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．     

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。     

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．     

云南天文台的精密定轨系统

概述了精密定轨轮廓及其重要性,重点介绍了云南天文台的精密定轨系统,包括处理流程、所采用的动力学模型及其参考系的选取,并介绍了残差分析方法,用以剔除"野值"以及分析测站数据质量。运用该精密定轨系统,分析处理了LAGEOS从2004年1月1日到2004年10月26日的全球SLR数据以及AJISAI从2008年5月3日到2009年2月26日全球SLR数据,每3天一个弧段,LAGEOS的测站总RMS不超过3cm,主要集中在1.5cm附近,AJISAI的测站总RMS不超过6cm,主要集中在3.5cm附近,与同期空间研究中心CSR的RMS相当,表明云南天文台用于精密定轨的系统运算结果是可信的。     

GPS卫星应用于天球参考系连接之初探

本论述了利用GPS卫星的射电与光学定位实现参考系连接的基本方法,并对参考系连接的精度作了分析，探讨了中国VLBI网利用GPS卫星进行参考系连接的可能性。章认为以VLBI、CCD技术为观测手段，利用GPS卫星可使射电参考系与恒星参考系在0.″01甚至更高的精度上得到连接。     

地球定向参数预报误差及其对北斗三号卫星定轨精度的影响

地球定向参数(Earth orientation parameters, EOP)是地球参考系到地心天球参考系之间转换的桥梁,是卫星精密定轨过程中不可缺少的重要参数。以国际地球自转服务(International Earth Rotation Service, IERS)和中国科学院上海天文台(Shanghai Astronomical Observatory,SHAO)提供的EOP参数为例,分析了北斗三号仅区域网观测模式和星地星间联合观测模式下的定轨精度与EOP预报误差间的关系。研究表明,对于IERS提供的产品,其预报误差对仅区域站定轨模式的定轨精度影响较小,但是其10 d内的预报误差对星地星间联合定轨模式定轨精度的影响可达到分米级。对于SHAO提供的产品,两种定轨模式的定轨精度均随着EOP预报天数的增大而逐渐衰减。除此之外,不同产品的星地星间联合定轨模式下定轨精度均小于仅区域网监测下的定轨模式下的定轨精度,表明星间链路的加入可以降低卫星定轨对EOP预报误差的依赖。该研究对区域观测条件下的卫星精密定轨工程实现具有重要意义。     

同步卫星短弧定轨

同步卫星受到摄动力的影响,它的实际轨道有一点漂移．卫星需要不断的调轨调姿,以保证其正常运行．为了研究卫星在几小时,甚至更短的时间内的轨迹情况,采用短弧段定轨法．用动力学方法进行短弧定轨,分别研究1小时和15分钟定轨并进行比较,目的是为了在同步轨道卫星变轨后,能尽快地为卫星提供精密的预报轨道．此外,在系列短弧定轨后,得到精密轨道系列,为研究轨道变化的力学因素及研究短弧中卫星转发器时延变化规律等提供依据．     

VLBI在建立准惯性参考系上的作用

本文对以下问题作了论述:现用基本参考系的局限性,VLBI在建立准惯性参考系上的作用,射电源星表的进展,射电源星表误差来源的分析和考虑,综合射电源星表建立的需要,光学、射电和空间天体测量星表联系的必要性,用中国VLBI网进行天球参考系工作的一些初步考虑。     

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.     

Space VLBI Geodesy: background of an experiment proposal

Space VLBI is a new observing technique which will be available in the second half of this decade by radio telescopes as interferometer elements in orbit. Besides the main astronomical interests, this new development has some very interesting potential applications in satellite dynamics, geodesy and geodynamical research which qualify space VLBI a potential new technique in space geodesy. A geodesy demostration experiment (GEDEX) is being proposed for the Japanese space VLBI satellite-VSOP, with the main objectives of reference frame interconnections and orbit accuracy improvement of the space radio telescope. The paper gives a review of the special characteristics of space VLBI and a general background of the GEDEX proposal.     

Orbit determination of satellite “Tance 1” with VLBI data

The satellite “Tance 1” of the “Double-Star Program” is the first truly scientific experimentation satellite of China. Its orbit is the farthest so far launched in China, with a geocentric apogee reaching 78 thousand kilometers. The tracking of “Tance 1” and of more distant space targets, such as the lunar exploration craft, can be realized with the VLBI technique of radio astronomy. In order to test and verify the role which the VLBI technique plays in the lunar exploration program of China, Shanghai Astronomical Observatory organized the only 3 tracking stations in China (located at Shanghai, Urumqi and Kunming), to carry out test tracking of “Tance 1,” and used the time delay data obtained to determine the orbit of “Tance 1” over a two-day period, so providing a preliminary assessment of the possibility of VLBI orbit determination. The fitting error of the orbit so obtained is about 5.5 m in the time delay and about 2 cm/s in the delay rate (this for checking only), much better than is provided by the preliminary orbit (used merely for ensuring tracking) in which the corresponding figures are around 2 km and 15 cm/s. Further, if the orbit is determined by using both the time delay and time delay rate data (with weights according to their internal accuracies), then the residuals are 5.5 m in the time delay and 2 cm/s in the delay rate. For an appreciation of the true accuracy of the VLBI orbit determination, we used simulation data (of the observed two-day VLBI data) and found the results depended greatly on the error in the dynamic model of the satellite which, however, is difficult to assess, while the formal residuals are of the order of 1 kin in the delay and of cm/s in the delay rate. The simulation computation also indicates that a joint determination using both VLBI and USB data will have an improved accuracy.     

The Study on the Group Delay Jumping of CE-4 VLBI System

The phase delay software is a key component of VLBI (Very Long Baseline Interferometry) orbit determination system in CE-4 mission, which is critical to deep space exploration. When processing X-band DOR (Differential One-way Ranging) signals of probes in the past, the group delay jumping occasionally occurred in the observed scan. This paper consists of two parts. First, according to the VLBI station signal reception and VLBI center data processing steps, we analyzed the frequency, phase, power, and self-correlation spectrum of the signal, and located the influencing factor at the abnormal analog signal of Kunming (KM) station. Second, the group delay jumping was revised by the post-correction method, which was based on the analysis of the abnormal unwrap phase. We used the corrected phase to get the new group delay, and used orbit determination software to verify the effectiveness of the post-correction method, which upgraded the phase delay processing software.     

Simulation of precise orbit determination of lunar orbiters

Based on the ongoing Chinese lunar exploration mission, i.e. the “Chang'e 1” project, precise orbit determination of lunar orbiters is analyzed for the actual geographical distribution and observational accuracy of the Chinese united S-band (USB) observation and control network as well as the very long baseline interferometry (VLBI) tracking network. The observed data are first simulated, then solutions are found after including the effects of various error sources and finally compared. We use the space data analysis software package, GEODYN, developed at Goddard Space Flight Center, NASA, USA. The primary error source of the flight orbiting the moon is the lunar gravity field. Therefore, the (formal) error of JGL165P1, i.e. the model of the lunar gravity field with the highest accuracy at present, is first discussed. After simulating the data of ranging and velocity measurement as well as the VLBI data of the time delay and time delay rate, precise orbit determination is carried out when the error of the lunar gravity field is added in. When the orbit is determined, the method of reduced dynamics is adopted with the selection of appropriate empirical acceleration parameters to absorb the effect of errors in the lunar gravity field on the orbit determination. The results show that for lunar missions like the “Chang'e 1” project, that do not take the lunar gravity field as their main scientific objective, the method of reduced dynamics is a simple and effective means of improving the accuracy of the orbit determination of the lunar orbiters.     

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．     

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.     

银河系光行差及其对天文参考架的影响

银河系光行差,或称为长期光行差漂移,是由于太阳系质心绕着银河系中心做轨道运动的加速度引起的视自行效应,量级大约为5μas·yr~(-1).在21世纪之前,由于观测精度尚未达到如此高的程度,人们很少讨论银河系光行差效应.随着甚长基线干涉(Very Long Baseline Interferometer,VLBI)在基本天文学中的广泛应用和欧洲空间局(European Space Agency,ESA)的第2代微角秒天体测量卫星Gaia的问世,该效应显得逐渐重要.由于河外源的分布不均匀,银河系光行差效应会使得河外源天球参考架缓慢旋转,进而需要修正地球岁差参数,其中岁差速率的改正值大约为1μas·yr~(-1).对于微角秒精度的VLBI和Gaia参考架,银河系光行差将会引起框架扭曲,在两者的连接过程中,也是必须考虑的系统效应.