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。

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。

双月球探测器相对定位的同波束VLBI技术研究

针对着陆器和月球车数传信号无法在同一通道内记录的问题,提出利用射电源观测修正不同通道装置内部时延的同波束甚长基线干涉测量(VLBI)方法,解算含微小偏移量的差分相时延。利用嫦娥二号两个X波段VLBI信号观测数据和上海、昆明、乌鲁木齐三个台站的同波束VLBI器地对接数据验证了提出的方法。结果表明解算的含微小偏移量差分相时延形式误差在皮秒量级,系统误差在0.5 ns(纳秒)左右,有望把月球车的相对定位精度提高至数十米。

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。

基于无线传感器网络的园林自动喷灌控制系统

针对人工灌溉存在的过量或不足、不及时等缺点,阐述了无线传感器网络与单片机的结合在农业与园林喷灌系统中的应用;同时,介绍了一种自动控制喷灌系统。该系统能在无人值守时自动喷灌,在雨天和土壤水分充足时自动停止喷灌,也能在特殊情况下实行手动喷灌。该系统对节约水资源和人工劳动力很有意义,有着广泛的应用前景。

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.

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。

13m天线观测深空探测器数据的处理与分析

武汉大学近年来逐步完善了13 m天线中用于深空探测的硬件设施,且收集了大量观测数据,包括月球探测器嫦娥三号(Chang’E-3, CE3)、火星探测器火星快车(Mars Express, MEX)和火星轨道勘察器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)、土星探测器Juno等。对近两年的观测数据做了整体分析,包括信号接收功率、接收频率精度、氢钟稳定性、总相位抖动等方面。分析结果显示,接收信号的信噪比在制冷接收机安装之后提高了1倍,接收频率的精度在氢钟安装之后也提高了1倍,达到20 m Hz。13 m天线的氢钟在ms量级稳定性较差,但1 s稳定度达到10-12量级,能够满足当前深空探测的需求。另外,还提出一种事后计算总相位的方法,能够适应于极低信噪比情况。总相位受等离子体影响的分析结果与国际上研究结果接近。整体分析结果表明,13 m天线的观测数据除了可提取高精度多普勒频率应用于测定轨之外,还可提取相位抖动做空间介质等科学研究。

天马望远镜在嫦娥三号测定轨VLBI观测中的应用分析

天马望远镜(上海65 m射电望远镜)于2012年10月完成了第一阶段建设并具备了S/X,L,C波频段的VLBI观测能力.2013年12月全程参加了嫦娥三号着陆器和月球车X频段的VLBI测定轨测定位任务.在嫦娥三号中,利用天马望远镜代替上海佘山25 m射电望远镜,使中国VLBI观测网的灵敏度提高至1.67倍.同时,利用2比特采样代替嫦娥二号的1比特采样,使灵敏度提高至1.38倍.上述两项措施使定轨后的ΔDOR型VLBI时延残差由嫦娥二号时的1.77 ns降至嫦娥三号时的0.67 ns,着陆器和月球车同波束VLBI差分相时延随机误差降至0.011 ps rms.本文在介绍天马望远镜及其X频段致冷接收和数据采集系统的基础上,对其在嫦娥三号测定轨VLBI观测中的应用进行分析.

基于同波束VLBI的火星车测定位技术

火星车的位置测定具有重要的工程意义和科学意义.本文针对火星车和轨道器的实际搭载能力,提出了利用轨道器的测距数据,以及火星车和轨道器的同波束VLBI观测数据开展火星车高精度测定位和轨道器测定轨的方法,给出了火星车和轨道器同波束VLBI差分相时延解算方法并分析了其测量误差.火星车和轨道器的联合定轨定位的仿真分析结果表明,利用弧段数小时的轨道器测距,以及火星车和轨道器的同波束VLBI差分相时延数据,有望实现误差数百米的火星车定位和误差数十米的轨道器定轨.这些研究成果对今后的火星探测工程有重要的应用价值.

基于同波束VLBI差分相时延的“玉兔”月球车动作监视分析

2013年12月14日嫦娥三号成功在虹湾着陆区软着陆,后续开展两器分离、两器互拍等任务.本文利用同波束VLBI技术同时观测着陆器和月球车发射的信号,解算含整周模糊度的差分相时延(Differential Phase Delay),监视着陆器和月球车两器分离和两器互拍等过程的月球车各种动作.同时,研究和分析月球车行走、转弯、晃动、高程变化等动作导致的差分相时延变化,发现同波束VLBI差分相时延监视月球车动作的灵敏度在50–100 mm之间,后续利用差分相时延变化趋势进行相对定位.同波束VLBI技术在后续的探月三期、火星探测、金星探测等双目标、多目标探测中也将发挥重要作用.

月球轨道器交会对接同波束VLBI测量差分相时延实时解算

同波束VLBI技术是解决月球轨道交会对接地面高精度引导的重要手段.传统的多频点同波束VLBI实时解算算法成功解算差分相位整周模糊度的概率较低,而事后统计修正求解整周模糊度的算法存在较大的时间滞后,从而直接影响月球轨道交会对接两个航天器地面定轨、定位的精度以及实时性.在此背景下,本文研究了应用于月球交会对接条件下的同波束VLBI差分相时延实时解算算法.首先给出了多频点同波束VLBI解算差分相时延及整周模糊度的原理,根据差分相关相位整周模糊和差分相时延实时及事后解算结果,对整周模糊度产生的原因进行分析通过求解精确差分群时延值、采用匹配搜索算法以及差分相位连接条件对传统实时解算算法进行改进,提出一种新的差分相时延实时解算算法.利用SELENE同波束VLBI观测数据进行实时解算,结果表明该算法成功解算模糊度的准确度达到95.49%,相对于传统解算算法准确度提高了5.45%.

大型射电望远镜的火星探测器跟踪技术

我国将于2020年发射由环绕器和着陆巡视器组成的火星探测器,需要利用大型射电望远镜进行跟踪.本文对大型射电望远镜的火星探测器跟踪技术进行了分析,并实际利用上海65 m射电望远镜跟踪火星探测器进行了测试验证.分析和测试结果表明,大型射电望远镜跟踪火星探测器时需要考虑和改正座架热变形、大气折射、光行时等引起的指向偏差.不考虑下行单程光行时的接收功率比考虑时降低约0.8 dB.在俯仰指向偏差为36′′和72′′时接收能力分别降低约0.8和3.5 dB.这些研究成果对我国的首次火星探测任务的顺利实施有重要的应用价值.

基于同波束VLBI的大气电波相位抖动统计特性研究

探测器和射电源的信号通过地球大气和电离层时其相位发生抖动,对地面观测系统如VLBI的测量精度产生极大影响.本文基于日本探月工程SELENE的两个小卫星Rstar和Vstar 4个测站长达1年的同波束VLBI观测数据,研究了VLBI各基线相关相位及两卫星间差分相关相位的阿伦方差和构造函数的统计特性及每月的变化情况,并首次得到了差分相关相位的均方根和角距离的关系模型.同时,利用4测站6基线的相关相位及两卫星间差分相关相位,首次反演出各个测站的大气电波相位抖动及两卫星间差分相位抖动的阿伦方差、构造函数、以及差分相位的均方根和角距离的关系模型.时间间隔?在8–80 s时,差分相关相位和各测站的阿伦方差正比于?0,符合Kolmogorov湍流理论.6条基线的差分相位抖动的均方根的平均值?与角距离?的关系模型为?=2.759?+1.069 deg/deg,反演出的4个测站的差分相关相位抖动的均方根的平均值与角距离的关系模型为?=1.967?+0.738 deg/deg.