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:     

星载氢钟VLBI观测实验及分析

中国计划于2025年左右建立月球轨道VLBI (Very Long Baseline Interferometer)测站,将会搭载被动型星载氢钟作为时间频率标准.由于是首次在VLBI观测中使用星载氢钟,需要研究和验证其可行性.因此,利用星载氢钟作为频率基准开展了VLBI观测.实验时,分别使用主动型地面氢钟和被动型星载氢钟作为频率基准,利用上海天文台佘山25 m射电望远镜和其他测站对我国火星探测器天问一号进行了交替VLBI观测.数据处理分析结果表明,基于地面氢钟与星载氢钟的VLBI残余群时延标准差均在0.5 ns以内,表明星载氢钟可满足深空探测VLBI测定轨的精度要求,验证了其作为月球VLBI测站频率基准的可行性.     

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。     

VLBI相位连接以及相时延解算的新方法研究

甚长基线干涉测量(VLBI,Very Long Baseline Interferometry)能够提高深空探测器测定轨的精度,目前应用于深空探测中的多为差分VLBI技术(?VLBI).差分VLBI相关相位中存在时间间隔,把不同时间段的相位无整周模糊度地连接起来能清晰地反映卫星运动轨迹,有助于提高卫星的测定轨精度和开展行星无线电科学研究.同时,VLBI相时延因其超高的精度有广泛应用,但解算条件苛刻.基于此,首先利用两个频点的差分相位与单频点相位变化趋势一致的思想,研究了一种新方法连接差分VLBI单频点的相位;然后提出一种利用窄带宽(1 MHz)中的两个频点相位解算相时延的方法,并用嫦娥三号(CE3)着陆器的数据做了实际解算和验证;最后给出了仅利用数天VLBI相时延对着陆器进行定位的方法,得到的结果为(44.1239°N,19.5106°W),和事后基于美国月球侦察轨道器(LRO)窄角相机(NAC)影像数据的定位结果(44.12189°N,19.51129°W)相比,差异为百米左右,验证了仅利用VLBI相时延也能进行着陆器定位的有效性.     

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.     

探测器VLBI信号仿真方法

为研究VLBI对探测器的数据处理方法并评估其处理能力,现有做法需基于测站VLBI终端接收的探测器信号进行。采用信号仿真方法可以根据设计轨道与信标特点,利用计算机生成需要的探测器VLBI信号,相比试验观测具有独特的优势。观测试验时,测站终端接收探测器下行射频信号,通过混频变换为中频信号,再进行数字化采集数据。仿真信号时,为减少计算规模,直接构造数字中频信号,二次采样后提取通道信号,获得数字终端的VLBI仿真信号。由于探测器相对VLBI测站运动,测站接收的探测器下行信号反映目标的视向速度变化。根据探测器信号时延模型,研究了探测器点频信号和有限带宽信号多普勒效应的模拟方法。通过仿真信号与VLBI终端接收信号的对比以及对VLBI相关处理结果的分析,验证了探测器VLBI信号仿真方法的可行性,为后续仿真技术在月球与火星探测器中的VLBI测定轨应用奠定了技术基础。     

深空探测中的轨道设计和轨道力学

深空探测相对于地球卫星而言,指探测器脱离地球引力范围,进入行星际空间甚至距离地球更远的空间对太阳系内或者太阳系以外的天体进行探测. 从20世纪末尤其是21世纪以来,随着航天领域科技的进步和提高,对月球和太阳系其他大行星的探测,越来越多地得到世界各国的关注.近几年,我国也加快了对月球的探测步伐.2007年10月24日,我国成功发射了第1个月球探测器 嫦娥一号月球探测器,实现了精确变轨、成功绕月的预定目标,获取到大量科学数据和全月影像图,并成功实施受控撞月任务.2010年10月1日,我国又成功发射嫦娥二号月球探测器,获取了分辨率更高的全月影像图和虹湾区域高清晰影像,并成功开展环绕拉格朗日L2点等多项拓展性试验,为深空探测后续任务的实施奠定了基础.     

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．     

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。     

深空探测中地基测量数据传播介质误差修正方法

深空探测中探测器轨道主要采用地面跟踪站进行测量,无线电信号在探测器与地面跟踪站间传输时会受到地球传播介质误差的影响。传播介质误差主要包括地球的中性大气时延误差和电离层时延误差等。针对传播介质误差修正在深空探测中的应用需求,调研了国内外地基测量数据传播介质误差研究进展,重点阐述了深空探测中VLBI地基测量数据中性大气和电离层时延产生的机理和修正方法。针对关键技术及未来发展趋势进行了分析,以提高传播介质误差修正精度及时效性。     

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。     

环月飞行器精密定轨的模拟仿真

以中国正在实施的探月计划“嫦娥1号”工程为背景，分析了在中国联合S波段(USB)测控网和甚长基线射电干涉(VLBI)跟踪网的现有空间分布、观测精度水平下的环月飞行器精密定轨．采用的方法是模拟仿真计算，即首先模拟观测数据，然后在计入各误差源的影响后进行求解，并对解算结果进行比较．模拟仿真的工具是美国宇航局哥达德飞行中心的空间数据分析软件系统GEODYN．环月飞行的主要误差源是月球重力场，为此首先讨论了目前精度最高的月球重力场模型JGL165P1的(形式)误差．在模拟了测距、测速以及VLBI的时延、时延率数据后，计入月球重力场的误差进行精密轨道确定．定轨时采用了减缩动力学(reduced dynamic)方法，即选用合适的经验加速度参数吸收重力场误差对定轨的影响．结果表明对于一个不将月球重力场作为主要科学目标的探月计划(如“嫦娥1号”)，减缩动力学方法是一个简单、有效地提高环月飞行器定轨精度的方法．     

嫦娥三号任务VLBI数据通信软件研制及其应用

VLBI测轨分系统已经成功完成嫦娥三号任务实时阶段VLBI测定轨使命。数据通信软件是分系统关键软件(B级)之一,负责分系统和北京航天飞行控制中心(北京中心)的实时数据交换工作。对数据通信的任务进行简单介绍,并给出功能需求、系统设计及其实现细节;总结了数据通信软件在嫦娥三号任务中的执行情况;最后讨论了数据通信软件的表现并展望在未来探测任务的应用。数据通信软件在嫦娥三号任务中的优异表现显示软件达到研制目标,满足任务要求。     

“嫦娥二号”平动点和小行星探测试验中的轨道计算

正论文以CE-2(嫦娥二号)平动点飞行试验、小行星探测试验以及YH-1火星探测任务为背景,对深空探测测定轨技术开展研究.相关研究成果直接为小行星图塔蒂斯探测试验的拍照成像提供了高精度的轨道支持.针对YH-1火星探测开展了先期的测定轨研究,研究成果虽未能直接应用于火星探测任务,但积累的理论知识可服务于我国后续深空探测.论文的研究可以概括为以下几个方面:(1)回顾统计定轨理论,简单介绍了时空参考系、动力学模型、估值方法及考察协方差理论.     

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.     

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．     

使用体积离散方法计算不规则小天体表面重力场

在小行星探测任务中,航天器轨道设计需要充分考虑到小行星的非球形引力场的影响.太阳系中大部分小行星具有形状不规则、密度不均匀的特点,因此,在没有绕飞轨道数据的情况下,精确计算其引力场非常困难.利用不规则小行星的多面体模型,采用体积离散方法通过直接积分计算小行星引力场球谐系数和表面重力场分布情况.将该方法与多面体方法进行了比较,并以(433)Eros为例,通过该方法计算得到的结果与NEAR(Near-Earth Asteroid Rendezvous)探测器的轨道数据反演结果比较,C20项误差不超过2%,使用该方法对我国小行星探测任务拟探测的(1996)FG3小行星的重力场进行了计算.以嫦娥二号探测器飞越的(4179)Toutatis小行星为例,结合相应的雷达观测数据提供的小行星形状模型,计算其表面引力势情况,为通过飞越任务获取的光学图像分析其表壤的分布、流向等提供了相应的理论依据.该方法适用于密度不均匀天体,可为小行星探测任务轨道设计和着陆提供可靠的小行星引力场数据.     

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.     

VLBI数据软件相关处理方法研究

VLBI技术是 2 0世纪 6 0年代后期发展起来射电干涉新技术 ,自 2 0世纪 70年代至今VLBI数据预处理主要采用硬件相关处理机。近年来随着通用计算机性能的大幅度提高 ,利用软件方法对VLBI数据进行相关处理逐渐成为可能。介绍了国内外VLBI软件相关处理机的研究进展情况和VLBI数据相关处理的基本数学模型。针对实际软件相关处理方法研究中数学模型应用和各类参数选取等情况作了详细介绍。根据现有数据处理精度和处理速度 ,进一步分析了提高软件相关处理速度的可能性。     

嫦娥二号探测器在轨运行视景仿真系统的研究与实现

针对嫦娥二号探测器在轨运行阶段的仿真需求,充分发挥视景仿真的优势,利用嫦娥一号探测器获得的地形和影像数据、日地月嫦娥二号探测器星历数据,基于OSG(OpenScene Graph)设计了针对嫦娥二号任务的在轨运行视景仿真系统。论述了该系统的开发平台,系统总体框架,并对系统的实现进行了详细描述。论述了月球模型数据构建,嫦娥二号探测器构建,星历数据库构建与访问,仿真实体空间位置的实时更新,CCD立体相机探测过程的仿真,视点的控制等实现方法。仿真结果表明系统完全能满足嫦娥二号任务在轨运行仿真的要求,并已应用于嫦娥二号任务执行过程中。