异源信标对同波束VLBI差分时延实时解算的影响

日本SELENE的两个小卫星Rstar和Vstar都搭载两个晶振作为VLBI多频点信标源的基准,其中一个晶振产生信号f1,另一个晶振产生信号f2和f3。通过分析Rstar和Vstar的同波束VLBI观测数据,发现利用来自异源的两对频点信号(f1,f3)的相关相位解算差分时延时,由差分频率与仪器时延差相乘所引起的相位误差较大,从而导致差分群时延的精度不高以及差分相时延的实时解算成功率不高。利用来自同源的两对频点信号(f2,f3)的相关相位来求解差分时延,与利用异源信标相比,上述误差值为原来的1/64,使得差分群时延精度提高,差分相时延实时解算成功率也大幅提高。分析结果表明,若把台站间的仪器时延差(包括钟差)修正至1μs时,将有望进一步提高差分相时延的解算成功率。基于上述分析结果给出了适宜于同波束VLBI观测的同源信标源设计方案。     

差分VLBI技术在采样返回任务中的应用

针对采样返回任务中多探测器精密短弧定轨问题,研究了甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)技术在两探测器间的交替观测模式、2π模糊度解算方法和数据差分处理方法,给出了星载信标的设计原则和方案。利用日本SELENE探月卫星的两个小卫星R-star和V-star的同波束VLBI相关相位生成了交替VLBI相位观测量,对其进行了差分处理求解差分时延,然后利用差分时延和测速测距数据进行定轨计算。对差分时延的分析表明,交替VLBI差分群时延RMS值为46 mm,测量精度与同波束VLBI差分群时延相当;交替VLBI差分相时延RMS值为1.6 mm,测量精度与同波束VLBI差分相时延相当。定轨结果表明,交替VLBI在进行多探测器的短弧定轨时能达到同波束VLBI相当的精度。     

同波束VLBI差分相位抖动与角距离的关系模型

在有2个探测器的深空探测中,利用同波束VLBI技术可解算高精度的差分相时延,进而同时提高2个探测器的测定轨精度。但是,差分相时延的解算条件严格,差分相位抖动较大时直接影响解算的成功率。针对这一问题,利用SELENE两颗小卫星Rstar和Vstar的4个测站长达1年的同波束VLBI观测数据,统计得出了差分相位抖动与其对应的角距离的关系模型。该模型的建立,既有利于提高同波束VLBI差分相时延的解算成功率,又对行星中性大气和电离层掩星观测研究具有重要的参考意义。     

基于中国VLBI网嫦娥三号差分相时延研究

嫦娥三号成功软着陆后,中国VLBI网(Chinese VLBI Network,CVN)利用同波束VLBI技术(Same-Beam VLBI,SBI)观测巡视器玉兔和着陆器。分析了嫦娥三号同波束VLBI技术技术,发现电离层差分时延导致差分相时延趋势变化;分析了同波束VLBI技术差分相时延(Differential Phase Delay,DPD)多项式拟合后残差,发现巡视器发射数传信号和遥测信号条件下差分相时延残差的随机误差分别为0.085 ps和0.192 ps,导致遥测信号差分相时延随机误差大的原因是巡视器全向天线基准信号稳定度太低;给出了差分相时延闭合时延结果,与定位解算结果保持一致,说明整周模糊度解算成功;然后分析相对定位后的差分相时延残差,分析发现巡视器发射数传信号时,残差约为0.05 mm,发射遥测信号时,残差为0.2~0.7 mm。最后确定嫦娥三号差分相时延误差因素主要为整周模糊度、电离层差分时延和巡视器天线基准信号频率稳定度太低导致的。     

基于卫星DOR信号的VLBI相时延解算方法研究

VLBI技术是深空探测中主要的测角手段,其对与视线垂直方向上卫星的轨道和位置变化有很高的灵敏度.基于DOR信号的VLBI观测量一般是群时延,其精度一般为纳秒量级,在约2000 km的基线长度上,月球探测器的位置测量误差达近百米,对深空探测器来说位置测量误差会更大.为了提高卫星测定轨测定位精度,研究了含微小偏倚量的VLBI相时延的解算算法,并利用嫦娥—号△DOR观测数据对连续观测和间断观测时的算法进行了验证.结果表明:两种观测模式下皆可行.经过比较,相时延的随机误差大幅降低.     

基于同波束VLBI的双差分电离层电子总量抖动与角距离关系模型

深空探测器信号穿过地球电离层时会产生信号时延和相位抖动,从而对VLBI(Very Long Baseline Interferometry)测量精度产生很大影响.利用日本SELENE 2颗小卫星Rstar和Vstar的4测站6基线长达1 yr的同波束VLBI观测数据,首次解算出了双差分电离层电子总量抖动的均方根和角距离的关系模型.6条基线的双差分电离层电子总量抖动的均方根r(单位为TECU)和角距离θ(?)的关系模型为:r=0.773θ+0.562,由基线反演出的4个测站的关系模型为:r=0.554θ+0.399.研究成果对差分相时延的解算和行星电离层掩星观测研究均有重要参考意义.     

利用VLBI数据确定"探测一号"卫星的轨道

双星计划的“探测一号”是中国首颗真正严格意义上的科学实验卫星,其运行轨道为中国迄今所发射的卫星中距地球最远,远地点地心距达7．8万公里．采用射电天文的VLBI技术可以对“探测一号”以及更远的深空目标,如探月飞行器实现跟踪．为了验证VLBI技术在我国探月计划中的作用,上海天文台组织了国内目前仅有的上海、乌鲁木齐和昆明3个台站对“探测一号”进行试跟踪,利用对“探测一号”约两天的VLBI观测数据,确定“探测一号”卫星的轨道,对VLBI的定轨能力做初步的探讨．按照测控部门提供的初轨 (其精度仅保证跟踪)推算的轨道与VLBI时延的拟合误差平均约2 km,时延率的拟合误差平均约15 cm／s．而利用VLBI数据定轨后的拟合程度相对于初轨有了很大的改善,结果表明,单独利用VLBI时延定轨,时延的拟合精度约5．5 m,作为外部检核的VLBI时延率的拟合精度在2 cm／s左右．单独利用VLBI时延率定轨,时延率的拟合精度约为1．3 cm／s,作为外部检核的VLBI时延的拟合精度约为29 m．而若将时延和时延率数据联合定轨,采用其内符精度加权,VLBI时延和时延率的残差分别为5．5 m和 2 cm／s．为了合理地评估VLBI定轨的真实精度,利用模拟数据进行误差协方差分析,结果表明VLBI定轨精度受动力学模型误差的影响较大,由于"探测一号”卫星的动力学模型难以精确确定,所以利用两天弧段的VLBI数据确定“探测一号”卫星轨道的位置误差为km量级,而速度误差可达cm／s量级．模拟计算还表明, VLBI和USB数据联合定轨可以大大提高定轨精度．     

基于差分相时延的月球车速率测定和动作分析

2013年12月14日嫦娥三号成功软着陆,随后开展两器分离、两器互拍等任务.利用同波束VLBI(Very long baseline interferometry)技术同时观测着陆器和玉兔月球车发射的信号,解算出的二者之间的差分相时延能够反映月球车位置数厘米的微小变化.基于差分相时延监测月球车动作的高灵敏度,利用月球车移动时的差分相时延数据,求得月球车5次移动的速率,其平均值为0.056 m/s.利用差分相时延1阶多项式拟合后残差的频谱,分析了月球车移动过程中的抖动情况及与月面地形的关系.     

月球交会对接VLBI差分时延研究

中国探月3期任务中,月球交会对接技术是任务成功的重要保障.利用嫦娥3号(CE03)绕月飞行的VLBI (Very Long Baseline Interferometry)时延数据,模拟仿真绕月交会对接过程中,同波束VLBI观测模式下,差分群时延的变化情况.仿真结果显示,在远程导引段,轨道器和上升组合体轨道距离保持100 km,持续半小时,差分群时延很好地反映了两者的轨道信息,可以用于定轨定位;自主控制段,上升组合体靠近轨道器,在轨道距离从5 km减小到20 m过程中,上升组合体加速追赶轨道器时,差分群时延快速趋近于0,上升组合体减速远离轨道器时,差分群时延绝对值快速变大.最后,利用嫦娥3号奔月段同时发射两个DOR (Differential One-Ranging)信号的VLBI时延数据,计算差分相时延,初步展示了月球交会对接过程中同波束VLBI差分相时延的误差情况.     

嫦娥四号VLBI群时延跳变研究

相时延处理软件是嫦娥四号(CE-4)任务甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)测轨分系统软件配置项之一,利用其处理着陆巡视器X波段DOR(Differential One-way Ranging)信号时,观测弧段(scan)内偶尔存在残余群时延跳变问题.论文主要分为两部分:一是根据VLBI信号接收和数据处理流程,从相关相位、频率、幅度和功率方面进行分析,最终将影响因素定位在昆明测站模拟信号异常;二是以scan内时延跳变影响因素分析为基础,通过修正异常基线相关相位,研究残余群时延跳变事后改正方法,并利用定轨软件验证其有效性,升级了相时延处理软件.     

探月卫星同波束VLBI差分相位时延闭合计算与分析

针对同波束干涉测量中差分相位时延模型验证、解算结果周跳检测与校正问题进行分析。给出了相位闭合和差分相位时延闭合计算原理与方法,并以SELENE任务中解算的差分相位时延数据为算例进行分析,差分相位时延闭合计算结果小于几皮秒。验证了差分相位时延基于同一波前的模型,可用于对差分相位时延中周跳问题进行检测,可对数据波动情况进行监视,为数据后处理提供依据。在实际应用中,该方法可随着数据处理过程的推进同步进行,因此,十分有利于同波束干涉测量方法的实时实施,并应用于卫星导航。     

同波束VLBI双差分电离层电子总量抖动天顶方向统计特性研究

深空探测器和射电源的信号通过地球大气和电离层时相位发生抖动,对地面观测系统如VLBI(Very Long Baseline Interferometry)的测量精度产生极大影响.基于日本SELENE工程的两颗小卫星Rstar和Vstar 4测站长达1 yr的同波束VLBI观测数据,考虑视线方向不同仰角的影响并利用投影函数进行归一化处理,首次得到天顶方向的双差分电离层电子总量抖动统计数据.利用结构函数分析研究了6条基线的双差分电离层电子总量抖动的统计特性,并反演得到4个测站的统计特性.首次解算出天顶方向双差分电离层电子总量抖动的均方根与角距离的关系模型.6条基线天顶方向的双差分电离层电子总量抖动的均方根σ(单位为TECU)和角距离θ(单位为?)的关系模型为:σ=0.50928θ+0.39534,由基线反演出4个测站天顶方向的关系模型为:σ=0.36595θ+0.27974.     

用于VLBI测轨的PN-DOR信标研究

探测器DOR信号与射电源信号频谱特征不同引起的接收设备相位波动误差是月球和深空探测VLBI测轨的重要误差源之一。新型PN-DOR信标通过使用伪随机序列对现有DOR信标扩频调制生成,实现与射电源信号相似的频谱特征,可有效降低相位波动误差。研究PN-DOR信标在VLBI测轨应用中相位误差与带宽综合群时延误差计算方法,在此基础上通过比较相同发射功率条件下PN-DOR与DOR信标总时延误差,分析PN-DOR的适用条件。     

e-VLBI技术及其在卫星定轨中的应用概况

e-VLBI技术继承了VLBI本身具有的极高角分辨率,且其利用高速通讯网络传送观测数据,能够快速得到观测结果,这些优点对于卫星的快速测定轨和提高卫星现有的定轨精度是十分有利的。通过对e-VLBI技术特点的分析及其发展历程的回顾,并结合卫星的差分VLBI观测原理,重点阐述和讨论了e-VLBI技术在我国的应用现状、发展及要求,展望了我国未来e-VLBI的发展前景。     

BDS-2导航电文的TGD参数精度及其对用户导航定位精度的影响

北斗二号(Bei Dou Navigation Satellite System-2, BDS-2)卫星播发以B3频点为基准的卫星钟差参数,并播发B1和B2频点相对于B3频点的群延迟(time group delay, TGD)参数。以差分码偏差(differential code bias, DCB)参数为基准,计算BDS-2群延迟参数的精度。在计算过程中,发现在2017年年积日202 d以前,各颗卫星TGD1参数精度较差,与DCB1参数互差在2～4 ns之间,TGD2与DCB2的互差约为0.5 ns。在2017年年积日202―203 d处,所有卫星群延迟参数均发生明显跳变,该跳变主要是因参与群延迟解算的北斗系统的接收机不再采用抗多径算法所致。跳变后,群延迟参数与MGEX (Multi-GNSS Experiment)公布的差分码偏差参数的差值小于0.5 ns,与GPS卫星播发的群延迟参数精度接近。进一步利用实测数据计算了群延迟参数改正精度对用户导航定位精度的影响。结果表明,使用跳变前的群延迟参数,单频定位精度为2.078 m,双频定位N方向精度为1.451 m,E方向精度为1.648 m,U方向精度为3.467 m;使用跳变后的群延迟参数,单频定位精度为1.968 m,双频定位N方向精度为1.361 m,E方向精度为0.998 m,U方向精度为2.789 m,在双频定位的N, E, U方向,双频定位精度分别提升6.2%, 39.4%, 19.5%。     

利用国内VLBI网跟踪大椭圆轨道卫星

2004年7月,昆明VLBI站经过改造,由上海、乌鲁木齐和昆明站组成的中国VLBI网(CVN)采用统一的MARK4格式编制器和CVN硬盘记录系统,对大椭圆轨道卫星“探测1号”的2圈轨道的共同可视弧段进行了跟踪观测．软件相关处理程序已成功地用于检测卫星遥测信号的干涉条纹和数据相关处理．采用基于条纹幅度的加权最小二乘条纹拟合方法,获得了卫星VLBI观测量及其精度估计,完成了卫星VLBI观测量的3基线闭合误差检验．应用河外射电源校准方法和多频点相位校正信号提取方法,进行了台站钟差和仪器延迟等系统误差改正．经系统差改正后的卫星VLBI观测量序列已用于“探测1号”卫星的轨道确定．     

VLBI测控信号群时延及相时延解算方法研究

由于探测器天线没有对准地球,遥测信号时有时无或卫星飞离地球更远,导致地面接收到的测控信号带宽变窄,使VLBI群时延测量误差增大,野值点增多。针对这些情况比较了剔除野值点加权幅度的直线拟合、剔除野值点加权幅度平方的直线拟合、剔除野值点加权幅度3次方的直线拟合和剔除野值点加权幅度4次方的直线拟合在求解测控信号群时延时的优劣,得出剔除野值点加权幅度平方的直线拟合3基线群时延闭合效果最好和可决系数平均值较大的结论,并作为测控信号群时延拟合方法。为了进一步减小VLBI时延测量误差,还研究了将含有整周模糊度的相时延在整个观测期间内进行连接,并整体移至群时延中间位置的处理方法,从而得到了含微小偏移量的相时延数据。含微小偏移量的相时延随机误差与群时延相比大幅降低,系统误差相对来说更易在定轨处理中解算。这为嫦娥二号奔向远方等信号变弱情况下的时延测量精度的提高提供了一种新方法。     

我国月球探测工程中的定轨和定位

<正>本论文以我国月球探测工程为研究背景,使用仿真分析和实测数据处理相结合的方法,结合多种VLBI(very long baseline interferometry)技术在深空探测中的应用,展开对探月飞行器精密定轨、定位的方法研究和精度分析.本文主要做了以下几个方面的研究和探讨:首先,利用CE-2(Chang’E-2)探测器实时任务期间的实测数据,分析在我国现有的测量条件下月球探测器的轨道确定精度,重点讨论了CE-2任务中观测精度有所提高的VLBI数据对提高探测器     

深空探测器VLBI跟踪定位归算

以我国嫦娥工程、萤火计划等深空探测计划为背景,通过理论分析、方法研究、软件研发、仿真检验和实测资料解析等,完成了基于VLBI、USB跟踪对欧空局Smart-1环月卫星和火星快车(MEX)卫星,以及我国嫦娥一号(CE-1)、嫦娥二号(CE-2)等卫星的定位归算;在理论模型研究、误差方程建立、法方程条件分析、约束方程选取、仿真数据检验、观测野值规避、参数解算稳定性的保障、实用软件编制和实测资料处理等方面均获得了进展,主要工作包括如下方面:     

乌鲁木齐天文站在月球探测同波束干涉测量中的作用

首先简要介绍同波束干涉测量技术,随后叙述中国科学院国家天文台乌鲁木齐天文站在2008年成功完成了约200 h日本月球卫星SELENE同波束较差甚长基线干涉测量,并阐述乌站在此次VLBI中的作用。给出利用SELENE的观测数据,分析、解算出乌站25 m天线与日本VERA网相关台站基线Rstar、Vstar的S1、S2、S3、X频段的较差相关相位、较差相关相位残差,以及对各频段的较差相关相位、较差相关相位残差比对,最后获得较差相位时延。结果显示,同波束甚长基线干涉测量比传统VLBI观测得到的群时延精度提高了1～2个量级。