同波束VLBI技术在深空探测器测定轨中的应用

同波束VLBI技术即用射电望远镜的主波束同时接收两个探测器发送的信号,得到两个探测器信号的相关相位并在探测器间进行差分,去掉电离层、大气及观测装置的绝大部分影响,得到超高精度的差分相时延。差分相时延数据能准确反映两个探测器相对位置及其变化,可用来提高两个探测器的绝对和相对定轨定位精度。对同波束VLBI技术的基本原理及其在国内外深空探测器测定轨中的应用进行综述和展望。比如,我们利用同波束VLBI技术把嫦娥三号巡视器相对定位精度提高至1米,并有望把嫦娥五号轨道器和上升器的定轨精度提高至10米量级,把火星环绕器定轨精度和火星车定位精度提高至数百米等。     

同波束VLBI技术用于月球双探测器精密定轨及重力场解算

同波束VLBI通过同时观测两个探测器的多点频信号,可以得到两个探测器之间高精度的差分相位时延,日本月球探测计划SELENE充分体现了这一技术在月球探测器精密定轨中的贡献。本文针对采样返回的月球探测任务中,轨道器和返回器同时绕月飞行期间,研究利用同波束VLBI跟踪数据在探测器精密定轨和月球重力场仿真解算中的贡献。结果表明,加入同波束VLBI跟踪数据之后,探测器定轨精度有显著提高,改进超过一个量级。综合同波束VLBI跟踪数据解算得到的重力场模型相比于传统的USB双程测距测速数据,中低阶次位系数精度有明显改进,并且定轨精度有望能达到米级。
     

同波束干涉测量差分相时延观测模型研究及验证

针对月球轨道交会对接地面高精度引导需求,对同波束干涉测量差分相延观测模型进行分析验证。根据甚长基线干涉测量几何时延观测量同一波前的定义,推导出同波束差分时延观测量的观测模型。并提出一种精确的同波束干涉测量差分相时延闭合算法,同时结合SELENE任务实测的数据计算差分相时延闭合值,用于对观测模型进行验证。实测数据计算结果表明,采用本文提出的精确算法显著地消除同一波前差分相时延闭合值中的趋势项,差分相时延闭合值的精度在0.5ps~1ps范围内,验证了观测模型的正确性。该研究对于后续的月球交会对接地面高精度测定轨任务分析设计将具有一定的参考价值。     

月面着陆器与巡视器同波束差分时延相对定位算法

针对月球着陆巡视探测活动中的月面着陆器与巡视器的相对定位问题,建立了月面双目标相对运动方程和状态方程,给出了同波束差分时延测量量关于双目标相对位置的测量方程,进而实现了基于统计估计方法解算双目标相对位置的算法。结合嫦娥三号探测器跟踪测量条件,利用该算法开展仿真分析。结果表明:在测量弧段达到5min以上、同波束干涉测量(SBI)时延仅有1ns随机误差的情况下,相对定位精度可达20m;测量数据存在3ns系统误差时,相对定位精度为200m,此时如果增加甚长基线干涉测量(VLBI)时延数据,可将相对定位精度提高到150m。利用嫦娥三号实测数据处理结果验证了此算法的正确性和仿真分析的有效性,可为合理制定月面双目标相对定位策略提供参考。     

应用于深空探测的VLBI技术

分析了河外射电源与空间飞行器甚长基线干涉测量（VLBI）跟踪与资料解析的差异,包括信号波前形式、频谱特征、误差修正方式、解算参数类型和软件实时性需求等。讨论了应用于深空探测的包括宽带、窄带、同波束、多频点、多基线相位参考、连线干涉和局部参考架等多种差分VLBI技术,可作为VLBI技术在我国深空探测应用中技术设计参考。     

利用搜索法对嫦娥三号着陆器和巡视器定位

针对嫦娥三号巡视器相对定位时同波束甚长基线干涉测量（VLBI）差分相位时延存在纳秒量级模糊度的问题,提出利用搜索法对巡视器和着陆器的相对位置进行确定,并将该方法应用于着陆器的绝对位置的确定。首先介绍对嫦娥三号着陆器和巡视器测量的模式以及定位的原理,然后进行相应定位计算。利用该方法对着陆器定位结果与统计定位法结果比较,位置差100m左右,与月球勘测轨道飞行器（LRO）航拍定位结果差异在75m;该方法对巡视器在各停泊点的相对定位结果,与统计定位结果比较,位置差小于1m。     

基于我国VLBI网航天器定位归算仿真分析

结合我国VLBI观测网现状,通过仿真计算分析了观测时延噪声与系统差、预报轨道偏差和测距误差等对航天器定位归算的影响。结果表明,仅利用VLBI跟踪时附加飞行器地心距约束有利于压制定位点的弥散。 3站 VLBI跟踪的定位解是有偏估计,4站跟踪时要求所加约束的误差应与预报轨道偏差相当,若过大将起不到压制定位点弥散的良好效果,若过小则会在定位结果中引入系统偏差。时延与测距的观测噪声主要引起定位点序列的弥散。若观测量存在系统差则将引起定位结果的系统性偏差,而且定位点序列会发生渐近线性趋势跳变。同时,这也可以作为观测量是否存在系统差的判据。另外,若某时刻前后VLBI跟踪站存在3、4站变更,定位点序列有时发生趋势变化。分析结论对于我国后续探月和萤火计划等工程实践具有借鉴意义。     

利用多普勒测量确定嫦娥四号着陆器精密定轨

针对嫦娥四号着陆器环月飞行阶段的轨道，开展基于多普勒测量数据的精密轨道计算与精度分析。首先给出了多普勒测量数据的精确观测建模方法。然后，从着陆器姿控力影响，重叠弧段轨道比较，以及独立轨道比较几个方面开展计算与分析，结果表明：姿控喷气会对探测器产生细微的加速度，对轨道计算产生20~50 m的影响；通过重叠弧段的比较，稳定飞行阶段多普勒数据独立解算轨道的精度优于30 m；与测距与VLBI测量联合解算轨道的比较，轨道之间的差异小于50 m。     

航天器自旋对测轨数据影响的修正方法

从测量原理上分析了航天器自旋对地基无线电测轨数据的影响,提出了测距和多普勒测速自旋影响修正方法,该方法也可用于估算航天器天线安装位置与自旋轴的距离。利用修正方法对嫦娥二号地月转移飞行段的地基测距与多普勒测速数据进行处理,解算的嫦娥二号天线安装位置精度在厘米量级。使用修正后的测距和多普勒测速数据,并融合时延与时延率测量数据,进行定轨计算,结果表明,使用修正后的测轨数据对事后定轨计算有近50m的精度提高。     

基于单基线干涉测量的GEO卫星轨道测定与验证

干涉测量具有被动式测量特点,对空间非合作目标轨道监测具有天然优势。利用5.5公里基线干涉测量系统,针对GEO卫星开展了差分干涉测量实验。引入群时延辅助的相时延处理技术,GEO卫星干涉测量噪声约9.4ps。基于"2小时标校-13小时跟踪-2小时标校"的长时差分观测模式,GEO卫星干涉测量误差约0.267ns,定轨解算星历与精密星历最大径向偏差为35.7公里。结果表明,单基线干涉测量可以收敛解算GEO卫星轨道,实现较高精度的GEO卫星轨道被动式监测。     

深空网干涉测量数据对嫦娥五号定轨能力分析

针对嫦娥五号探测器(CE-5)开展基于深空网测量数据的定轨能力分析.首先从测量原理分析了深空网VLBI数据的误差源,然后利用CE-5的精密轨道评估了 VLBI数据的误差,最后基于实测数据与协方差分析理论,分析UXB与VLBI数据的定轨能力.结果表明:转移阶段,单独利用深空网测量数据可以获取优于1 km的转移轨道精度,标...     

基于GPU的干涉测量VDIF格式数据编帧方法*

为提高深空测控网VLBI基带转换器灵活性和多种数据格式适应能力,设计一种基于GPU的VDIF格式数据编帧方法。基于CUDA并行运算架构开发符合VDIF规范的帧头计算模块、多通道单线程编帧模块和多通道多线程编帧模块。为了实现编帧过程效率的优化,设计基于纹理缓存查找表的数据量化方法和基于流式架构的多帧信号异步编帧方法。试验验证表明,设计的编帧方法结果正确,高效可靠,有望为我国深空测控干涉测量数据记录系统参与国际VLBI联合观测提供有效的支持。     

嫦娥一号卫星撞月时刻与坐标精确分析

针对CE-1卫星精确的撞月时刻与撞月点坐标,首先通过探测器载波信号的本地相关处理技术,精确分析了载波信号在VLBI各测站的消失时刻,进而推算了卫星的撞月时刻;通过实时单向多普勒频移测量的事后分析,核实了卫星撞月过程中的飞行姿态演化;最后结合VLBI互相关时延与测距资料,经定位归算确定撞月点坐标。分析表明,CE-1卫星撞月时刻的误差为±5μs,撞月点坐标月面切向和三维定位误差分别约为0.274km和0.319km(1σ)。     

深空导航相位参考干涉测量技术研究

针对深空导航不断提高的测角精度需求和传统无线电干涉测量技术所面临的局限，介绍了相位参考干涉技术用于深空导航的优势，重点分析了该技术的基本原理和两个关键观测参数的影响，综述了该技术在国外的研究进展情况，最后介绍了我国开展该技术研究的软硬件基础和利用嫦娥三号任务数据开展的相位参考干涉测量试验情况，试验结果表明了基于我国深空测控资源开展该技术研究的可行性和高精度，有助于推动该技术转向实际工程应用，提高我国深空导航无线电干涉测量水平。     

星间链路发射机时延零值的数字标定算法

The traditional absolute calibration based on oscilloscopic observation is not suitable for crosslink transmitter. A new calibration algorithm is developed by using a digital signal processing technique. The output signal of crosslink transmitter and the pulse per second signal are sampled in synchronization. At first, the delay reference is determined according to straight line fitting for the signal level stepping segment. The sampling data of crosslink transmitting signal is decimated and then phase acquisition processing is made to determine the initial synchronization point. A fine search for the start of the pseudo random code has been processed between front and rear of the initial synchronization point. Finally, the transmitter delay can be obtained according to the sampling frequency and the calibration delay of the test cable and attenuator. Compared with the oscilloscopic observation method, the analysis and test results show that the proposed technique has overcome the faults caused by whole chip ambiguity and the calibration accuracy can be improved by an order of magnitude.