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.     

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差分相时延的“玉兔”月球车动作监视分析

2013年12月14日嫦娥三号成功在虹湾着陆区软着陆,后续开展两器分离、两器互拍等任务.本文利用同波束VLBI技术同时观测着陆器和月球车发射的信号,解算含整周模糊度的差分相时延(Differential Phase Delay),监视着陆器和月球车两器分离和两器互拍等过程的月球车各种动作.同时,研究和分析月球车行走、转弯、晃动、高程变化等动作导致的差分相时延变化,发现同波束VLBI差分相时延监视月球车动作的灵敏度在50–100 mm之间,后续利用差分相时延变化趋势进行相对定位.同波束VLBI技术在后续的探月三期、火星探测、金星探测等双目标、多目标探测中也将发挥重要作用.     

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.     

基于同波束VLBI的大气电波相位抖动统计特性研究

探测器和射电源的信号通过地球大气和电离层时其相位发生抖动,对地面观测系统如VLBI的测量精度产生极大影响.本文基于日本探月工程SELENE的两个小卫星Rstar和Vstar 4个测站长达1年的同波束VLBI观测数据,研究了VLBI各基线相关相位及两卫星间差分相关相位的阿伦方差和构造函数的统计特性及每月的变化情况,并首次得到了差分相关相位的均方根和角距离的关系模型.同时,利用4测站6基线的相关相位及两卫星间差分相关相位,首次反演出各个测站的大气电波相位抖动及两卫星间差分相位抖动的阿伦方差、构造函数、以及差分相位的均方根和角距离的关系模型.时间间隔?在8–80 s时,差分相关相位和各测站的阿伦方差正比于?0,符合Kolmogorov湍流理论.6条基线的差分相位抖动的均方根的平均值?与角距离?的关系模型为?=2.759?+1.069 deg/deg,反演出的4个测站的差分相关相位抖动的均方根的平均值与角距离的关系模型为?=1.967?+0.738 deg/deg.     

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.     

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.     

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.     

北斗星基增强系统性能提升初步评估

介绍了北斗星基增强系统及广域差分改正数算法.采用10个测站6d的相位平滑伪距和相位观测数据,初步评估了北斗星基增强系统性能提升后的用户定位性能.结果表明:用户相位平滑伪距增强定位精度在东、北和天顶3个方向上分别达到0.3m、0.4m和0.8m,相对于普通导航平均三维提高了53%;基于精密单点定位技术的用户相位增强定位坐标平均在7min内收敛到1m以内,收敛之后水平坐标精度能达到0.1m,高程坐标精度能达到0.2m,两项指标都优于基于外部后处理精密轨道钟差的精密单点定位结果.     

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.     

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.     

基于递推最小二乘平方差的GPS精密单点定位精度研究

对传统GPS单点定位、差分GPS定位和GPS精密单点定位进行了比较。建立了GPS精密单点定位无电离层组合的数学模型。建立了递推最小二乘平差进行参数估算的数学模型,并利用该方法进行相位平滑伪距处理。分析了该方法对伪距观测误差的影响。利用bernese软件和据此编制的程序,并利用IGS跟踪站的观测数据进行了接收机三维坐标的解算。将IGS观测值坐标作为真值,解算值和真值之间的偏差作为定位误差。仿真结果表明,经过递推最小二乘伪距平滑处理后,精密单点定位的误差在北方向、东方向、高度方向上都小于0.02 m。     

北斗二号/三号融合的分米级星基增强算法与性能分析

北斗卫星导航系统星基增强服务通过地球静止卫星向用户播发等效钟差、轨道改正数、电离层格网改正数和分区综合改正数等四重广域差分改正数,用户在此基础上利用载波相位观测值实现实时分米级的定位性能.本文介绍了分米级星基增强服务的参数匹配算法以及单频、双频用户精密定位模型.将系统播发的四重差分改正数应用于北斗二号与三号融合的精密单点定位,分析了不同频点及定位模型的系统精密定位服务性能.18个测站7 d的结果表明:北斗二号/三号融合的星基增强服务双频组合动态精密单点定位平均12.42 min收敛至0.5 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.15 m,高程0.2 m;相比仅使用北斗二号系统,不同定位模型收敛时间平均缩短了56.7%;而基于非差非组合的分区定位收敛速度更快,并且能达到与无电离层组合模型相同的精度水平.使用北斗电离层格网信息改正的单频动态定位PPP平均11.74 min收敛至0.8 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.2 m,高程0.3 m;相比使用广播星历电离层模型改正的结果,静态和动态定位平均收敛时间分别缩减了21.4%和25.2%.     

基于ARM+FPGA的相位平滑伪距差分定位方法

为了满足用户更高的定位精度要求,研究了载波相位平滑伪距差分定位方法.根据差分定位原理,基于MATLAB平台自主编制了差分解算软件,兼容北斗和GPS伪距差分定位;基于ARM+FPGA平台的接收机实现了相位平滑伪距差分定位.实验结果表明,零基线条件下,相位平滑伪距差分算法定位精度可由标准定位的米级水平提高到亚米级,性能稳定.基线距离增大,定位精度随之降低,误差在±4m内,差分讯龄和定位精度成正比关系.     

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。     

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.     

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.     

GBAS中相位平滑伪距差分修正改进算法

针对卫星导航精度问题,提出一种载波相位平滑伪距差分修正算法的改进方案.通过无码载偏离平滑滤波技术来解决电离层对伪距和载波相位观测值带来的不一致性导致的电离层误差加剧问题.利用信号传播中误差模型预测值、载波信号和码伪距确定滤波器的衰减因子,把接收到的双频载波信号相位值和伪距值线性组合,输入滤波器滤波.同时用卫星修正信息对平滑伪距值中钟差进行修正.仿真结果表明通过该算法能够减少滤波后的信号残差,提高载波相位平滑伪距差分修正值标准差的可用性,减少电离层误差对星基导航精密进近阶段定位精度的影响.     

GPS单历元精密单点定位精度分析

普通精密单点定位主要是针对多历元观测数据,本研究重点关注单历元精密单点定位及其精度分析.在分析GPS单历元观测量误差源基础上,讨论了单历元非差精密单点定位误差;给出了单历元非差精密单点定位的解算流程,对Bjfs、Mizu、Wuhn和Lhaz等4个IGS站1天的实际观测数据分别进行了处理,单历元精密单点定位精度达到了4.5 cm,与GPS RTK结果精度一致.单历元精密单点定位只需一个测站的单一历元观测就可以进行精确定位,而GPS RTK至少需要两台仪器.