嫦娥四號VLBI群時(shí)延跳變研究

　　摘要相時(shí)延處理軟件是嫦娥四號任務(wù)甚長基線干涉測量(VeryLongBaselineInterferometry,VLBI)測軌分系統(tǒng)軟件配置項(xiàng)之一,利用其處理著陸巡視器X波段DOR(DifferentialOne-wayRanging)信號時(shí),觀測弧段(scan)內(nèi)偶爾存在殘余群時(shí)延跳變問題.論文主要分為兩部分:一是根據(jù)VLBI信號接收和數(shù)據(jù)處理流程,從相關(guān)相位、頻率、幅度和功率方面進(jìn)行分析,最終將影響因素定位在昆明測站模擬信號異常;二是以scan內(nèi)時(shí)延跳變影響因素分析為基礎(chǔ),通過修正異常基線相關(guān)相位,研究殘余群時(shí)延跳變事后改正方法,并利用定軌軟件驗(yàn)證其有效性,升級了相時(shí)延處理軟件.

　　關(guān)鍵詞射電天文:甚長基線干涉測量,射電天文:時(shí)延跳變,方法:數(shù)據(jù)分析

　　1引言深空探測一般指對月球及以遠(yuǎn)的地外天體進(jìn)行空間探測的活動(dòng)[1].它主要通過發(fā)射探測器來進(jìn)行,而探測器的跟蹤及精密測定軌在探測任務(wù)中占據(jù)重要地位,是完成工程任務(wù)和科學(xué)探測的基礎(chǔ).甚長基線干涉測量(VeryLongBaselineInterferometry,VLBI)技術(shù)是目前角分辨率最高的天文觀測技術(shù),可以測定探測器的角位置,它與視線方向的測距與測速方法聯(lián)合,可以快速且精確地測定探測器在空間的位置和速度,對于探測器的定位和定軌,特別在探測器變軌、捕獲及下降著陸等關(guān)鍵弧段具有重要作用[2].

　　中國VLBI網(wǎng)(ChineseVLBINetwork,CVN)執(zhí)行我國探月和深空探測的VLBI測定軌任務(wù),嫦娥四號任務(wù)中,它由4個(gè)VLBI測站即北京密云(BJ)站、云南昆明(KM)站、烏魯木齊(UR)站、上海天馬(TM)站和上海VLBI數(shù)據(jù)處理中心組成.VLBI測站的主要設(shè)備有:天線(Antenna)、接收機(jī)(Receiver)、數(shù)據(jù)采集終端(ChineseDataAcquisitionSystem,CDAS)、時(shí)間頻率(Timefrequency)系統(tǒng)、氣象測量(Meteorologicalmeasurement)系統(tǒng)等;數(shù)據(jù)處理中心主要設(shè)備為軟件相關(guān)處理機(jī)(Softwarecorrelator)、硬件相關(guān)處理機(jī)(Hardwarecorrelator),主要軟件有相關(guān)后(Postcorrelation)處理軟件、相時(shí)延(Phasedelay)處理軟件、定位(Positiondetermination)和定軌(Orbitdetermination)軟件,其他配置項(xiàng)有觀測綱要(Taskscheduling)、臺(tái)站監(jiān)管(Stationmonitoring)、實(shí)時(shí)VLBI數(shù)據(jù)傳輸(e-VLBIdatatransmission)、誤差修正(Mediumcorrection)、運(yùn)行管理(Operationmanagement)等[2].

　　CVN網(wǎng)在執(zhí)行嫦娥四號任務(wù)時(shí),各VLBI測站交替觀測河外射電源和探測器.天線利用反射面將射電源或探測器發(fā)出的電波匯集起來,聚焦至天線的饋源系統(tǒng),饋源系統(tǒng)將射頻信號傳送至接收機(jī)進(jìn)行放大.放大后的射頻信號和基于氫鐘的本振信號進(jìn)行混頻,變換為中頻信號傳送至數(shù)據(jù)采集終端[2];終端對中頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣,采樣后利用FPGA(FieldProgrammableGateArray)進(jìn)一步信號處理,包括數(shù)字下變頻、提取基帶信號、格式封裝和協(xié)議封裝,并發(fā)送給記錄設(shè)備.利用e-VLBI技術(shù)將記錄的數(shù)據(jù)從觀測站傳至VLBI數(shù)據(jù)處理中心;軟、硬件相關(guān)處理機(jī)對VLBI觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理,獲得互相關(guān)條紋.

　　后處理和相時(shí)延配置項(xiàng)從互相關(guān)條紋中,利用帶寬綜合技術(shù)得到VLBI時(shí)延和時(shí)延率等基本觀測量,并進(jìn)行各項(xiàng)誤差改正.改正的基本技術(shù)為求取各頻點(diǎn)的探測器和射電源的差分相位,從而去除大氣時(shí)延、電離層時(shí)延和觀測裝置時(shí)延的大部分影響,并進(jìn)一步利用GPS(GlobalPositioningSystem)和氣象數(shù)據(jù)得到電離層和中性大氣時(shí)延予以精確修正.利用誤差改正后的時(shí)延、時(shí)延率數(shù)據(jù)以及北京航天飛行控制中心(BeijingAerospaceControlCenter,BACC)的測速測距數(shù)據(jù),由定位和定軌系統(tǒng)對探測器進(jìn)行軌道計(jì)算和定位歸算[2].

　　2時(shí)延分析

　　在嫦娥四號VLBI測定軌任務(wù)中,采用∆DOR(Delta-DifferentialOne-wayRanging)型VLBI技術(shù),即通過交替觀測河外射電源和探測器,并利用射電源的相關(guān)相位改正探測器的相關(guān)相位,從而大幅降低大氣、電離層、觀測裝置時(shí)延等公共誤差的影響[4–7].嫦娥四號DOR信號以載波頻率(Fc)8470MHz為中心,分別調(diào)制±65kHz的遙測信號、±0.5MHz的測距信號、±3.8MHz和±19.2MHz的側(cè)音信號.迄今為止,VLBI觀測量一般是群時(shí)延[8].在嫦娥四號著陸巡視器的VLBI觀測中,利用帶寬4MHz的4個(gè)通道分別記錄X波段DOR信號主載波Fc和Fc–19.2MHz(−DOR2)、Fc−3.8MHz(−DOR1)、Fc+19.2MHz(+DOR2)的側(cè)音信號,實(shí)際觀測中未記錄Fc+3.8MHz(+DOR1)的側(cè)音信號.

　　在∆DOR型VLBI技術(shù)中,首先利用主載波、±65KHz的遙測信號和±0.5MHz的測距信號解算主載波通道的初始?xì)堄嗳簳r(shí)延,再以此為基礎(chǔ)并綜合考慮4個(gè)通道修正裝置內(nèi)部時(shí)延后的探測器各頻點(diǎn)相關(guān)相位,利用修正后的4個(gè)頻點(diǎn)相關(guān)相位,進(jìn)行最小二乘擬合,得到帶寬綜合殘余群時(shí)延.然后通過大氣和電離層時(shí)延進(jìn)一步修正帶寬綜合殘余群時(shí)延,再加上幾何時(shí)延預(yù)測值,最終得到探測器的帶寬綜合群時(shí)延.利用上海天文臺(tái)相時(shí)延處理軟件分析嫦娥四號數(shù)據(jù)時(shí),著陸巡視器s8c10a數(shù)據(jù)存在scan內(nèi)時(shí)延跳變問題.在相時(shí)延處理軟件中,利用5s基線相關(guān)相位進(jìn)行時(shí)域積分并進(jìn)行直線擬合得到一個(gè)殘余群時(shí)延數(shù)據(jù),時(shí)延時(shí)間為這5s的中間時(shí)刻.因此每5s輸出一個(gè)時(shí)延數(shù)據(jù),文中的時(shí)延雖均用中間時(shí)刻來標(biāo)記,但反映的是這5s內(nèi)的時(shí)延情況.

　　跳變發(fā)生在2018年12月10日05:31:00左右,而UR測站在當(dāng)日06:28:00才開始參與觀測探測器,因此僅列出不包含UR測站的3條基線殘余群時(shí)延,放大圖跳變所在scan的時(shí)間段為05:29:00—05:31:59,BJ-KM和KM-TM基線殘余群時(shí)延出現(xiàn)跳變,時(shí)延跳變幅度約為9ns.隨后殘余群時(shí)延在該scan內(nèi)恢復(fù)正常,BJ-TM基線殘余群時(shí)延正常.在05:31:00之后,BJ-KM基線第17s、22s、27s、32s、37s5個(gè)時(shí)延數(shù)據(jù)跳變;時(shí)延數(shù)據(jù)有兩部分缺失,分別是跳變前第7s、12s和跳變后第42s、47s;第52s、57s時(shí)延數(shù)據(jù)恢復(fù)正常.KM-UR基線第12s、17s、22s、27s、32s、37s6個(gè)點(diǎn)時(shí)延跳變;時(shí)延數(shù)據(jù)也有兩部分缺失,分別是跳變前第7s和跳變后第42s、47s;第52s、57s時(shí)延數(shù)據(jù)恢復(fù)正常.

　　3時(shí)延跳變因素分析

　　本節(jié)利用相時(shí)延處理軟件以及3階鎖相環(huán)、快速傅里葉變換(FastFourierTransform,FFT)算法,對s8c10a的互相關(guān)數(shù)據(jù)和各測站輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到VLBI數(shù)據(jù)的相關(guān)相位、頻率和幅度信息,同時(shí)分析終端記錄的信號功率,來研究時(shí)延跳變影響因素.

　　3.1相關(guān)相位利用相時(shí)延處理軟件處理互相關(guān)數(shù)據(jù)得到基線相關(guān)相位,包括卷繞相關(guān)相位和解卷繞相關(guān)相位.卷繞相關(guān)相位反映相時(shí)延處理軟件生成的初始相位數(shù)據(jù)質(zhì)量,解卷繞相關(guān)相位則反映相位的趨勢變化情況.

　　3.1.1卷繞相關(guān)相位在相時(shí)延處理軟件中,探測器卷繞相關(guān)相位的范圍是(−π,+π).探測器4個(gè)頻點(diǎn)相關(guān)相位減去對應(yīng)頻率校準(zhǔn)射電源初相得到修正裝置內(nèi)部殘余時(shí)延的探測器卷繞相關(guān)相位,數(shù)據(jù)輸出間隔為1s.在發(fā)生跳變的scan,以BJ-KM基線為例,修正裝置內(nèi)部殘余時(shí)延的探測器卷繞相關(guān)相位如圖3所示.根據(jù)VLBI測站信號處理流程,氣象測量系統(tǒng)主要用于中性大氣、電離層的時(shí)延改正,與殘余群時(shí)延跳變無關(guān).時(shí)間頻率系統(tǒng)主要提供測站基準(zhǔn)頻率和時(shí)間,分析包含跳變時(shí)間段的30min的鐘速信息,臺(tái)站監(jiān)管時(shí)每30s記錄一次,結(jié)果表明數(shù)據(jù)正常、無跳變.

　　因此,KM測站接收系統(tǒng)其他組成部分如接收機(jī)系統(tǒng)、饋源艙至觀測室的電纜傳輸部分等,可能串入干擾信號.執(zhí)行嫦娥四號任務(wù)時(shí),各測站接收機(jī)放置于饋源艙,終端放置在觀測室,接收機(jī)輸出的中頻信號通過饋源艙至觀測室的電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集終端.嫦娥四號任務(wù)結(jié)束后,在2020年5月8日和7月17日分別完成了對KM、BJ測站饋源艙至觀測室約100m長電纜的更換,并整理了原先較為凌亂的電路走線.更換和整理電纜之后,截至2020年10月10日,在VLBI測定軌試驗(yàn)和任務(wù)中,與KM、BJ測站相關(guān)的基線未再出現(xiàn)時(shí)延跳變問題.UR和TM測站信號接收系統(tǒng)工作穩(wěn)定,相關(guān)基線出現(xiàn)時(shí)延跳變的情況較少.

　　因此,推測饋源艙至觀測室的電纜部分極有可能串入干擾信號,進(jìn)而導(dǎo)致了時(shí)延跳變.根據(jù)VLBI測站信號處理流程,從接收機(jī)輸出到終端的信號頻率較高,約數(shù)百M(fèi)Hz,因此電磁兼容的設(shè)計(jì)水平對信號質(zhì)量有較大影響.在測站更換電纜之前,可能由于電纜等電器件的老化以及走線凌亂等原因,造成了電路走線之間的串?dāng)_.比如不同走線之間存在電勢差,而走線之間又存在分布式電容,這樣走線之間的信號就會(huì)產(chǎn)生較大的串?dāng)_.此外,在我國火星探測任務(wù)中,還對昆明測站的接收機(jī)變頻系統(tǒng)進(jìn)行了更新,同時(shí)安裝了新的前置型終端,即把新終端安裝于饋源艙內(nèi),直接數(shù)字化,后續(xù)我們將繼續(xù)關(guān)注是否還有時(shí)延跳變問題出現(xiàn).

　　4跳變時(shí)延改正及定軌軟件評定

　　4.1殘余群時(shí)延改正方法研究

　　VLBI殘余群時(shí)延是由相關(guān)相位對頻率直線擬合給出的.根據(jù)第3.1.2節(jié)中對解卷繞相關(guān)相位的分析,時(shí)延跳變時(shí)間段的解卷繞相關(guān)相位異常,該scan其他時(shí)間段的解卷繞相關(guān)相位正常.在異常段,主載波和DOR各側(cè)音解卷繞相關(guān)相位整體跳變.跳變大小雖不同,但依然保留正常段的變化趨勢,跳變相關(guān)相位與理論相關(guān)相位存在一個(gè)常數(shù)差.

　　太空論文投稿刊物：《國際太空》(月刊)創(chuàng)刊于1979年，現(xiàn)由中國航天科技集團(tuán)公司主管，中國空間技術(shù)研究院北京空間科技信息研究所主辦的綜合性情報(bào)類月刊。此刊國內(nèi)外公開發(fā)行，屬國家正式期刊。其宗旨是向與航天有關(guān)的所有部門的領(lǐng)導(dǎo)和科技人員，提供國際空間活動(dòng)的最新情況和有關(guān)信息資料，它包括世界各國的空間政策、空間計(jì)劃、衛(wèi)星發(fā)射市場、載人航天器、空間探測器、各類衛(wèi)星及其應(yīng)用的市場、最新航天技術(shù)等。

　　5結(jié)論

　　本文對嫦娥四號VLBI測定軌任務(wù)中scan內(nèi)殘余群時(shí)延發(fā)生跳變的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,主要從相關(guān)相位、頻率、幅度和功率方面,分析了VLBI數(shù)據(jù)處理中心相時(shí)延配置項(xiàng)的數(shù)據(jù)以及各測站終端的記錄數(shù)據(jù),最終發(fā)現(xiàn)KM測站模擬信號異常導(dǎo)致scan內(nèi)殘余群時(shí)延跳變.利用上述分析結(jié)果,研究scan內(nèi)殘余群時(shí)延跳變事后改正方法,嘗試通過調(diào)整異常段的基線相關(guān)相位,得到改正后的殘余群時(shí)延.利用上海天文臺(tái)定軌軟件處理改正前后的時(shí)延數(shù)據(jù),驗(yàn)證殘余群時(shí)延事后改正方法的可行性,同時(shí)升級了上海天文臺(tái)相時(shí)延處理軟件.

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　　作者：蔣健華1,2†劉慶會(huì)1‡鄭鑫1鄧濤1,2

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