李海濤，周 歡，張曉林

(1. 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

0 引 言

2013年9月，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)確認(rèn)旅行者1號(hào)(Voyager-1)飛離太陽系，并利用美國國家射電天文臺(tái)(National Radio Astronomy Observatory，NRAO)所屬的甚長基線陣(Very Long Baseline Array，VLBA)對(duì)其進(jìn)行了觀測，獲得了旅行者1號(hào)目前最為精確的位置，如圖1所示。圖中旅行者1號(hào)只是一個(gè)小亮點(diǎn)(放大部分)，但其天球測角精度優(yōu)于毫角秒(mas)量級(jí)，相當(dāng)于在距離地球187億千米的距離上橫向位置誤差約80千米。獲得這種高精度角度測量的方法就是相位參考干涉測量技術(shù)。

相位參考干涉測量技術(shù)是近年來深空導(dǎo)航無線電干涉測量領(lǐng)域興起的一項(xiàng)新技術(shù)。無線電干涉測量起源于射電天文領(lǐng)域，用于深空航天器導(dǎo)航已有四十多年的歷史，其基本原理就是利用兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的測站同時(shí)或交替接收航天器和參考射電源信號(hào)，經(jīng)過互相關(guān)和差分處理獲得兩個(gè)目標(biāo)的差分時(shí)延信息，然后根據(jù)觀測幾何計(jì)算航天器的天球角位置[1]，如圖2所示。

要提高無線電干涉測量精度，一種最直接的方式就是提高差分時(shí)延測量精度?，F(xiàn)階段深空導(dǎo)航領(lǐng)域中使用最廣泛的無線干涉測量技術(shù)為雙差分單向測距(Delta Differential One-way Range，ΔDOR)[2]。該技術(shù)最早在20世紀(jì)80年代初由美國NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)提出，并利用深空網(wǎng)(Deep Space Network，DSN)對(duì)旅行者1、2號(hào)和海盜號(hào)(Viking)深空航天器進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)的測角精度約為100納弧度(nrad)[3-4]。該技術(shù)利用頻率間隔很寬的DOR信標(biāo)進(jìn)行單向測距，等效于增大了航天器下行信號(hào)帶寬，可以獲得高精度的差分群時(shí)延[5]。目前，美國NASA 深空網(wǎng)的ΔDOR測角精度已接近1 nrad[2]。該技術(shù)最大的局限在于需要特殊的DOR信標(biāo)，增加了航天器上應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜性，需要消耗額外的下行功率。實(shí)際任務(wù)中，由于航天器上功率受限，JPL通常選擇關(guān)閉航天器遙測信號(hào)，將所有下行功率用于發(fā)送DOR信標(biāo)，以提高地面接收信標(biāo)信噪比滿足測量精度要求，由此容易造成測量與通信之間的沖突。另一方面，國際電信聯(lián)盟分配給深空測控使用的頻段范圍有限，也限制了該技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展信標(biāo)帶寬來提高測量精度。

相位參考干涉測量技術(shù)著力于利用航天器常規(guī)下行信號(hào)解算差分相時(shí)延，利用差分相時(shí)延測量精度遠(yuǎn)高于差分群時(shí)延的特點(diǎn)來提高測角精度[6]。獲得差分相時(shí)延最大的難題在于相位模糊度的求解?，F(xiàn)有比較成功的一種方法是頻率綜合[7]。該技術(shù)借鑒ΔDOR的原理，通過發(fā)送多個(gè)下行測量信標(biāo)，信標(biāo)間的頻率間隔滿足一定的匹配要求，使之能夠依次逐級(jí)求解各個(gè)信標(biāo)間的相位模糊度，最終獲得差分相時(shí)延。日本的月亮女神任務(wù)就是采用這種方法成功解出了兩顆子衛(wèi)星之間S頻段的差分相時(shí)延，相對(duì)定軌精度提高到10m量級(jí)[7]。嫦娥三號(hào)任務(wù)中，為了測量巡視器與著陸器的相對(duì)位置，黃勇等提出運(yùn)動(dòng)學(xué)統(tǒng)計(jì)定位的方法，將相位模糊度視為定軌中的系統(tǒng)差，利用較長弧段的同波束干涉測量數(shù)據(jù)解算出巡視器靜止時(shí)的月面相對(duì)位置，精度達(dá)到1 m，但尚不能對(duì)其運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤[8- 9]。

相位參考干涉測量技術(shù)源自射電天文中的干涉成圖方法，它依靠多天線間的基線長短指向組合，并利用了地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)，通過時(shí)域和空域相結(jié)合的方法解出相位模糊度[10-11]。NASA利用VLBA分別在2004年勇氣號(hào)(Mars Exploration Rover-B，MER-B)、卡西尼號(hào)(Cassini)、2008年鳳凰號(hào)(Phoenix)、2013年火星奧德賽號(hào)(Mars Odyssey，ODY)和火星勘察軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter，MRO)等幾個(gè)航天器上開展了相位參考干涉測量試驗(yàn)[11-14]。歐空局(European Space Agency，ESA)則在2011年利用歐洲VLBI觀測網(wǎng)(European VLBI Network，EVN)對(duì)金星快車(Venus Express)進(jìn)行了定位試驗(yàn)，精度與VLBA相當(dāng)[15]。這幾次試驗(yàn)不僅充分驗(yàn)證了該技術(shù)在深空導(dǎo)航中應(yīng)用的可行性，同時(shí)還證明該技術(shù)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)測量精度高，航天器與射電源角距測量精度優(yōu)于0.5 nrad，比DSN現(xiàn)有的ΔDOR測量精度更高；2)不需要航天器具備特殊的信標(biāo)，利用航天器下行載波信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)精確測量；3)靈敏度高，可以觀測很弱的航天器信號(hào)，或者利用更弱的更靠近航天器的參考射電源，進(jìn)一步減小系統(tǒng)誤差；4)需要多個(gè)天線觀測，但允許單個(gè)(或少數(shù)幾個(gè))天線在故障或氣象條件差的情況下不對(duì)整體測量性能造成太大影響，系統(tǒng)冗余性和魯棒性強(qiáng)；5)天線分布范圍廣，可以有效增加觀測時(shí)間，方便制定觀測計(jì)劃，VLBA是一個(gè)近乎全天候的觀測陣列[16]。

VLBA作為NASA相位參考干涉測量試驗(yàn)的重要觀測陣列，本文第二部分首先對(duì)其進(jìn)行簡單介紹，然后第三部分重點(diǎn)介紹相位參考干涉測量技術(shù)的基本原理，并分析兩個(gè)重要觀測參數(shù)的影響。第四部分綜述國外相位參考干涉測量試驗(yàn)的進(jìn)展，第五部分介紹我國開展該技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證的軟硬件資源和初步的試驗(yàn)結(jié)果，最后一部分進(jìn)行總結(jié)討論。

1 VLBA概況

VLBA是NRAO下屬的觀測陣列，由分布在美國本土的10個(gè)25 m口徑天線組成[16]，如圖3所示，通過位于新墨西哥州索科羅(Socorro)的陣列運(yùn)行中心進(jìn)行控制。該陣列主要用于射電天文觀測，測站的選址充分考慮了干涉成圖所需的干涉基線長度和指向覆蓋(即分布均勻的空間頻率UV平面，如圖4所示)，基線長度由237千米到8600千米不等。基線的長短和指向分布極大地改進(jìn)了UV平面的分辨率和覆蓋范圍，滿足目標(biāo)結(jié)構(gòu)高低分辨率的覆蓋需求，使之能獲得高質(zhì)量的目標(biāo)成圖。

VLBA每個(gè)天線配備的接收機(jī)可以處理橫跨300 MHz到45 GHz的9個(gè)頻段的數(shù)據(jù)，記錄系統(tǒng)可以每天自動(dòng)持續(xù)以128 Mb/s的速率記錄接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率最大可以達(dá)到512 Mb/s，可以同時(shí)記錄4個(gè)通道的中頻信號(hào)[16]。每個(gè)測站都具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集能力，可以滿足不同頻段的觀測需求，提供足夠的帶寬和信噪比。

2 相位參考干涉測量原理

在無線電干涉測量中，兩個(gè)測站接收信號(hào)的干涉結(jié)果為一正弦條紋，即r(t)=A(t)cosφ(t)，A(t)為條紋幅度，與目標(biāo)源亮度、傳輸損耗等相關(guān),φ(t)為條紋相位。要得到目標(biāo)的完整信息一般采用復(fù)條紋[17]，即

(1)

(2)

式中：V(t)為復(fù)可見度的幅度。對(duì)于角徑大于一條基線角分辨率的目標(biāo)源，由范氏(van Cittert-Zernike)定理可知(詳細(xì)推導(dǎo)參見文獻(xiàn)[18])，復(fù)可見度和目標(biāo)源在天球的亮度分布I(l,m)成二維傅里葉變換關(guān)系

(3)

式中：S(u,v)為復(fù)可見度在UV平面上的采樣函數(shù)，即UV平面覆蓋范圍。射電天文成圖就是利用多個(gè)天線測量UV平面上不同位置的復(fù)可見度數(shù)據(jù)，然后通過逆二維傅里葉變換獲得目標(biāo)的結(jié)構(gòu)圖像。這一過程又稱為綜合孔徑成圖，其幾何關(guān)系如圖5所示。UV平面是一個(gè)垂直于目標(biāo)視向的平面，隨著觀測時(shí)間的變化，基線在該平面上的投影軌跡為一橢圓，反映了在不同時(shí)刻，基線在不同空間方向上的分辨率?；€投影越長，相當(dāng)于UV平面覆蓋范圍越大，分辨率越高；各條基線投影在UV平面上覆蓋越均勻，則綜合孔徑效果越好，綜合波束旁瓣越低。

復(fù)可見度的幅度與目標(biāo)源亮度信息在UV平面上的分布強(qiáng)度相關(guān)，復(fù)可見度的相位則與其分布位置相關(guān)[19]，所以要確定目標(biāo)源結(jié)構(gòu)分量的位置需要精確的復(fù)可見度相位信息。另一方面，相位更容易受擾動(dòng)，例如行星引力擾動(dòng)、大氣對(duì)流層和電離層擾動(dòng)、設(shè)備鏈路擾動(dòng)等，特別是當(dāng)目標(biāo)源很弱時(shí)，要得到穩(wěn)定的干涉條紋很困難。解決這個(gè)問題的一種方法就是利用鄰近的強(qiáng)源信號(hào)相位信息做參考，修正弱源信號(hào)的復(fù)可見度相位，從而獲得弱源信號(hào)可靠的復(fù)可見度數(shù)據(jù)。利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖處理就能獲得弱源的相位參考圖。在做相位參考時(shí)，會(huì)殘留兩個(gè)源之間的相對(duì)位置信息，從最終得到的目標(biāo)相位參考圖中可以反解出兩個(gè)源的相對(duì)位置[20]。

利用相位參考干涉成圖技術(shù)中這一特點(diǎn)，選擇一顆較強(qiáng)的射電源作為相位參考源，對(duì)航天器進(jìn)行成圖。這一過程類似于普通射電源相位參考干涉成圖[21]。假設(shè)采用交替觀測方式，t1時(shí)刻觀測射電源，t2時(shí)刻觀測航天器，t3時(shí)刻再觀測射電源，則射電源信號(hào)復(fù)可見度相位θq(t)和航天器信號(hào)復(fù)可見度相位θs(t)分別為

(4)

(5)

(6)

式中θstru(t)反映了信號(hào)源的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還考慮了設(shè)備誤差θinst(t)、源位置誤差θpos(t)、天線位置誤差θant(t)、大氣誤差θatmo(t)和空間電離層誤差θiono(t)。利用t1、t3時(shí)刻的射電源信號(hào)復(fù)可見度相位對(duì)射電源信號(hào)在t2時(shí)刻的相位進(jìn)行插值估計(jì)

(7)

將t2時(shí)刻航天器信號(hào)的相位觀測值和射電源信號(hào)的相位估計(jì)值做差分，得到

(8)

(9)

(10)

所以偏移量(δx,δy)最終和((航天器實(shí)際位置—航天器先驗(yàn)?zāi)Ｐ臀恢?—(射電源實(shí)際位置—射電源先驗(yàn)?zāi)Ｐ臀恢?)等價(jià)[19]。(δx,δy)在天球上的投影即航天器和射電源實(shí)際位置與先驗(yàn)?zāi)Ｐ臀恢玫男拚?，因此可以獲得兩個(gè)源的精確相對(duì)位置。

由于航天器信號(hào)可以視為點(diǎn)源，上述干涉成圖方法又可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)最小二乘求解過程。

若忽略S(u,v)為在UV平面上的重復(fù)采樣點(diǎn)，即

(11)

又F(u,v)=VeiΔθ，則由式(3)可以得到

(12)

因?yàn)楹教炱骺梢砸暈辄c(diǎn)源，所以航天器干涉圖像上理論上只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)，該亮點(diǎn)就是I(l,m)的最大值。從式(12)可以看出，若當(dāng)I(l,m)在點(diǎn)(Δl,Δm)處取最大值時(shí)，應(yīng)滿足

uiΔl+viΔm=Δθi/2π+N

(13)

式中：N為相位模糊度。從而可以建立起每條基線在UV平面上的投影矢量(ui,vi)、航天器位置信息(Δl,Δm)、差分相位測量值Δθi與相位模糊度N之間的線性方程

(14)

根據(jù)上式，利用最小二乘方法對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行求解，就能解出相位模糊度，并推算出差分相時(shí)延，差分相時(shí)延精度由差分相位測量精度和航天器位置信息(Δl,Δm)的求解精度決定。其中(Δl,Δm)求解精度可以用最小二乘的參數(shù)估計(jì)均方誤差公式進(jìn)行計(jì)算。

上述推導(dǎo)過程詳細(xì)闡述了相位參考干涉測量的基本原理。與傳統(tǒng)無線電干涉測量方法相比，相位參考干涉測量充分挖掘了不同測站間基線隨地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的指向和長短變化效應(yīng)，以及不同測站間相對(duì)位置關(guān)系對(duì)相位模糊度的約束能力，相當(dāng)于從時(shí)域和空域上擴(kuò)展提高無線電干涉測量的方法。這與傳統(tǒng)無線電干涉測量依賴寬帶信標(biāo)的頻域方法有很大創(chuàng)新。特別是我國現(xiàn)階段測站數(shù)量少、基線較短的情況下，可以通過時(shí)間代價(jià)換取空間的變化，達(dá)到求解相時(shí)延、提高測量精度的目的，具有很大的工程價(jià)值。

與ΔDOR技術(shù)的群時(shí)延時(shí)域差分不同，相位參考干涉測量依靠的是相位的時(shí)域差分。但要在實(shí)際觀測中實(shí)現(xiàn)航天器與參考源信號(hào)間的相位差分，必須要保證兩個(gè)目標(biāo)源干涉相位的可連接性，即對(duì)同一個(gè)目標(biāo)兩個(gè)相鄰弧段的觀測相位之間不能存在整周模糊，即相位變化小于半個(gè)整周，如圖7所示。這對(duì)相位參考干涉測量的觀測條件帶來了一定的要求，具體分析如下。

2.1 交替觀測周期

航天器和參考源的交替觀測周期定義為相鄰兩次參考源觀測弧段中間時(shí)刻的間隔。由于相位變化在短時(shí)間內(nèi)的主要因素是大氣擾動(dòng)，包括對(duì)流層和電離層擾動(dòng)，因此交替觀測周期必須足夠短才能保證參考源相鄰兩次觀測中間的弧段內(nèi)的相位變化值不會(huì)超過半個(gè)整周。根據(jù)大氣對(duì)流層和電離層模型計(jì)算，在X頻段，交替觀測周期需要小于5 min，即對(duì)航天器或參考源的一次觀測持續(xù)時(shí)長約2 min(需要考慮天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間)[22]。

2.2 參考源角距

影響相位變化的另一個(gè)重要因素就是航天器與參考源的角距。當(dāng)航天器與參考源信號(hào)傳輸路徑差別越大時(shí)，大氣對(duì)兩路信號(hào)影響的差別就越大。同時(shí)為了兼顧兩個(gè)目標(biāo)的快速交替觀測，參考源角距一般都要求小于5度，而ΔDOR觀測僅要求小于10度[22]。

3 國外相位參考干涉測量技術(shù)研究進(jìn)展

依托VLBA系統(tǒng)的十個(gè)大口徑天線，JPL最早開展了相位參考干涉測量的試驗(yàn)。2004年在勇氣號(hào)著陸火星前的1月19日、21日和23日三天，JPL利用VLBA對(duì)其進(jìn)行了四次觀測。與此同時(shí)，DSN也對(duì)勇氣號(hào)開展ΔDOR測量，JPL對(duì)兩者的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。最終相位參考干涉測量得到的勇氣號(hào)與參考射電源相對(duì)角位置精度約為1 nrad，而當(dāng)時(shí)美國DSN對(duì)勇氣號(hào)的ΔDOR測量精度約為2.5 nrad。兩者的定軌誤差橢圓見圖8[23]。這次試驗(yàn)充分表明相位參考干涉測量技術(shù)用于航天器導(dǎo)航的可行性，航天器下行遙測信號(hào)完全滿足干涉成圖條件。

2004年10月在卡西尼號(hào)航天器前往土星的途中JPL又開展了四次VLBA觀測試驗(yàn)[24-25]，得到航天器與射電源的相對(duì)角位置精度優(yōu)于1 nrad。2006年至2014年，JPL利用VLBA又對(duì)入軌后的卡西尼號(hào)進(jìn)行了17次觀測，利用其精確的定軌結(jié)果獲得了目前土星質(zhì)心最精確的位置[26]。

2008年3月至5月，JPL在鳳凰號(hào)航天器巡航段也開展了相位參考干涉測量試驗(yàn)，前后一共進(jìn)行了8次觀測。這次試驗(yàn)不僅開展了航天器-射電源交替觀測試驗(yàn)，還開展了同波束干涉測量(Same Beam Interferometry，SBI)[13]。試驗(yàn)選擇了兩個(gè)在火星環(huán)繞飛行的ODY和MRO作為參考源，來確定鳳凰號(hào)與它們之間的相對(duì)位置，差分相時(shí)延測量精度達(dá)到ps量級(jí)，相當(dāng)于測角精度約0.2 nrad，鳳凰號(hào)航天器相對(duì)火星質(zhì)心的定軌精度達(dá)到了15 m。鳳凰號(hào)航天器的DSN測量結(jié)果和相位參考干涉測量結(jié)果的誤差橢圓對(duì)比見圖9[11]。

針對(duì)2011年的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Mars Science Laboratory，MSL)任務(wù)和2013年的火星大氣和揮發(fā)物演化探測(Mars Atmosphere and Volatile Evolution，MAVEN)任務(wù)，JPL也開展了相位參考干涉測量的仿真試驗(yàn)[11]。

隨著最近VLBA幾個(gè)重要測站間的數(shù)據(jù)傳輸帶寬增大，準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸窄帶寬、短弧段觀測數(shù)據(jù)到相關(guān)處理中心成為可能。2013年9月，JPL和NRAO在MRO和ODY兩個(gè)火星環(huán)繞探測器上開展了第一次準(zhǔn)實(shí)時(shí)相位參考干涉測量試驗(yàn)[27]。為減少觀測數(shù)據(jù)量，每個(gè)目標(biāo)的觀測帶寬降低至1 MHz。數(shù)據(jù)傳輸加處理總時(shí)延約15 min，內(nèi)符合測量精度優(yōu)于0.3 mas。

ESA在2011年開展了對(duì)金星快車航天器的相位參考干涉測量試驗(yàn)，利用的是EVN的9個(gè)天線和1個(gè)VLBA天線[15]。這次試驗(yàn)與前幾次都不一樣，首先在設(shè)備上采用的不是統(tǒng)一的接收記錄儀，天線口徑有差別，其次觀測參數(shù)也不同，但最終測量精度和VLBA測量精度相當(dāng)。圖10是航天器先驗(yàn)位置誤差橢圓和相位參考干涉測量誤差橢圓示意圖[15]。

國外開展的相位參考干涉測量試驗(yàn)有效驗(yàn)證了該技術(shù)用于深空導(dǎo)航的可行性和優(yōu)勢，奠定了該技術(shù)從理論試驗(yàn)向工程應(yīng)用的發(fā)展基礎(chǔ)。

4 我國開展相位參考干涉測量技術(shù)研究的基礎(chǔ)和初步試驗(yàn)結(jié)果

我國探月工程已經(jīng)成功實(shí)施了嫦娥一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)和再入飛行返回試驗(yàn)四次任務(wù)，未來還將開展嫦娥四號(hào)月球背面著陸探測、嫦娥五號(hào)月面采樣返回和火星“繞、落、巡”一體化探測等任務(wù)。這些空間探測任務(wù)亟需高精度、高可靠的導(dǎo)航手段。我國一方面需要繼續(xù)改進(jìn)已有的VLBI測量系統(tǒng)，提高測量誤差標(biāo)校能力，另一方面也要積極研究新的測量手段。綜合考慮我國現(xiàn)有軟硬件條件，相位參考干涉測量技術(shù)是一個(gè)值得關(guān)注和研究的方向。

4.1 硬件基礎(chǔ)

(1)觀測網(wǎng)

我國已經(jīng)具有較為完整的中科院VLBI天文觀測網(wǎng)，包括上海天文臺(tái)天馬站65 m、佘山站25 m、國家天文臺(tái)密云站50 m、云南天文臺(tái)昆明站40 m和烏魯木齊天文臺(tái)南山站25m 5個(gè)天線。2013年我國喀什35 m和佳木斯66 m兩個(gè)深空站也已建成投入運(yùn)行，一共有7個(gè)大口徑天線。其中最長基線為喀什深空站至佳木斯深空站，約4300千米。上述測站的布局和UV平面覆蓋情況如圖11和12，可以看到這幾個(gè)測站的分布比較合理，UV平面覆蓋也比較均勻。

在前幾次嫦娥任務(wù)中，上述測站提供了非常好的無線電干涉測量支持，極大地提高了探測器的定軌精度。這些測站天線具有同時(shí)進(jìn)行航天器與參考源交替無線電干涉測量的能力，而且都已建立高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路，具備了開展實(shí)時(shí)相位參考干涉測量的觀測基礎(chǔ)。整個(gè)觀測網(wǎng)的不足之處在于短基線比較少，基線長短配合不夠好。

觀測網(wǎng)規(guī)模越大，相位參考干涉測量效果越好。我國在南美阿根廷的薩帕拉地區(qū)建設(shè)了一個(gè)35 m口徑天線的深空站，在納米比亞新建了18 m口徑天線兩套設(shè)備均具備干涉測量能力，而且還可以與ESA開展聯(lián)合觀測，如圖13-14所示，這將進(jìn)一步增加測站數(shù)量，有效提高相位參考干涉測量的精度和實(shí)時(shí)性。

(2)接收記錄系統(tǒng)

我國觀測網(wǎng)的天線都具備S/X雙頻段數(shù)據(jù)接收能力，數(shù)據(jù)采集單元均采用數(shù)字化基頻轉(zhuǎn)化器，可以同時(shí)輸入2路中頻信號(hào)，每路最大輸出通道為8個(gè)。對(duì)于射電源觀測，基帶信號(hào)帶寬1、2、4、8 MHz可選，量化比特?cái)?shù)1、2、4可選；對(duì)于航天器信號(hào)，基帶信號(hào)帶寬最小1 kHz，最大8 MHz，量化比特?cái)?shù)最大16。數(shù)據(jù)記錄單元最大可記錄16路數(shù)據(jù)，單路最大記錄速率可達(dá)64 Mbit/s。

4.2 軟件基礎(chǔ)

(1)相關(guān)處理機(jī)

現(xiàn)有相關(guān)處理運(yùn)算大部分都采用軟件相關(guān)處理機(jī)。我國北京航天飛行控制中心、西安衛(wèi)星測控中心和中科院上海天文臺(tái)均部署有軟件相關(guān)處理系統(tǒng)，最大能同時(shí)處理20個(gè)測站的數(shù)據(jù)，具備實(shí)時(shí)條紋搜索能力，相關(guān)處理滯后時(shí)間小于1分鐘[28-29]。此外，還可以利用國際開源軟件DIFX、SPICE等組合搭建相關(guān)處理系統(tǒng)[30]。

(2)相關(guān)后處理

相位參考干涉測量可以通過干涉成圖的方式獲得航天器的角位置。干涉成圖軟件一般采用美國NRAO開發(fā)的天文成圖處理系統(tǒng)(Astronomical Image Processing System，AIPS)[31]和Caltech開發(fā)的Difmap軟件[32]。AIPS用來對(duì)相關(guān)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度、相位、帶通、電離層、視差等各種校準(zhǔn)。Difmap則利用校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖。AIPS所需的輸入數(shù)據(jù)格式為FITS(Flexible Image Transport System，靈活圖像傳輸系統(tǒng))[33]。

4.3 嫦娥三號(hào)相位參考干涉測量試驗(yàn)結(jié)果

基于我國現(xiàn)有軟硬件基礎(chǔ)，利用“嫦娥三號(hào)”開展了我國首次相位參考干涉測量試驗(yàn)，旨在檢驗(yàn)我國現(xiàn)有干涉測量系統(tǒng)進(jìn)行相位參考干涉測量的可行性和精度水平[34]。試驗(yàn)選擇嫦娥三號(hào)巡視器作為目標(biāo)源，著陸器為參考源，首先確定兩者的角位置偏差，然后計(jì)算出了巡視器相對(duì)著陸器的月面二維位置。嫦娥三號(hào)著陸器和巡視器著陸后一直發(fā)送X頻段信號(hào)，兩個(gè)目標(biāo)距離足夠近，滿足同波束觀測條件。利用中科院VLBI天文觀測網(wǎng)四個(gè)測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于測站數(shù)量較少，需要較長弧段的觀測數(shù)據(jù)才能得到可靠的巡視器相位參考圖(如圖15所示，此時(shí)巡視器位于著陸器右后方)，或者利用最小二乘解出相位模糊度。圖16是利用相位參考干涉測量方法恢復(fù)出的巡視器在2013年12月14日到21日的月面軌跡圖，巡視器的精細(xì)運(yùn)動(dòng)清晰可見[35]。

通過與視覺定位結(jié)果對(duì)比，巡視器相對(duì)定位精度優(yōu)于1 m，等效于巡視器和著陸器相對(duì)角位置測量精度優(yōu)于0.5 mas，差分相時(shí)延測量精度達(dá)到10 ps量級(jí)。本次試驗(yàn)有效驗(yàn)證了利用我國VLBI觀測網(wǎng)進(jìn)行探測器相位參考干涉測量的可行性和高精度，再增加兩個(gè)深空站，測量精度和實(shí)時(shí)性將會(huì)得到進(jìn)一步提高[36]。

此外，利用在中國深空網(wǎng)的喀什深空站35 m天線至佳木斯深空站66 m天線開展了單基線觀測試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)嫦娥三號(hào)月球探測器著陸器全向天線和定向天線的精確相對(duì)定位，測量精度達(dá)到了與相時(shí)延解算結(jié)果相當(dāng)?shù)牧考?jí)[37]。

5 結(jié)束語

未來月球和火星是深空探測的重點(diǎn)，月球是人類進(jìn)入深空的理想基地和前哨站，而火星作為類地行星與地球最為相似，也是人類目前探測最為深入的類地行星[38]。深空探測需求的不斷深化及發(fā)展,對(duì)深空探測定位的精度提出了更高的要求。提高深空探測用VLBI技術(shù)測量精度有兩種途徑：一是提高現(xiàn)有設(shè)備的性能，二是研究新的觀測方法，這兩種途徑相輔相成[39]。深空導(dǎo)航用VLBI技術(shù)發(fā)展趨勢之一就是有更大或更多的天線參與到觀測中[39]?？紤]到相位參考干涉測量技術(shù)不僅測量精度高，且可適應(yīng)航天器常規(guī)下行信號(hào)，能夠極大地降低航天器重量和功耗需求的優(yōu)勢，針對(duì)我國未來深空探測重點(diǎn)任務(wù)——月球探測和火星探測任務(wù)的導(dǎo)航精度的需求，可以綜合利用目前國內(nèi)已有和正在建設(shè)的測地VLBI 2010系統(tǒng)的13 m天線、天文VLBI觀測網(wǎng)以及航天測控網(wǎng)中具備干涉測量能力的深空設(shè)備(35 m和66 m)和18 m測控設(shè)備等資源用于相位參考測量，推進(jìn)我國深空導(dǎo)航無線電干涉測量技術(shù)的發(fā)展，為未來深空探測任務(wù)提供更有力的支持。

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