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2000km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,并利用嫦娥二号△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。

同波束干涉测量差分相位计算与DOR时延精度验证

同波束干涉测量可以获取多航天器间高精度相对角位置信息。但对于两航天器间匹配频点少、频点间频差大、观测非连续条件下如何获取高精度的相对角位置观测量仍然是一个尚待解决的问题。我国在嫦娥二号(CE-2)卫星上首次搭载了差分单程测距(DOR)信标,用于测量技术测试验证,如何对DOR信号带宽综合时延进行精度验证也是本文关心的问题。文中提出基于相位补偿的差分相位解算方法,并基于DOR多频点信号测量数据进行了方法验证。给出DOR带宽综合解算方法,分析DOR无模糊解算条件;通过合理设置采样通道,实现了由单通道群时延验证DOR带宽综合时延。嫦娥二号卫星实测数据分析表明,相位补偿法可以得到反映航天器间相对角位置的差分相位观测量;DOR带宽综合时延与单通道时延解算结果一致,且时延解算精度有显著提高。

同波束干涉测量差分相时延观测模型研究及验证

针对月球轨道交会对接地面高精度引导需求,对同波束干涉测量差分相延观测模型进行分析验证。根据甚长基线干涉测量几何时延观测量同一波前的定义,推导出同波束差分时延观测量的观测模型。并提出一种精确的同波束干涉测量差分相时延闭合算法,同时结合SELENE任务实测的数据计算差分相时延闭合值,用于对观测模型进行验证。实测数据计算结果表明,采用本文提出的精确算法显著地消除同一波前差分相时延闭合值中的趋势项,差分相时延闭合值的精度在0.5ps～1ps范围内,验证了观测模型的正确性。该研究对于后续的月球交会对接地面高精度测定轨任务分析设计将具有一定的参考价值。

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。

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。

嫦娥二号卫星DOR信号时延计算方法

甚长基线干涉测量可以获取航天器高精度角位置信息，是深空探测的重要测量手段。我国在嫦娥二号（CE-2）卫星上首次搭载了差分单程测距（DOR）信标，用于测量技术测试验证；如何对DOR信号进行处理求取带宽综合时延及如何对解算结果进行验证是本文要解决的重要问题。文中给出了DOR信号相位提取及带宽综合时延计算方法，分析了DOR无模糊解算条件，并给出了精度验证方法。嫦娥二号卫星实测数据分析表明，DOR信号可以获取高精度的时延测量结果，可以应用于后续深空探测。

VLBI相时延及其在深空探测器测定轨中的应用

甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)技术是深空探测器测定轨的方法之一,也是行星无线电科学研究的重要手段.VLBI相时延通过解算相关相位的整周模糊度解算出探测器的VLBI时延观测量,可有效地降低相位随机误差的影响,从而提高时延测量的精度.本文论述了解算相位整周模糊度的条件和方法,给出相时延的解算方法,并分析比较了相时延与群时延的随机误差水平.以嫦娥二号(CE2)卫星飞往拉格朗日L2点的探测任务为例,求解了两个月内10次VLBI观测的相时延并分析了数据质量.相时延和群时延分别联合测速测距数据的定轨结果表明,在150万公里的距离上相时延用于探测器的定轨是可行的.