之前的定轨信息通过协方差矩阵传递保留,月球遮挡探测器以及月球升落引起的地面测轨数据长弧段间断不会影响后续可视弧段的滤波精度,且只需一两个观测数据即可快速收敛至滤波稳定.