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.     

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.     

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.     

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”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"。     

日本将发射月女神探测器

月女神（SELENE，是SELenological and ENgineering Explorer的缩写，意为“月球探测工程”。而SELENE一词，又恰巧是希腊神话中月亮女神的名字，故译为“月女神”）月球探测器上，装备了15种观测仪器。主卫星将在月球上空100千米的极地圆形轨道上，以前所未有的精度，对整个月球及其周围环境进行各种观测。     

“十三五”期间中国航天重大工程

正在"十三五"期间,中国从载人飞船、太空空间站、月球和火星探测、对地观测、空间科学、北斗卫星导航等多个方面推进航天重大工程建设,并同时推动航天技术更好更快地服务经济和民生。探月工程——2020年11月24日,"嫦娥五号"飞行器发射并完成月球采样返回任务,中国成为全球第三个自主掌握月球探测返回技术的国家。2019年1月3日,嫦娥四号探测器成功降落在月球背面,人类探测器首次实现月背软着陆。     

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.     

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".     

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.     

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.     

科技短讯

我国今年启动探月工程“嫦娥奔月”千年梦想将成现实。国家航天局局长栾恩杰最近透露,中国航天下一个目标是月球探测。月球探测工程将分为“绕”、“落”、“回”三个阶段实施。第一期工程,通过发射月球探测卫星.获取月球表面三维影像.分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点,探测月壤厚度和探测地月空间的环境。第二期工程,发射月球探测器登陆月球。第三期工程.实现月面巡视勘察与采样返回。     

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.     

科学触角

<正>嫦娥五号再入返回飞行试验器顺利返航2014年11月1日晨6时42分,嫦娥五号再入返回飞行试验器经过8天的太空遨游后,在内蒙古预定区域顺利着陆。嫦娥五号探测器是我国正在研制的一个航天器,它将首次实现无人月面取样工作,并将样品带回地球。为了实现这个目标,嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器四个部分组成,预     

从月球背面到深邃宇宙——2018年太空探索主要进展评述

 2018年,人类在太空探索方面取得重要进展。中国“嫦娥四号”探测器成功登陆月球背面,着陆点位于南极艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑,实现人类航天器首次登陆月球背面;之后,中国探月工程将在完成月球采样返回后,朝着建设月球科研站的方向前进。在火星探测方面,重点是回答火星上是否曾经有过适宜生命生存的环境及其持续时间,而中国的火星探测器已在研制中,将于下一发射窗口发射升空。在引力波探测方面,中国启动以地面观测为主的阿里原初引力波探测计划以及以空间观测为主的天琴计划和太极计划,有望在这一领域做出重要贡献。多信使探测宇宙、寻找太阳系外的宜居行星是天文和天体物理领域的研究前沿和热点领域,正在酝酿新的突破。