一种新型多普勒噪声抑制技术对BepiColombo任务无线电科学实验的性能提升

在欧洲空间局和日本宇宙开发机构联合开展的BepiColombo水星任务中，将开展水星轨道器无线电科学实验，包括估计水星的引力场及其旋转状态，并对广义相对论进行验证。目前地面系统和星上设备的主流配置可以在无线电科学实验中建立X/X、X/Ka和Ka/Ka多个频段的链路，测速精度可达3 um/s（1 000 s积分），测距精度为20 cm。提出了基于时延机械噪声对消技术提高无线电科学实验性能的方案。时延机械噪声对消技术需要处理在两个测站不同时刻的测量数据，一个测站实施双向多普勒测距，对另一个单收测站的要求较为严格，该测站需要具有较好的对流层条件。这种方法能够显著降低Ka频段双向链路的主要测量噪声，包括由对流层和天线机械系统震动引起的噪声。我们给出了端到端的仿真性能，并估计了在使用时延机械噪声对消技术前提下的水星引力场和旋转状态。考虑使用NASA位于美国本土戈尔德斯敦的DSS-25天线或欧空局位于阿根廷马拉圭的DSA-3天线作为双程测量站，并考虑使用位于智力的APEX天文观测天线作为单收站。分析结果表明在最好的噪声条件下，使用DSA-3天线作为双程测量站时，时延机械噪声对消技术可将待估计的全局和局部参数的估计精度提升一倍。对于无线电科学实验的目标，这一可能的性能提升对行星地质物理学很有意义，它将有益于研究水星内部的结构。