“嫦娥三号”月球探测器的轨道确定和月面定位

我国探月工程二期"嫦娥三号"月球探测器(CE-3)在月球正面虹湾以东地区登陆,这是我国首次在地球以外的天体成功实施软着陆.CE-3采用X频段测距测速联合VLBI测量技术进行定轨定位工作,其中VLBI采用了ΔDOR测量技术,测量精度较CE-1/CE-2任务有很大提高.本文评估了CE-3地月转移段、环月段和动力落月段的定轨精度,分析了着陆器定位以及巡视器相对定位精度.分析结果表明环月100 km×100 km和100 km×15 km轨道确定精度分别约为20和30 m,精度比CE-2提高约50%,与同时期国外月球探测定轨精度相当.CE-3新增了动力落月段和月面工作段的定轨定位工作,本文利用运动学统计定轨方法确定了CE-3动力落月轨迹,综合分析落月轨迹确定精度优于100 m.利用统计定位方法确定了着陆器的在月固系的位置,以及巡视器相对于着陆器的相对位置,着陆器定位结果和LRO图像数据差异小于50 m,差分群时延数据巡视器相对定位精度在百米量级,而利用高精度的差分相时延数据,结合一定的数据处理策略,可以得到精度在米级的着陆器和巡视器相对定位结果.     

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.     

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.     

TM65m射电望远镜副面随动模型及性能评估

天马65 m射电望远镜副面系统的安装可以用来补偿副面支撑和主面的重力变形,在不同的俯仰角度上,副面位姿的调整可以提高天线的效率和指向性能,本文建立了副面位姿随俯仰角变化的模型,测试结果表明副面随动模型可以有效改善65 m望远镜在高低仰角上的效率,分别达到20%和15%,使得在整个俯仰角范围内,X波段的接收效率均到达60%以上;副面随动模型导致的指向偏差与grasp仿真结论符合良好.     

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.     

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.     

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.     

基于地基观测的嫦娥三号着陆器与巡视器高精度定位

嫦娥三号(CE-3)探测器成功实现了我国首次月球软着陆,对巡视器和着陆器进行高精度定位是保障两器顺利完成月面探测任务的必要前提.本文首先对CE-3月面工作段的测量方式、各观测量测量模型以及运动学统计相对定位方法进行讨论.其次对着陆器进行定位并对定位精度进行评价,得到着陆器坐标为:44.1206°N,-19.5124°E,高程-2632 m(相对1737.4 km月面),通过与月面数字高程模型以及NASA探测器LRO的航拍结果比较,定位差异优于50 m,分析表明VLBI数据对提高着陆器定位精度有显著贡献.最后,利用同波束VLBI数据进行月面巡视器与着陆器的相对定位.与视觉定位方法相比,本文所用的基于地基观测量的运动学统计定位法不受着陆器可视范围限制,且定位精度不随两器距离增加而降低.计算结果表明,在现有的测量条件下,使用纳秒量级的VLBI差分群时延数据,两器相对定位精度在百米;使用皮秒量级的VLBI差分相时延数据,并在定位过程中进行模糊度解算,可以实现米级的月面双目标的相对定位,具有重要意义.     

基于干涉全息法测量射电望远镜主面重力变形和副面位姿

本文围绕天马65 m (TM65 m)射电望远镜主面重力变形和副面位姿展开实测研究.论文先概述了主面测量的方法,主要讨论了基于微波全息法的测量方法和天线扫描方法,然后论述了采用Very Long Baseline Interferometer (VLBI)测量65 m主面各俯仰角的重力变形,对测量误差进行了评估,进而构建了重力模型,并与仿真结果进行了比较,两者变化趋势一致.同时,推导并仿真了主焦馈源、副面位姿偏移和口径面相位的解析关系,然后基于该解析关系和VLBI测量得到的口径面相位数据,并采用最小二乘法解算得了实际TM65 m副面位姿随俯仰的变化情况,该测量结果在三维方向上与传统基于主动副面的幅度扫描法结果一致性强,该方法为测量副面位姿提供了不同于传统法的可行途径.