俄月球-全球等探測(cè)任務(wù)中的無(wú)線電科學(xué)試驗(yàn)

Alexander Sergeevich KOSOV,Vladimir Michailovich GOTLIB, Vriiy Alexandrovich KOROGOD,Uriiy Alexandrovich NEMLIHER, Dmitriy Petrovich SKULACHEV

(俄羅斯科學(xué)院空間研究所,莫斯科117997)

俄月球-全球等探測(cè)任務(wù)中的無(wú)線電科學(xué)試驗(yàn)

Alexander Sergeevich KOSOV,Vladimir Michailovich GOTLIB, Vriiy Alexandrovich KOROGOD,Uriiy Alexandrovich NEMLIHER, Dmitriy Petrovich SKULACHEV

(俄羅斯科學(xué)院空間研究所,莫斯科117997)

俄羅斯航天局正在規(guī)劃和推進(jìn)新的月球探測(cè)計(jì)劃,包括月球-資源和月球-全球探測(cè)任務(wù),它們搭載了3個(gè)無(wú)線電科學(xué)載荷:2個(gè)無(wú)線電信標(biāo)機(jī)分別安裝在2個(gè)著陸器上,1個(gè)Ka波段接收機(jī)安裝在月球-全球軌道器上。信標(biāo)機(jī)發(fā)射頻率為8.4 GHz和32 GHz。8.4 GHz的微波信號(hào)將被發(fā)回地球,利用地面VLBI監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,其結(jié)果可用于精密的天體力學(xué)觀測(cè)及導(dǎo)航,還能用于月球天平動(dòng)研究;32 GHz信號(hào)將用于定軌和月球重力場(chǎng)研究。Ka波段信號(hào)天線軸指向著陸區(qū)天頂方向,信號(hào)由軌道器接收。本文基于對(duì)Ka波段信號(hào)多普勒頻移的精確測(cè)量,通過(guò)研究著陸區(qū)附近重力場(chǎng)的微小變化(約3～5 mGal精度),探討月球重力場(chǎng)的不均勻性,其測(cè)量數(shù)據(jù)的空間分辨率約為20 km。

空間研究;無(wú)線電科學(xué);相干應(yīng)答器;同波束試驗(yàn)

0 引 言

截止2020年,俄羅斯有3個(gè)計(jì)劃中的月球探測(cè)任務(wù):2017年發(fā)射的月球-全球著陸器,如圖1; 2018年發(fā)射的月球-全球軌道器,如圖2;2019年發(fā)射的月球-資源著陸器。

月球-全球及月球-資源任務(wù)中有兩個(gè)不同的無(wú)線電科學(xué)載荷,分別是著陸器的無(wú)線電信標(biāo)和軌道器的接收機(jī)。著陸器的無(wú)線電信標(biāo)將包括一個(gè)X波段接收機(jī)、一個(gè)X波段發(fā)射器和一個(gè)Ka波段發(fā)射器。無(wú)線電信標(biāo)有自主工作和相干應(yīng)答2種工作模式。自主工作模式中信標(biāo)輻射信號(hào)的穩(wěn)定度取決于內(nèi)部參考源的穩(wěn)定度。在相干應(yīng)答工作模式中發(fā)射機(jī)信號(hào)鎖相于地球發(fā)出的參考信號(hào)。軌道器的接收機(jī)工作在Ka波段(32 GHz),將從月球著陸器的無(wú)線電信標(biāo)或者地球的發(fā)射機(jī)接收信號(hào),見(jiàn)圖1和圖2。利用著陸器的無(wú)線電信標(biāo)機(jī)和軌道器的接收機(jī)能夠進(jìn)行很多有價(jià)值的導(dǎo)航和天體力學(xué)試驗(yàn)。

圖1 月球-全球著陸器Fig.1 Luna-Glob lander

圖2 月球-全球軌道器Fig.2 Luna-Glob orbiter

1 著陸器的無(wú)線電信標(biāo)機(jī)

1.1 著陸器的無(wú)線電信標(biāo)機(jī)原型

著陸器的無(wú)線電信標(biāo)機(jī)原型是為福布斯-土壤任務(wù)開(kāi)發(fā)的USO 和為月球-資源任務(wù)開(kāi)發(fā)的非相干無(wú)線電信標(biāo)機(jī),兩者的儀器模型如圖3所示[3]。

圖3 USO及月球無(wú)線電信標(biāo)的合格模型圖Fig.3 Photo of the qualified models of USO and Luna's radio beacon instruments

1.2 相干無(wú)線電信標(biāo)機(jī)

新的相干無(wú)線電信標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。相干無(wú)線電信標(biāo)機(jī)是1個(gè)重約2 kg、體積約為2 L的盒子。其中有3個(gè)天線:X波段頻率為7.2 GHz的接收機(jī)微帶天線,X波段頻率為8.4 GHz的發(fā)射機(jī)微帶天線和Ka波段頻率為32 GHz的波導(dǎo)天線。X波段天線主波束指向地球方向,Ka波段天線主波束指向天頂方向。接收機(jī)7.2 GHz的參考信號(hào)被相干轉(zhuǎn)換為8.4 GHz和32 GHz的發(fā)射信號(hào)。此類轉(zhuǎn)換可以利用可指定比率的頻率轉(zhuǎn)換前置PLL電路實(shí)現(xiàn)。因此內(nèi)置信號(hào)參考源的波動(dòng)將不會(huì)影響到發(fā)射信號(hào)的頻率。此載荷在每個(gè)頻段的輻射功率可達(dá)0.5 W。天線為右旋圓極化天線,增益為5～7 dB。此載荷在自主工作模式下不需要地面提供參考信號(hào)。在此種模式下,接收機(jī)被關(guān)閉,PLL3和PLL5分別調(diào)制在8.4 GHz和32 GHz上,此時(shí)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度取決于內(nèi)置參考晶振。月球無(wú)線電信標(biāo)機(jī)的通用參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 無(wú)線電信標(biāo)機(jī)通用參數(shù)表Table 1 Specification of the radio beacon

內(nèi)置參考頻率振蕩源是儀器最重要的一部分,用以保持自主工作模式下的頻率穩(wěn)定性,以及相干工作模式下的信號(hào)相位噪聲水平。內(nèi)置參考源計(jì)劃采用瑞士Osciloquartz公司生產(chǎn)的OCXO BVA8607晶振。該參考晶振具有優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性,如表1所示;并且在帶寬為1 Hz的情況下,其相位噪聲控制在非常低的水平,具體數(shù)值為:1)頻率為1 Hz時(shí),對(duì)應(yīng)相位噪聲為-130 dBc;2)頻率為10 Hz,對(duì)應(yīng)相位噪聲為-145 d Bc;3)頻率為100 Hz,對(duì)應(yīng)相位噪聲為-153 dBc;4)頻率為1 k Hz,對(duì)應(yīng)相位噪聲為-156 d Bc;5)頻率為10 k Hz,對(duì)應(yīng)相位噪聲為-156 dBc。

圖4 相干無(wú)線電信標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the coherent raido beacon

OCXO BVA8607晶振優(yōu)異的性能及其低質(zhì)量使得它成為空間頻標(biāo)的最佳選擇。圖5給出了該參考晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定特性,可以看出在積分時(shí)間小于30 s的情況下可以達(dá)到7×10-13穩(wěn)定度?？晒┻x擇的另一款晶振PH-Maser的穩(wěn)定特性與OCXO BVA8607可比擬,而且在積分時(shí)間大于30 s時(shí)表現(xiàn)比OCXO BVA8607更好。但是由于月球無(wú)線電信標(biāo)機(jī)的質(zhì)量限制,無(wú)法將PH-Maser用作參考源。在相干工作模式下,發(fā)射信號(hào)與地面發(fā)射的參考信號(hào)同步。相干工作模式用于測(cè)量地面接收機(jī)和月球無(wú)線電信標(biāo)機(jī)之間的相對(duì)速度引起多普勒頻移。信號(hào)在地月之間往返的時(shí)間約3 s,在測(cè)量中首要保持的是信號(hào)的短期穩(wěn)定度。因此OCXO BVA8607也是地面參考晶振的最佳選擇。

無(wú)線電信標(biāo)機(jī)有2個(gè)發(fā)射機(jī)(X和Ka波段)和1個(gè)接收機(jī)(X波段),它們的詳細(xì)信息如下。

1)信標(biāo)機(jī)X波段發(fā)射機(jī)的詳細(xì)參數(shù)為,中心頻率:8.4 GHz;輻射功率:0.3 W;波束寬度(G= 0 d B):120°;極化類型:右旋圓極化;調(diào)制類型: QPSK,different Fm;頻率穩(wěn)定度:OCXO BVA8607;載波(副載波)譜寬度:0.01 Hz;自主工作模式相干時(shí)間:100 s。

2)Ka波段發(fā)射機(jī)的詳細(xì)參數(shù)為,中心頻率: 32 GHz;輻射功率:0.3 W;波束寬度(G=0 d B): 120°;極化類型:右旋圓極化;調(diào)制類型:無(wú)調(diào)制;頻率穩(wěn)定度:OCXO BVA8607;載波譜寬度:0.04 Hz;自主工作模式相干時(shí)間:25 s。

圖5 OCXO BVA8607晶振的頻率穩(wěn)定特性Fig.5 Frequency stability comparison for OCXO standards

3)X波段發(fā)射機(jī)的詳細(xì)參數(shù)為,中心頻率: 7.2 GHz;噪聲范圍:1.5 dB;主波束方向:地球;波束寬度(G=0 d B):120°;極化類型:右旋圓極化。

4)月球無(wú)線電信標(biāo)機(jī)多種工作模式為,32 GHz信號(hào),單一載波;8.4 GHz信號(hào),單一載波;8.4 GHz信號(hào),載波及±3 MHz副載波;8.4 GHz信號(hào),載波及±20 MHz副載波;8.4 GHz信號(hào),載波及± 50 MH副載波。

當(dāng)信標(biāo)機(jī)采用核電時(shí),進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)作業(yè);對(duì)地信息傳輸:對(duì)地面30 m天線傳輸速度可達(dá)0.1 M/s。

無(wú)線電信標(biāo)能在X波段進(jìn)行擴(kuò)頻。此種類型的信號(hào)包括主載波和副載波,其頻譜需要利用VLBI觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算不確定度。圖6給出了含20 MHz頻率調(diào)制的信號(hào)頻譜。

圖6 8.4 GHz信號(hào)頻譜(20 MHz頻率調(diào)制,日期:2010-05-26 22: 00:52)Fig.6 The 8.4 GHz signal spectrum(20 MHz modulation frequency,date:2010-05-26 22:00:52)

如前所述,當(dāng)有地面提供的參考信號(hào)時(shí),無(wú)線電信標(biāo)機(jī)可以工作在相干模式下。如果沒(méi)有地面提供信號(hào)時(shí),無(wú)線電信標(biāo)機(jī)將工作在自主模式下。

無(wú)線電信標(biāo)機(jī)有兩種天線:X波段發(fā)射機(jī)的貼片天線和Ka波段發(fā)射機(jī)的波導(dǎo)天線。圖7給出了貼片天線示意圖及其波束方向圖。Ka波段天線示意圖及其波束方向圖見(jiàn)圖8。

1)X波段天線的詳細(xì)信息為,頻率:8.4/7.2 GHz;增益:7.1 dB;波束寬度(G=-3 dB):82°;極化信息:右旋圓極化。

2)ka波段天線的詳細(xì)信息頻率:3.2 GHz;增益:9.6 d B;波束寬度(G=-3 d B):60°;極化信息:右旋圓極化。

圖7 X波段微帶天線(a)及其波束方向圖(b)Fig.7 X-band antenna(a)and its beam pattern(b)

圖8 波段貼片天線(a)及其波束方向圖(b)Fig.8 Ka-band antenna(a)and its beam pattern(b)

1.3 月球-全球軌道器和Ka波段接收機(jī)

Ka波段接收機(jī)是月球-全球軌道器的科學(xué)載荷之一。軌道器結(jié)構(gòu)圖和Ka波段接收機(jī)如圖9所示。

圖9 月球-全球軌道器和Ka波段接收機(jī)Fig.9 The Luna-Glob orbiter and Ka-band receiver

Ka波段接收機(jī)設(shè)計(jì)用來(lái)接收月球信標(biāo)機(jī)信號(hào)并精確測(cè)量多普勒頻移和相對(duì)速度。圖10給出了測(cè)量多普勒頻移的經(jīng)過(guò)。輸入的32 GHz信號(hào)經(jīng)過(guò)降頻和數(shù)字化后計(jì)算頻率漂移。

Ka波段接收機(jī)由OCXO BVA8607參考晶振、波導(dǎo)天線、低噪聲放大器、頻率轉(zhuǎn)換器、數(shù)字單元和供能單元組成。詳細(xì)信息為:中心頻率:32 GHz;噪聲溫度:≤150 K;波束寬度:120°;極化類型:右旋圓極化;帶寬:0.5 MHz;信噪比(PTX=5 W,1 Hz, 500 km):40 dB;速度變化量的測(cè)量精度:3 m Gal。

本地晶振(OCXO BVA8607)的頻率穩(wěn)定度為: 1)積分時(shí)間為3～30 s時(shí),對(duì)應(yīng)阿蘭方差為8× 10-14;2)積分時(shí)間為1～300 s時(shí),對(duì)應(yīng)阿蘭方差為1×10-13;3)積分時(shí)間為1～10 000 s時(shí),對(duì)應(yīng)阿蘭方差為1×10-12;4)積分時(shí)間為24 h時(shí),對(duì)應(yīng)阿蘭方差為5×10-12;5)積分時(shí)間為1 a時(shí),對(duì)應(yīng)阿蘭方差為2×10-9。

圖10 多普勒測(cè)量圖示Fig.10 The chart of Doppler shift measurement

2 利用著陸器和軌道器進(jìn)行無(wú)線電科學(xué)試驗(yàn)

利用著陸器信標(biāo)機(jī)和軌道器接收機(jī)可以進(jìn)行很多有價(jià)值的無(wú)線電科學(xué)試驗(yàn)。第1組是導(dǎo)航任務(wù)。通過(guò)接收地面VLBI網(wǎng)的X波段信號(hào),可以開(kāi)展著陸器精確位置測(cè)定工作(精度可達(dá)10 cm)。圖11給出了同波束定位導(dǎo)航試驗(yàn)的示意圖。

圖11 利用月球無(wú)線電信標(biāo)開(kāi)展同波束導(dǎo)航試驗(yàn)Fig.11 Chart of navigation experiments with Luna's radio beacons

另一個(gè)導(dǎo)航任務(wù)是精確測(cè)量月球全球軌道器的軌道參數(shù)。在此任務(wù)中,將會(huì)使用無(wú)線電信標(biāo)機(jī)Ka波段信號(hào)和軌道器接收機(jī)的數(shù)據(jù)。該任務(wù)的示意圖見(jiàn)圖12。

第2組是科學(xué)試驗(yàn)。軌道器Ka波段接收機(jī)能夠?qū)ζ浼铀俣茸龈呔葴y(cè)量。而軌道器的加速度變化與月球重力場(chǎng)變化相關(guān)。月球的非均勻重力場(chǎng)研究(investigation of non-uniformity of gravy field of luna,INGL)試驗(yàn)的目的是測(cè)量著陸器附近的月球重力場(chǎng)變化。此測(cè)量的精度與GRAIL數(shù)據(jù)精度是可比擬的。表2對(duì)GRAIL和INGL進(jìn)行了對(duì)比。

第3種科學(xué)試驗(yàn)是同波束干涉測(cè)量(same beam interferometer,SBI)試驗(yàn)。在此試驗(yàn)中,月面的幾個(gè)無(wú)線電信標(biāo)機(jī)應(yīng)當(dāng)同時(shí)工作,信號(hào)被地面同一個(gè)站接收。SBI的位置測(cè)量精度可達(dá)0.1 mm。誤差源及誤差值的實(shí)驗(yàn)估計(jì)值如表3所示[1]。

表2 GRAIL和INGL特性對(duì)比Table 2 INGL features in comparison with GRAIL

表3 SBI實(shí)驗(yàn)誤差源及估計(jì)值Table 3 Sources and values on SBI measurement errors

3 結(jié)束語(yǔ)

俄羅斯月球資源和月球全球探測(cè)任務(wù)中的月球無(wú)線電科學(xué)試驗(yàn),將搭載OCXO BVA8607超穩(wěn)定晶振為無(wú)線電發(fā)射機(jī)提供頻率參考。利用這兩個(gè)探測(cè)計(jì)劃在X波段和Ka波段開(kāi)展的無(wú)線電科學(xué)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)將使用地面VLBI監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,其結(jié)果可用于精密的天體力學(xué)觀測(cè)及導(dǎo)航,還能用于月球天平動(dòng)研究。著陸器無(wú)線電信標(biāo)機(jī)和軌道器接收機(jī)還將用于衛(wèi)星導(dǎo)航和通訊。進(jìn)一步利用無(wú)線電科學(xué)方法可以在以下可能的科學(xué)方向上有所建樹(shù):

圖12 軌道參數(shù)測(cè)量示意圖Fig.12 Chart of orbit parameters measurements

1)地球參考架的改進(jìn)。

2)月球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)機(jī)制,特別通過(guò)確定月球主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、月核扁率、月球自轉(zhuǎn)的自由和受迫天平動(dòng)、潮汐及其耗散,更好地確定核半徑及內(nèi)核的可能組成,對(duì)月球演化理論給出約束。

3)更好地確定廣義相對(duì)論的參數(shù),通過(guò)PPN參數(shù)值測(cè)量或者測(cè)試背離廣義相對(duì)論的現(xiàn)象來(lái)尋找更普適的引力理論。

4)進(jìn)一步優(yōu)化月球自轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)、月球軌道、月球歷表及更多的牛頓力學(xué)變化量的觀測(cè)。

這兩個(gè)探測(cè)計(jì)劃中無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)施將擴(kuò)展我們對(duì)月球內(nèi)部、軌道動(dòng)力學(xué)、重力場(chǎng)結(jié)構(gòu)、廣義相對(duì)論以及月球歷史等的認(rèn)識(shí)。

致謝

作者感謝中科院國(guó)家天文臺(tái)王明遠(yuǎn)博士將本文由英文翻譯成中文。

[1]Gregnanin M,Bertotti B,Chersich M,et al.Same beam interferometry as a tool for the investigation of the lunar interior[J].Planetary and Space Science,2012(74):194-201.

[2]Dehant V,Oberst J,Nadalini R,et al.Geodesy instrument package on the Moon for improving our knowledge of the Moon and the realization of reference frames[J].Planetary and Space Science,2012(68):94-104.

[3]Kosov A S,Gotlib V M,Vald-Perlov V M,et al.Ultra stable millimeter wave oscillator intended for space project Phobos-Grunt[C]∥Global Symposium on Millimeter Waves Proceeding.Nanjing,China,21-24 April 2008.

Alexander Sergeevich KOSOV(1949—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:衛(wèi)星無(wú)線電通信,衛(wèi)星空間探測(cè)技術(shù)。

通信地址:俄羅斯科學(xué)院空間研究所,莫斯科(117997)

電話:+7(495)333-52-12

E-mail:akosov@iki.rssi.ru

[責(zé)任編輯:高莎]

Radio Science Experiments in Russian“Luna-Recourse”“Luna-Glob”Projects

Alexander Sergeevich KOSOV,Vladimir Michailovich GOTLIB, Vriiy Alexandrovich KOROGOD,Uriiy Alexandrovich NEMLIHER, Dmitriy Petrovich SKULACHEV
(Space Research Institute,Russian Academy of Sciences,Moscow 117997,Russia)

These years,the Russia Space Agency is planning a couple of new lunar orbiting and landing explorations,the luna-resource and luna-glob projects.Three kinds of radio scientific payloads will be installed on them:two radio beacons,installed on Luna-Resource and Luna-Glob Landers separately,and a Ka-band receiver installed on Luna-Glob orbiter.The beacons will irradiate signals at two radio frequency bands of 8.4 GHz and 32 GHz.The 8.4 GHz signals will be transmitted to the Earth,where the VLBI ground based network will be used for celestial mechanics experiments and as a navigation tool.It will be possible to measure the beacon's positions with accuracy about 1 cm and to register Moon's libration.The 32 GHz band will be used as a kind of orbiter navigation tool and for lunar gravity field investigation.The Ka band signal will be directed to local zenith and will be received by orbiter's receiver.Investigation of non-uniformity of lunar gravity field(experiment INGL)will be performed in vicinity of landing regions with accuracy 3～5 m Gal.The spatial resolution will be about 20 km.The experiment is based on precise Doppler shift measurement.

space research;radio science;coherent transponder;same beam experiment

P228

:A

:2095-7777(2014)03-0181-06

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.03.003

2014-07-28

2014-08-15

俄羅斯航天局探月專項(xiàng)