深空测控网干涉测量系统在“鹊桥”任务中的应用分析

在"嫦娥4号"任务的第一阶段—"鹊桥"阶段,北京航天飞行控制中心利用佳木斯及喀什深空站对"鹊桥"进行了干涉测量观测,获取了实时与事后的高精度测角观测量,有效支持了任务的实施。两深空站需同时完成测控任务,无法交替射电源观测来进行系统差标校,基于此系统采用了长时间隔、在航天器观测前及双站结束后观测射电源的标校方法,在地月转移段、月球至L2转移段、Halo轨道形成段开展了多次干涉测量观测,所获得的时延、时延率结果直接应用于事后联合轨道确定,结果表明:深空网的时延观测精度约为3 ns。     

面向"CE-3号"软着陆过程的深空网干涉测量技术

针对"CE-3号"探测器软着陆过程中弹道位置测定的问题,利用中国深空网干涉测量测轨数据,论述并验证了应用深空网干涉测量技术支持探月卫星软着陆过程中弹道位置测定的可行性。针对提取同一时刻观测量的两个核心技术,论述了自适应模型重构算法以及干涉相位解模糊算法,克服了软着陆过程航天器机动不确定性恶化轨道预报精度,进而引起相关引导模型失效的问题;利用跟踪过程中目标干涉相位连续特性递推实现干涉相位解模糊。实测数据的处理分析表明,深空网干涉测量数据处理分析精度在0.3ns量级,对应于约30nrad的角位置精度。     

基于中国深空站的木星探测器开环测量试验

中国深空网的建立用以支持我国正在实施的探月工程及后续火星、小行星、木星等探测任务。为验证中国深空网的跟踪测量能力,并获取行星无线电测量数据,基于中国深空站开展了对木星在轨探测器"朱诺号"(Juno)的跟踪测量试验与数据处理分析。在分析各种观测约束条件的基础上,首次实现了中国深空站在地—木距离上的深空探测器开环跟踪测量,通过VLBI数据采集记录终端原始探测器信号,经信号处理提取"朱诺号"探测器的主载波频率。采用傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)、线性调频Z变化及信号本地重构相关的联合信号处理方法,"朱诺号"探测器主载波频率提取噪声水平在10μHz水平,有效验证了深空开环测量技术,为后续我国深空探测任务积累了有益经验。     

高精度VLBI技术在深空探测中的应用

介绍了适合单探测器测定轨的高精度VLBI技术和适合多探测器测定位的同波束VLBI技术的研究进展。利用"嫦娥3号"着陆器的ΔDOR型VLBI观测,得到了误差0.67ns的VLBI群时延数据。利用"嫦娥3号"着陆器和月球车的同波束VLBI观测,得到了随机误差0.3ps的差分相时延数据,以数厘米的灵敏度监测出月球车的移动、转弯等动作,并把月球车的相对定位精度提高至1m。针对深空探测,提出了使VLBI时延测量精度进一步提高所需要开展的部分研究内容。     

“龙江2号”月球轨道微卫星定轨分析

微纳卫星深空探测任务中,通常所分配的测控资源有限,因此有必要对有限测控资源条件下微纳卫星的定轨精度进行分析。以微纳卫星深空探测为背景,采用"龙江2号"微卫星的轨道测量数据对其定轨精度进行了分析。"龙江2号"微卫星只有USB轨道测量数据,且环月段测控资源相对紧张,每天有两站跟踪,共约3～4 h的轨道测量数据。首先介绍了"龙江2号"微卫星飞行任务及其飞行过程中影响测定轨的因素;其次给出了定轨的动力学模型,对微卫星地月转移段的定轨精度进行了分析;最后通过分析摄动力、动量轮卸载以及数据弧段长度的影响,给出了微卫星环月阶段所使用的定轨策略,并通过重叠弧段比较的模式,给出了微卫星环月段的定轨精度。研究结论可以为后续微纳卫星深空探测任务提供有益参考。     

“嫦娥4号”中继星开环测速方案设计与试验验证

针对深空探测器轨道测量任务高精度测速需求,提出了一种开环测速方案。首先,采用窄带模式对深空探测器下行信号进行采集记录,利用傅里叶变换+线性调频Z变换+本地重构相关联合信号处理方法,对探测器主载波信号进行处理,自适应提取探测器主载波频率;然后,基于主载波频率获取反映探测器相对于测站速度运动关系的多普勒频率,并评估多普勒频率的随机噪声水平;最后,将基于本文的多普勒频率与深空站测速基带多普勒频率、累积载波相位测速多普勒频率进行比对,并将3种多普勒频率输入探测器联合定轨程序,进一步评估本方案获取的多普勒测速绝对精度。基于"嫦娥4号"中继星在轨实测试验数据分析表明:所获得的多普勒频率提取精度为10 m Hz,优于深空站基带测速多普勒频率与累积载波相位测速多普勒频率精度;联合定轨表明:多普勒测速绝对精度为0.2 mm/s,有效验证了深空开环测速技术,为后续深空探测器轨道联合测量系统研制奠定了技术基础。     

基于机动力模型的GEO卫星恢复期间定轨

北斗卫星导航系统(BDS)中GEO卫星频繁的轨道机动对高精度、实时不间断的导 航服务需求提出了更高要求, 如何在短弧跟踪条件下提高GEO卫星轨道快速 恢复能力, 是提升导航系统服务精度的关键因素. 针对该问题, 本文提出了基 于机动力模型的动力学定轨方法, 尝试利用高精度的C波段转发式测距数据, 辅 以机动期间的遥测遥控信息建立机动力模型, 联合轨控前后的观测数据进行动 力学长弧定轨. 利用BDS中GEO卫星实测数据进行了定轨试验与分析, 结果表明, 恢复期间需要采用解算机动推力的定轨方法, 联合机动前、机动期间和机 动后4h数据定轨的轨道位置精度在20m量级, 径向精度优于2.5m. 该方 法克服了短弧跟踪条件下动力学法定轨和单点定位中的诸多问题, 提供了解决 GEO卫星机动后轨道快速恢复问题的技术方法.      

“嫦娥二号”小行星探测试验定轨计算与分析

嫦娥二号于2012-04-15开展对图塔蒂斯小行星的探测试验,至2012-12-13与图塔蒂斯交会,共飞行243 d,这是我国对小行星的首次探测.因为未安装星载导航设备,CE-2 在小行星探测试验的全过程均基于地基USB（Unified S-Band）与甚长基线干涉测量技术（VLBI,Very Long Baseline Interferometry）测量实现导航.对小行星探测期间的定轨计算及精度分析进行了讨论,对我国新建深空站的测量数据进行了分析.针对交会前最后一次轨道机动后,仅有13 d控后数据的现状,提出了快速轨道重建策略.计算结果表明该策略不仅可以有效改进定轨计算精度,还可以实现轨控速度增量的标定.基于重叠弧段的轨道分析比较表明,单独使用USB长弧数据计算可以获得10 km的定轨精度,综合USB与VLBI数据联合定轨,定轨精度可以提高1倍.     

2016HO3探测任务星载光学观测量建模及定轨

以中国首次小行星探测任务为背景，根据星载相机获取的光学影像构造三种观测量，分别为小行星相对于航天器的高度角和方位角、赤经赤纬以及探测器与行星/小行星之间的夹角，分析了其在探测器定轨中的作用。仿真定轨结果表明，观测时长为100 h，探测器三轴位置误差小于50 km，满足工程上对巡航段的轨道精度要求，但x和y方向的位置和速度分量具有较强自相关性。此外还发现，使用单一观测数据类型比联合观测量的定轨精度低3～4个量级，第三类观测量相对于其他两类观测量在定轨精度方面具有显著作用，这表明在2016HO3探测中，利用太阳系大天体的位置信息有助于约束探测器轨道，提高探测器的定轨精度。     

一种用于深空导航定位的新型DOR信标

甚长基线干涉测量(VLBI)是深空探测器导航定位的重要手段之一,深空探测器的VLBI观测通常采用差分单程测距(DOR)信标和双差单程测距(Delta-DOR)测量体制,精确地测量深空探测器相对于河外射电源的角距.相位杂散是影响Delta-DOR测量精度的主要误差源之一,针对这项误差研究了一种基于伪随机噪声调制方式的新型...     

火星探测VLBI测定轨技术

我国将于2020年首次发射由环绕器和着陆巡视器组成的火星探测器,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基础。火星探测器的跟踪和测定轨,目前主要采用基于地面无线电测量的测距、测速和甚长基线干涉VLBI测角3种手段。主要针对VLBI技术予以介绍,主要内容为:△DOR型VLBI技术在国内外的应用情况、火星探测器VLBI测定轨技术分析、基于同波束VLBI的火星车定位技术、火星探测器VLBI观测等。这些内容对我国的火星探测器测定轨有重要的应用价值。     

对一种月球与火星探测多程微波测量链路定轨定位的数值模拟初步分析

轨道器精密定轨与着陆器的精确定位在深空探测任务中具有非常重要的科学意义。对一种月球与火星探测多程微波测量链路的定轨定位能力进行了初步仿真分析,推导了这种多程微波测量链路的测量模型,分析了该模型的优势。模拟仿真分析结果表明,此测量跟踪模式的数据具有提升轨道精度的潜在能力,并且同时求得着陆器的位置。定量分析表明,在考虑坐标系转换误差,重力场误差,行星历表误差以及星上转发误差的情况下,模拟1 mm/s的噪声,对于月球探测器来说,轨道器的定轨精度可达几米,着陆器的定位精度有望达到分米量级;对于火星探测器来说,轨道器的定轨精度可达到数10 m,着陆器的定位精度可达到几米。     

基于目标特性的航天器太阳光压面积计算方法

太阳光压是影响深空探测航天器轨道确定与预报精度最主要的摄动力.针对实际任务需求,采用了一种基于目标特性的光压面积建模与计算方法,根据航天器形状、尺寸、表面材料以及材料光学特性等信息,实现了分析型光压模型的建立与求解,提高了计算效率和精度,可快速计算目标在光照方向上的光压面积、投影面积以及光压比例因子等参数.通过长方体光压面积理论值与仿真值的对比,验证了该方法的准确性和有效性.针对复杂结构探测器开展了光压面积计算,可为深空探测航天器精密定轨中的光压模型解算、定轨及预报提供参考.      

高精度相位参考甚长基线干涉测量技术与试验验证

摘要：由于探测距离远,火星探测任务对干涉测量具有很强的精度需求。首先描述了相位参考甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)原理,介绍了弧段内干涉相时延解模糊方法,阐述了弧段之间相互参考解算干涉相时延流程,给出了测量误差分析,并利用中国佳木斯深空站、喀什深空站针对射电源对1633+38和1641+399开展了相位参考VLBI试验验证。结果表明,消除模糊度后,相位参考时延精度优于0.1ns。这为提高中国未来深空探测器角位置精度提供一种可行的技术途径。     

深空网干涉测量技术在“嫦娥3号”任务中应用分析

针对中国深空网DOR/ΔDOR测量技术在"嫦娥3号"测控任务中的首次应用情况,论述了深空网干涉测量系统采用的稀疏交替射电源标校技术。在地月转移、环月段开展了多次观测,所获得的时延、时延率观测量结果直接应用于"嫦娥3号"的轨道确定。通过与事后精密轨道比对分析,深空网干涉测量技术的时延观测量精度优于1ns,对应于约90nrad的角位置精度;时延率精度优于1ps/s,相当于亚mm/s量级测速(差)精度,中国深空网干涉测量技术有力支撑了"嫦娥3号"的测定轨任务。     

用于太阳系天体VLBI观测的时延模型

VLBI观测技术可以用于对深空航天器的跟踪定位以及测速观测．这类近距离天体发出的射电信号波前是球面波．为此，本文提出了一个1ps精度下近距离射电天体地面VLBI观测时间延迟模型．     

钟差和动力学参数联合约束下的北斗卫星轨道快速确定

受地球非球形引力、第三体摄动和太阳光压等摄动因素的影响,导航卫星位置存在长周期变化趋势,需要定期对导航卫星进行轨道机动,以保持卫星轨位和导航服务区.导航卫星机动后的定轨,特别是GEO卫星,其频繁轨控后的轨道快速确定问题,是制约卫星可用度和导航系统服务性能的重要因素.在基于伪距相位数据的轨道测定中,轨道与钟差的统计相关是制约卫星轨道快速确定的关键因素,特别是在观测弧段短的情况下,待估参数之间的相关性更强,动力学参数估计结果严重失真会导致轨道预报精度衰减明显.当卫星钟差与测站钟差通过外部手段高精度测定后,可以减少待估参数的估计,同时利用长弧定轨的动力学与运动学参数先验信息,对短弧定轨模式进行参数约束,卫星定轨精度将有很大的提升空间.通过钟差与力学参数的联合约束,实现了北斗卫星短弧快速定轨,解决了卫星机动后的轨道快速确定问题,SLR评估的卫星机动后4 h定轨外符视向精度优于0.71 m,比常规方法提高了3倍,预报1 h轨道视向精度为1.89 m,用户等效距离误差(UERE)精度达到1.85 m.     

基于经验加速度的低轨卫星轨道预报新方法

研究将定轨过程中的经验加速度应用于地球低轨卫星轨道预报的新方法. 利用GPS伪距观测数据和简化动力学最小二乘批处理方法对地球低轨卫星定 轨, 其中卫星位置、速度及大气阻力系数和辐射光压系数可以直接用于轨道预报. 作为简化动力学最重要特征的经验加速度呈现准周期、余弦曲线特点, 可通过 傅里叶级数拟合建模. 确定性动力学模型与补偿大气阻力模型误差的切向经验 加速度级数拟合模型组成增强型动力学模型用于提高轨道预报精度. 应用 GRACE-A星载GPS伪距观测数据和IGS超快星历定轨并进行轨道预报, 结果表明 轨道预报初值位置精度达到0.2m, 速度精度达到1×10-4m·s-1, 预报3天位置精度优于60m, 比只利用确定性动力学模型进行预报精度平 均提高2.3倍. 先定轨后预报的模式可用在星上自主精确导航系统中.      

俄罗斯应用天文研究所月球历表研究现状

空间探测需要越来越高精度的观测和历表支持。俄罗斯科学院应用天文研究所研发了满足精度要求的月球历表EPM-ERA,它与同期的法国INPOP历表和美国DE历表比较,精度方面有微小差距。分析了进一步提高历表精度的方法。然而EPM-ERA仅仅依赖于法国和美国台站提供的月球激光测距LLR数据,为了克服这个限制,应用天文研究所在推进俄罗斯西伯利亚阿尔塔伊LLR地面站的重建任务,以改善LLR测站分布的几何构型。俄罗斯的月球-全球和月球-资源探月计划为改进月球历表提供了机会,参与了多次国际深空探测的俄罗斯VLBI网"QUASAR"也将参与这些俄罗斯月球探测计划的精密测轨跟踪。     

基于同波束干涉的空间三维相对位置测量研究

针对深空探测器相对位置精确测量需求,建立了空间三维相对位置测量模型,研究了基于单基线同波束干涉测量(Same-beam VLBI,SBI)的空间三维位置最小二乘解算方法。利用"嫦娥3号"着陆器的测控天线与定向天线的SBI实测数据,验证了测量模型与解算方法的有效性。结果显示:SBI干涉时延随机误差约0.225 ps(0.07 mm);测控天线与定向天线之间距离误差约0.216 m,方向误差约30.4°。该研究结果有望应用于后续深空探测任务譬如"嫦娥5号"器间高精度相对测量中。