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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

基于天文开源软件的卫星干涉测量数据处理系统

VLBI (Very Long Baseline Interferometry)技术观测卫星需要对干涉测量数据进行相关和后处理,通过相关、时延校准、条纹搜索,最终得到卫星的基线几何时延.基于天文开源软件建立起一套卫星干涉测量数据处理系统.该系统可工作在实时和事后两种状态,实现相关、中性大气、电离层、钟模型以及仪器硬件的时延校准、条纹搜索、生成基线时延和时延率序列.使用该系统处理北斗GEO (Geosynchronous Earth Orbit)卫星的干涉测量试验数据,得到了精度在1–2 ns量级的卫星基线时延序列.     

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.     

同波束VLBI差分时延率研究

通过分析SELENE的两颗小卫星Rstar和Vstar的同波束VLBI数据,发现两卫星间差分时延率中由中性大气和电离层引起的长周期变化已被去除,且在小角距时,短周期变化也能绝大部分被去除。但角距离越大,去除部分越小。通过将2008年一年中8个台站组成的所有基线的相关相位拟合残差数据分别平滑积分30 s与60 s后,再通过5点直线拟合求得时延率,得出单卫星时延率随机误差分别约为0.32 ps/s RMS与0.20 ps/s RMS,而差分时延率随机误差分别为0.19 ps/s~0.32 ps/s RMS与0.09 ps/s~0.17 ps/s RMS。单卫星的时延率随机误差在秋季最大,春季最小,而差分时延率的随机误差在全年基本稳定。     

地球同步卫星的VLBI观测

介绍了差分VLBI技术确定空间飞行器位置的原理。在上海、乌鲁木齐和昆明站开展了对地球同步卫星的首次国内差分VLBI观测 ,实验中选择 3颗角距小于 15°的ICRF射电源作为参考源 ,克服了卫星观测的特殊性带来的困难 ,成功地获得了卫星信号的干涉条纹。基于条纹拟合的结果和系统差分析 ,估计双差单向测距的总误差约为 4 1cm ,双差单向测速的总误差约为 0 .14 8mm/s,相当于在地球同步轨道上 8m的位置误差和 2 .8mm/s的速度误差     

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.     

基于多重网格的射电源条纹搜索算法研究

空间甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Infertaro-meter,VLBI)是射电天文未来重要的发展方向,但其观测系统和轨道等不稳定因素会导致相关处理机所需的预报时延模型与实际时延相差较大,在这种情况下很难获得干涉条纹.提出了基于多重网格的射电源条纹搜索算法,可以在不使用时延模型的情况下,使相...     

VLBI观测信号相关处理中的小波保角变换

Daubechies小波可以表征为幂函数或e指数函数的形式 ,保持相关相位条纹的幅角不变。在VLBI观测信号相关处理过程中引入了小波分析方法 ,以探讨小波理论在VLBI技术中的应用特点。两个台站的VLBI观测信号经过时间补偿和干涉条纹旋转后 ,利用静态小波算法在线性空间中的保角变换特征可提取VLBI信号的干涉相位特征 ,并完整保留相位的时序关系。     

VLBI观测信号相关处理中的小波保角变换

Daubechies小波可以表征为幂函数或e指数函数的形式，保持相关相位条纹的幅角不变。在VLBI观测信号相关处理过程中引入了小波分析方法，以探讨小波理论在VLBI技术中的应用特点。两个台站的VLBI观测信号经过时间补偿和干涉条纹旋转后，利用静态小波算法在线性空间中的保角变换特征可提取VLBI信号的干涉相位特征，并完整保留相位的时序关系。     

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。     

脉冲星信号VLBI软件相关处理方法研究

脉冲星自发现以来一直是天文学家们关注的对象,甚长基线干涉测量(very long baseline interferometer,VLBI)更是以极高的角分辨率和灵敏度成为脉冲星研究的重要手段。为了使上海天文台现有的中国VLBI网(Chinese VLBI network,CVN)软件处理机能够处理脉冲星信号,讨论了用频率通道间时延补偿的方法实现非相干消色散,并通过加入矩形脉冲门同步信号,提取有效脉冲,提高了信噪比。然后改进现有CVN处理机结构,实现脉冲星信号的相关处理。最后,对脉冲位置搜索和脉冲星数据分箱(pulsar binning)技术做了初步分析与探索。VLBI数据处理结果表明此方法正确可行,能够消除色散,并获得脉冲星信号的相关处理条纹。     

静态测量型GPS接收机的研制及其性能

静态测量型GPS接收机系统由8通道、单频ST-1接收机和静态后处理软件两部分组成,通过跟踪测量卫星载波信号、测距码信号及数据码(包含有星历数据)信号,获得伪距和载波相位观测值,采用差分(主要是双差)处理方法,达到精确测定两接收机天线间相对位置的目的.基线测量精度为10mm+2ppm×D.     

上海—埃弗尔斯堡(西德)甚长基线干涉(VLBI)实验的综合结果

1981年11月上海和埃弗尔斯堡(Effelsberg)之间完成了中—西德之间的首次VLBI实验。所有被观测的射电源都获得干涉条纹。本文发表初步分析得出的综合结果:(1)测定了上海—埃弗尔斯堡基线向量,内部符合达2—3米;(2)测定了射电源1739+52和1928+73的位置,精度0″.05—0″.08,均未经电离层延迟误差的改正;(3)测定了14颗河外射电源的相关流量和可见度,并发现射电源1928+73具有双源结构,间距为8.9毫角秒。