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．     

基于同波束VLBI的火星车测定位技术

火星车的位置测定具有重要的工程意义和科学意义.本文针对火星车和轨道器的实际搭载能力,提出了利用轨道器的测距数据,以及火星车和轨道器的同波束VLBI观测数据开展火星车高精度测定位和轨道器测定轨的方法,给出了火星车和轨道器同波束VLBI差分相时延解算方法并分析了其测量误差.火星车和轨道器的联合定轨定位的仿真分析结果表明,利用弧段数小时的轨道器测距,以及火星车和轨道器的同波束VLBI差分相时延数据,有望实现误差数百米的火星车定位和误差数十米的轨道器定轨.这些研究成果对今后的火星探测工程有重要的应用价值.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

“嫦娥”赴月采土记

正2020年11月24日4时30分,我国嫦娥五号探测器(以下简称"嫦娥五号")成功发射!11月28日,"嫦娥五号"顺利进入环月轨道飞行。11月30日,"嫦娥五号"着陆器和上升器组合体与轨道器和返回器组合体顺利分离。12月1日,"嫦娥五号"着陆器和上升器组合体成功在月球正面预选着陆区着陆。12月2日,"嫦娥五号"着陆器和上升器组合体完成月面自动采样封装。12月6日,"嫦娥五号"上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,并将样品容器安全转移至返回器中。12月17日1时59分,"嫦娥五号"返回器携带月球样品安全"回家"。     

基于超高精度多频点同波束VLBI技术的月球车精密相对定位

多频点同波束VLBI技术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,据此得到两个探测器在两个测站间的误差为皮秒量级的差分相位时延.作为同波束VLBI基本观测量的差分相位时延从本质上来说反映了两个探测器在天球上的角距信息.利用我国4个VLBI测站得到的差分相位时延数据,可实现月球车和着陆器在3.8×105km处的天球切平面上的2维精密相对定位,其相对定位误差应优于1m.在得到误差10m的着陆区月面地形图后,利用多频点同波束VLBI差分相位时延和着陆器测距数据,有望实现误差10m的月球车在月面上的精密相对定位.     

基于超高精度多频点同波束VLBI技术的月球车精密相对定位†

多频点同波束VLBI技术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, 据此得到两个探测器在两个测站间的误差为皮秒量级的差分相位时延. 作为同波束VLBI基本观测量的差分相位时延从本质上来说反映了两个探测器在天球上的角距信息. 利用我国4个VLBI测站得到的差分相位时延数据, 可实现月球车和着陆器在3.8´105 km处的天球切平面上的2维精密相对定位, 其相对定位误差应优于1 m. 在得到误差10 m的着陆区月面地形图后, 利用多频点同波束VLBI差分相位时延和着陆器测距数据, 有望实现误差10 m的月球车在月面上的精密相对定位.     

基于VLBI数据的深空探测器精密三向测速及应用

本文研究了深空探测器信号基于软件锁相环的三向多普勒测速技术及传播介质误差校正方法,完成了对中国VLBI网接收的嫦娥三号X波段测控主载波信号的三向多普勒测量,精度达到0.64mm/s.测量结果被成功用于嫦娥三号的联合定轨,距离与三向多普勒速度定轨后残差的均方差分别为0.41m与0.55mm/s.获得的星历与参考精密星历位置均方差为17m,速度均方差为17mm/s,在参考精密星历内符精度以内.该技术还被用于基于欧洲火星探测器MEX地面观测的行星际闪烁研究.在高、低太阳倾角下,测量的频率与相位与欧洲联合VLBI研究所的结果一致.测量结果明确反映出太阳风等离子物质对MEX测控信号频率与相位的影响.本方法将用于我国未来深空探测与无线电科学研究.     

同波束干涉测量对月面目标相对定位

以中国探月工程后续任务中的月面定位需求为背景,探讨了基于同波束干涉测量(SBI)得到的差分DOR延迟与测距、测速等传统跟踪数据联合对月面目标进行相对定位的性能。基于差分DOR延迟的定义推导了基于该观测量的月面目标相对位置观测模型,利用数值仿真的方法,详细讨论了各种情况下的定位精度。ps级的差分延迟数据可以实现对两目标在天平面内dm级精度的二维定位,加入测距数据可将两目标的三维定位精度确定在m级。     

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.     

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".     

椭圆限制性三体问题模型下平动点拟周期轨道卫星的自主定轨分析

基于椭圆限制性三体问题,研究了平动点轨道卫星导航星座仅利用星间测距进行自主定轨的技术。分别分析了平面Lyapunov轨道和垂直Lyapunov轨道上卫星仅利用星间测距进行自主定轨的精度。为了提高拉格朗日轨道导航星座对月球空间的覆盖范围,设计了由地月系的L1、L2、L4和L5四个平动点附近的拟周期轨道上的卫星构成的导航星座,分别利用扩展卡尔曼滤波方法和无迹卡尔曼滤波方法进行了自主定轨仿真分析,结果表明:平动点轨道导航星座可以仅利用星间测距实现长期高精度自主定轨。     

转发式测距和直发式伪距的GEO卫星联合定轨

GEO卫星是区域卫星导航系统空间段的重要组成部分.仿真模拟表明,在星座组网运行时通过差分策略可消除卫星钟差,但对只有GEO在轨运行的单星模式需要引进其他测轨技术才可能获得高精度的GEO轨道和钟差信息.本文提出联合转发式测距和直发式伪距数据的GEO卫星联合定轨和钟差估计方案,克服了转发式跟踪站数量和测距数据有限的问题,实现了对直发式伪距跟踪站星地组合钟差的估计,并且保持了卫星星历与钟差的自洽性.利用我国区域跟踪网对GEO卫星的实测数据进行了联合定轨试验,开展了详细的误差协方差分析说明了转发式和直发式两种测轨技术的贡献,结果表明：转发式测距数据的定轨残差为0.203m,直发式伪距的定轨残差为0.408m.定轨弧段内激光外符视向精度为0.076m,预报2h激光外符视向精度为0.404m,星地钟差估计精度约为1.38ns.对于基于单个转发跟踪站的转发直发联合定轨,激光外符视向精度为0.280m,预报2h激光外符视向精度为0.888m,星地钟差估计精度约为1.55ns.相关指标满足了导航服务的需求.     

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.     

基于EKF的航天器相对定姿算法研究

航天器交会对接是载人航天工程的一项关键技术,而航天器相对定姿又是在交会对接中首要解决的关键问题。通常用交会对接航天器体坐标系间各对应坐标间的夹角来表示相对姿态,这样相对定姿的任务就是要确定两交会对接航天器体坐标系间的旋转矩阵。采用无相对测量的航天器相对定姿态方法,基于围绕系统最优估计状态线性化的扩展卡尔曼滤波(EKF)滤波技术,以乘性误差四元数为状态量,设计了陀螺仪/星敏感组合的航天器相对定姿算法,并进行数字仿真验证该算法的可行性。仿真表明乘性误差四元数有效解决了协方差阵为零的问题,EKF技术大大提高了滤波精度。所设计的算法为航天器的相对定姿提供了一定的理论依据。     

月球探测SELENE的科学成果

日本探月卫星SELENE（KAGUYA）携带了14种仪器设备用于对月球进行多方面的测量,其中的3种设备用于对月球进行大地测量观测.这包括两个子卫星和一台激光高度计测量设备.这些设备所获得的科学成果主要包括：利用多普勒和同波束VLBI测量得到了精度为10m的精密轨道确定结果;利用四程多普勒测量首次获得了月球背面精确的重力场;首次获得了纬度高于86°区域的月面地形图;通过使用月球全球地形信息与月球全球重力场信息得到了全球重力异常分布图;获得了月壳厚度全球分布图以及月球南北极区光照率图.这些成果的取得进一步加深了人类对于月球的认识.     

利用星间双向测距数据进行北斗卫星集中式自主定轨的初步结果分析

自主定轨是导航卫星自主导航的重要任务,是指在地面运行控制系统不可用的情形下,利用星间测距维持导航系统星历的自主更新.本文利用北斗新一代导航试验卫星搭载的Ka波段星间双向测距数据,进行集中式自主定轨试验.首先给出了星间双向测距数据的处理流程和数学模型,并分析了星间双向测距数据的测量特性.结果表明星间双向测距数据是一种高精度的距离测量.将星间双向测距数据用于定轨处理,残差标准差小于1 0 cm,均值好于1.0 cm,解算的设备零值稳定度好于0.2 ns.分别利用重叠弧段比较、用户等效距离误差评估和激光残差等方式评估了自主定轨的精度.结果表明,在一个地面锚固站支持下,自主定轨得到的卫星轨道径向重叠弧段互差优于6 cm,预报2 4 h径向重叠弧段互差优于1 0 cm.2 4 h预报轨道用户等效距离误差为0.4 3 m,优于L波段预报轨道的0.76 m,激光残差优于1 0 cm.星间链路对地观测为自主定轨提供空间基准,避免星座的整体旋转.本文讨论对地测量时长对自主定轨的影响.结果表明即使星间链路对地观测的截止高度角为60°,自主定轨结果和2 4 h预报轨道径向误差优于10 cm,三维位置优于1.5 m.