火星探測(cè)VLBI測(cè)定軌技術(shù)

劉慶會(huì)

（中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030）

引 言

我國(guó)將于2020年首次發(fā)射由環(huán)繞器和著陸巡視器組成的火星探測(cè)器，一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)“環(huán)繞”“著陸”“巡視”3個(gè)探測(cè)目標(biāo)?；鹦翘綔y(cè)器經(jīng)過(guò)約7個(gè)月巡航飛行進(jìn)入近火制動(dòng)。環(huán)繞器環(huán)繞火星飛行后與著陸巡視器分離進(jìn)入任務(wù)使命軌道，著陸巡視器著陸在火星表面進(jìn)行科學(xué)探測(cè)?；鹦翘綔y(cè)器的跟蹤及精密測(cè)定軌是完成工程任務(wù)和科學(xué)探測(cè)的基礎(chǔ)[1-2]。

火星探測(cè)器的跟蹤和測(cè)定軌，目前主要采用基于地面無(wú)線電測(cè)量的測(cè)距、測(cè)速和甚長(zhǎng)基線干涉（Very Long Baseline Interferomety，VLBI）測(cè)角3種手段。VLBI對(duì)與視線垂直方向上的探測(cè)器的位置變化有很高靈敏度，與視線方向具有高靈敏度的測(cè)距、測(cè)速形成互補(bǔ)，是火星探測(cè)器測(cè)定軌的必要手段，特別是在地火轉(zhuǎn)移段、近火制動(dòng)段等測(cè)定軌難度較大的測(cè)控弧段的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

火星探測(cè)器的跟蹤及精密測(cè)定軌比我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展的月球探測(cè)難度更高?；鹦蔷嚯x地球最遠(yuǎn)約4億km，單程延時(shí)最大1 334 s。利用波束較窄的地面大型望遠(yuǎn)鏡跟蹤探測(cè)器時(shí)，需要考慮延時(shí)期間內(nèi)探測(cè)器在與視線垂直方向上的移動(dòng)距離即光行時(shí)的影響，并改正望遠(yuǎn)鏡的跟蹤方向，以保證望遠(yuǎn)鏡的良好接收能力。

由于距離遙遠(yuǎn)，對(duì)VLBI測(cè)定軌技術(shù)提出了更高要求。探測(cè)器進(jìn)入近火制動(dòng)段時(shí)，地火距離一般達(dá)到2.0億km，與月球探測(cè)器捕獲時(shí)的38萬(wàn)km相比，距離增加了500多倍。比如，VLBI時(shí)延測(cè)量誤差1 ns（0.3 m），在3 000 km的基線長(zhǎng)度上，對(duì)2億km以遠(yuǎn)的火星探測(cè)器的與視線垂直方向的單點(diǎn)測(cè)軌誤差約為2億km/3 000 km ×0.3 m = 20 km，遠(yuǎn)大于視線方向的約5 m的測(cè)距誤差。VLBI時(shí)延測(cè)量精度的提高是火星探測(cè)器測(cè)定軌精度提高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了提高VLBI時(shí)延測(cè)量精度，火星探測(cè)時(shí)一般采用△DOR型VLBI技術(shù)，即交替觀測(cè)河外射電源和火星探測(cè)器，并利用射電源的相關(guān)相位改正探測(cè)器的相關(guān)相位，從而大幅降低大氣、電離層、觀測(cè)裝置時(shí)延等這些公共誤差的影響?！鱀OR技術(shù)已成為美國(guó)和歐洲深空探測(cè)器測(cè)定軌的基本方法，在歐美近20年發(fā)射的火星探測(cè)中，每次任務(wù)均利用了△DOR技術(shù)。比如，美國(guó)2011年發(fā)射的“好奇號(hào)”（Curiosity）火星車的△DOR型VLBI時(shí)延測(cè)量誤差最低降至0.04 ns，在2億km遠(yuǎn)的近火制動(dòng)段，其天平面內(nèi)的約束能力達(dá)到約400 m。利用VLBI和測(cè)速測(cè)距數(shù)據(jù)，“好奇號(hào)”火星車在B平面的定軌精度達(dá)到了約200 m[3]。

在“嫦娥3號(hào)”等任務(wù)中，我們利用由上海65 m（天馬望遠(yuǎn)鏡）、北京50 m、昆明40 m和烏魯木齊25 m射電望遠(yuǎn)鏡組成的中國(guó)科學(xué)院VLBI網(wǎng)和△DOR技術(shù)，把VLBI時(shí)延測(cè)量誤差降至0.67 ns[4-5]。結(jié)合測(cè)速和測(cè)據(jù)數(shù)據(jù)，著陸器月面測(cè)定位和環(huán)月段的測(cè)定軌誤差約50 m，地月轉(zhuǎn)移段和近月制動(dòng)段的測(cè)定軌誤差數(shù)100 m[6-7]。VLBI測(cè)量精度與歐洲空間局（ESA）相當(dāng)，和NASA相比還有一定差距。

△DOR型VLBI技術(shù)適合于單個(gè)探測(cè)器測(cè)定軌，而同波束VLBI技術(shù)則適合于多個(gè)探測(cè)器的精密測(cè)定軌。同波束VLBI即利用射電望遠(yuǎn)鏡的主波束同時(shí)觀測(cè)角距小于望遠(yuǎn)鏡波束寬度的兩個(gè)（或多個(gè)）探測(cè)器，得到每個(gè)探測(cè)器信號(hào)的相關(guān)相位并在測(cè)站和探測(cè)器間進(jìn)行兩次差分，從而除去太陽(yáng)等離子體、地球大氣和電離層及觀測(cè)裝置內(nèi)部時(shí)延的絕大部分影響，得到更高精度的差分時(shí)延觀測(cè)量[8-9]。在“嫦娥3號(hào)”的軌道器和月球車的同波束VLBI中，得到了隨機(jī)誤差小于1 ps的差分相時(shí)延數(shù)據(jù)，并利用此數(shù)據(jù)以0.1 m的靈敏度監(jiān)測(cè)出月球車的移動(dòng)、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，把月球車的相對(duì)定位精度提高至1 m。同波束VLBI技術(shù)同樣適合于火星車定位和環(huán)繞器定軌。基于我國(guó)研發(fā)的火星車和軌道器的聯(lián)合定軌定位軟件的仿真分析結(jié)果表明，利用弧長(zhǎng)數(shù)小時(shí)的環(huán)繞器測(cè)距以及火星車和環(huán)繞器的同波束VLBI差分相時(shí)延數(shù)據(jù)，有望實(shí)現(xiàn)誤差數(shù)百米的火星車定位和誤差數(shù)十米的環(huán)火探測(cè)段的環(huán)繞器定軌。

本文主要內(nèi)容包括：△DOR型VLBI技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況、火星探測(cè)器VLBI測(cè)定軌技術(shù)分析、基于同波束VLBI的火星車定位分析、火星探測(cè)器的VLBI觀測(cè)。這些內(nèi)容對(duì)我國(guó)的火星探測(cè)器VLBI測(cè)定軌有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 △DOR 型VLBI技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況

由于VLBI其對(duì)與視線垂直方向上的探測(cè)器的位置和速度變化具有很高靈敏度，在深空探測(cè)器測(cè)定軌中被廣泛應(yīng)用。美國(guó)和歐洲近期的所有深空探測(cè)器，均利用了△DOR型VLBI技術(shù)進(jìn)行測(cè)定軌。作為一個(gè)成功的應(yīng)用案例，“好奇號(hào)”火星車MSL的2程測(cè)速測(cè)距和△DOR測(cè)量由位于澳大利亞堪培拉、美國(guó)加利福利亞和西班牙馬德里的口徑70 m和34 m的深空站執(zhí)行。測(cè)速、測(cè)距和△DOR的測(cè)量誤差分別達(dá)到0.1 mm/s、1 m、0.04 ns。實(shí)際的測(cè)量頻度為：測(cè)速測(cè)距測(cè)量頻度高，每日連續(xù)測(cè)量或每周測(cè)量5次。△DOR測(cè)量頻度略低，地火轉(zhuǎn)移段每周1～2次，近火制動(dòng)段加強(qiáng)觀測(cè)，每天2次。利用上述測(cè)速測(cè)距和△DOR數(shù)據(jù)，在2億km遠(yuǎn)的火星捕獲段，其天平面內(nèi)的約束能力達(dá)到約400 m，實(shí)現(xiàn)了火星探測(cè)器目前最高的測(cè)定軌精度。

我國(guó)在“嫦娥2號(hào)”中驗(yàn)證了△DOR技術(shù)，“嫦娥3號(hào)”正式利用△DOR技術(shù)進(jìn)行工程準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)定軌?！版隙?號(hào)”著陸器在2013年12月的奔月段、環(huán)月段和落月初期，發(fā)射兩組DOR信號(hào)用于VLBI測(cè)定軌。我們對(duì)“嫦娥3號(hào)”和鄰近射電源進(jìn)行5 min左右的交替觀測(cè)，并對(duì)相關(guān)相位進(jìn)行差分除去了大氣、電離層及裝置內(nèi)部時(shí)延的大部分影響。同時(shí)利用GPS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等進(jìn)一步減小大氣和電離層時(shí)延的影響。如圖1所示，“嫦娥3號(hào)”著陸器兩組DOR信號(hào)以載波頻率為中心，分別調(diào)制 ± 65 kHz的遙測(cè)信號(hào)、± 0.5 MHz的測(cè)距信號(hào)、± 3.8 MHz和 ± 19.2 MHz的DOR信號(hào)。在“嫦娥3號(hào)”奔月段、環(huán)月段和落月初期的VLBI觀測(cè)中，利用帶寬2 MHz的4個(gè)通道分別記錄主載波：fc和fc-19.2 MHz、fc+ 3.8 MHz、fc+ 19.2 MHz的DOR信號(hào)。首先利用主載波、± 65 kHz的遙測(cè)信號(hào)和 ± 0.5 MHz的測(cè)距信號(hào)解算單通道內(nèi)的時(shí)延，再以此為基礎(chǔ)并綜合考慮4個(gè)通道的相關(guān)相位，利用帶寬綜合方法求出38.4 MHz帶寬的VLBI群時(shí)延。利用主載波fc的相關(guān)相位解算VLBI時(shí)延率。

圖1 主載波、DOR信號(hào)和測(cè)距信號(hào)Fig.1 Main carrier，DOR and ranging signals

圖2為北京50 m、昆明40 m、烏魯木齊25 m、上海天馬65 m測(cè)站在2013年12月9日接收記錄的“嫦娥3號(hào)”主載波fc、遙測(cè)信號(hào)和測(cè)距信號(hào)。利用主載波和噪聲的強(qiáng)度，計(jì)算得到的北京、昆明、烏魯木齊、天馬測(cè)站的主載波信號(hào)的信噪比分別為18.6、19.7、10.8、27.0 dB，可明顯看出大型望遠(yuǎn)鏡天馬站接收信號(hào)的信噪比最大。主載波信號(hào)相位用來(lái)求取時(shí)延率，主載波通道內(nèi)的所有信號(hào)用來(lái)求取本通道內(nèi)的VLBI時(shí)延。

圖3給出了“嫦娥3號(hào)”定軌后的VLBI時(shí)延殘差，它是利用4個(gè)測(cè)站6條基線的定軌后的時(shí)延殘差的均方根計(jì)算得出的?！版隙?號(hào)”共有12天的△DOR型VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)，奔月段4天、環(huán)月段8天。12天的VLBI時(shí)延殘差在0.4～1.0 ns之間，其平均值為0.67 ns。利用VLBI時(shí)延和測(cè)速測(cè)距數(shù)據(jù)，“嫦娥3號(hào)”地月轉(zhuǎn)移段定軌誤差為數(shù)百米，環(huán)月段的定軌誤差為20～30 m。同時(shí)，利用VLBI數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)定位方法確定了著陸器在月面的位置，定位精度約50 m。

圖2 接收的“嫦娥3號(hào)”DOR信號(hào)主載波、遙測(cè)信號(hào)和測(cè)距信號(hào)Fig.2 CE-3 main carrier，DOR，telemetry and ranging signals received

圖3 “嫦娥3號(hào)”定軌后的VLBI時(shí)延殘差Fig.3 CE-3 VLBI delay residual after orbit determination

2 火星探測(cè)器VLBI測(cè)定軌技術(shù)分析

由于星地距離遙遠(yuǎn)，火星探測(cè)器的跟蹤需要考慮延遲時(shí)間Δt內(nèi)的探測(cè)器在與視線垂直方向上的移動(dòng)距離即光行時(shí)的影響，這點(diǎn)與月球探測(cè)器不同。如圖4所示，在VLBI觀測(cè)時(shí)，地面望遠(yuǎn)鏡在t0時(shí)刻接收到的信號(hào)，實(shí)際上是t0-Δt時(shí)刻探測(cè)器發(fā)射的信號(hào)。所以，在波束較窄的大型射電望遠(yuǎn)鏡接收探測(cè)器的信號(hào)時(shí)，應(yīng)該讓望遠(yuǎn)鏡指向t0-Δt時(shí)刻的探測(cè)器的位置。

以2020年7月發(fā)射的火星探測(cè)器為例，分析了該探測(cè)器在近火制動(dòng)、平面機(jī)動(dòng)、降軌前等各測(cè)控弧段的與探測(cè)器跟蹤有關(guān)的參數(shù)。由于星地距離達(dá)到1.9～2.9億km，延遲時(shí)間Δt為641.5～975.5 s，探測(cè)器的橫向移動(dòng)距離對(duì)應(yīng)的角度θ為15.0～25.0′′。而上海65 m射電望遠(yuǎn)鏡X頻段波束寬度的1/10約為12.39＂。所以，利用大型射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，為了保證接收能力，需要考慮光行時(shí)的影響。對(duì)于天線口徑66 m的佳木斯深空站來(lái)說(shuō)，由于其需要進(jìn)行2程測(cè)速測(cè)距和遙測(cè)遙控，下行接收時(shí)需要跟蹤t0-Δt時(shí)刻的探測(cè)器的位置，上行發(fā)射時(shí)需要跟蹤t0+Δt時(shí)刻的探測(cè)器的位置，否則會(huì)降低接收和發(fā)射的能力。歐洲航天局的35 m深空站在Ka波段（32 GHz）跟蹤水星探測(cè)器BepiColombo時(shí)，充分考慮了上下行同時(shí)跟蹤的問(wèn)題。他們通過(guò)自動(dòng)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部設(shè)置的上行鏈路中一個(gè)反射鏡的位置，實(shí)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡上行和下行的不同指向和上下行同時(shí)跟蹤。

為了驗(yàn)證指向偏差引起的射電望遠(yuǎn)鏡接收能力下降的實(shí)際情況，利用火星快車（Mars Express，MEX）和火星勘測(cè)軌道器（Mars Reconnaissance Orbit，MRO）的精密星歷和上海65 m射電望遠(yuǎn)鏡，分別在考慮光行時(shí)和不考慮光行時(shí)兩種狀態(tài)下進(jìn)行了跟蹤，并測(cè)試比較了兩種情況下的接收信號(hào)的強(qiáng)度。結(jié)果表明，在不考慮光行時(shí)的接收信號(hào)的功率比考慮光行時(shí)低0.8 dB左右。 利用天馬望遠(yuǎn)鏡，在改正了結(jié)構(gòu)變形引起的指向偏差、大氣折射、光行時(shí)引起的指向偏差后跟蹤火星探測(cè)器MEX，通過(guò)掃描找到接收信號(hào)最強(qiáng)的位置并改正殘余的指向偏差。在此基礎(chǔ)上，再人為地在俯仰方向上給予偏差，測(cè)量接收信號(hào)功率的變化和俯仰偏差的關(guān)系。圖5 給出了測(cè)試結(jié)果。由圖5可知，在俯仰偏差為 ± 36＂時(shí)，接收能力降低約0.8 dB。在俯仰偏差為 ± 72＂時(shí)，接收能力降低約3.5 dB。

圖4 火星探測(cè)器跟蹤示意圖Fig.4 Tracking of Mars spacecraft

圖5 人為施加俯仰偏差情況下的接收功率的衰減（黑點(diǎn)）和理論曲線（紅線）Fig.5 Power reduction of the received signal with elevation offset（black spots）and theoretical curve（red line）

分別利用5天的測(cè)速測(cè)距數(shù)據(jù)、測(cè)速測(cè)距+VLBI數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌并預(yù)報(bào)2天至近火制動(dòng)點(diǎn)的定軌誤差和近火點(diǎn)高度預(yù)報(bào)誤差。在加上VLBI數(shù)據(jù)后，三維定軌誤差由只用測(cè)速測(cè)距時(shí)的45.7 km降至18.8 km，速度誤差由322.9 m/s降至120.9 m/s，近火點(diǎn)高度預(yù)報(bào)誤差由28.2 km降至7.6 km，充分體現(xiàn)了VLBI在近火制動(dòng)等關(guān)鍵測(cè)控弧段對(duì)定軌和軌道預(yù)報(bào)精度提高的貢獻(xiàn)。

表1 仿真用的導(dǎo)航觀測(cè)數(shù)據(jù)與我國(guó)測(cè)控網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)的測(cè)量誤差Table 1 Navigation data and measurement error that can be realized for simulation

3 基于同波束VLBI的火星車定位技術(shù)

火星車和環(huán)繞器的同波束VLBI觀測(cè)即利用望遠(yuǎn)鏡的主波束同時(shí)接收火星車和環(huán)繞器的信號(hào)，求取相關(guān)相位后再在兩器間進(jìn)行差分，得到差分時(shí)延觀測(cè)量（見(jiàn)圖6）。地面射電望遠(yuǎn)鏡的波束寬度η與接收信號(hào)的波長(zhǎng)λ及射電望遠(yuǎn)鏡的口徑D有關(guān)其中，α范圍為1～1.22。在X頻段的8 500 MHz觀測(cè)時(shí)我國(guó)VLBI網(wǎng)口徑最大的上海65 m和最小的上海25 m射電望遠(yuǎn)鏡的波束寬度分別為0.038°和0.1°，對(duì)應(yīng)到最近距離5 500萬(wàn)km的火星處，可進(jìn)行同波束VLBI觀測(cè)的范圍分別為36 475 km和95 986 km。所以，對(duì)于直徑6 794 km火星表面的火星車和軌道高度數(shù)千千米的環(huán)繞器來(lái)說(shuō)，一直能進(jìn)行同波束VLBI觀測(cè)。

火星車和環(huán)繞器的同波束VLBI差分時(shí)延測(cè)量模型如下

圖6 火星車和環(huán)繞器的同波束VLBI，以及環(huán)繞器的測(cè)速測(cè)距觀測(cè)Fig.6 Same-beam VLBI observation between a Mars rover and an orbiter，and ranging and Doppler measurement of the orbiter

其中：τR為火星車到兩個(gè)測(cè)站的時(shí)延；τO為環(huán)繞器到兩個(gè)測(cè)站的時(shí)延。火星車相對(duì)于環(huán)繞器的殘余差分相時(shí)延Δτpd(t)為

其中：φR(t)、φO(t)分別為火星車和環(huán)繞器的相關(guān)相位；fR、fO分別為對(duì)應(yīng)的射頻頻率。差分相時(shí)延隨機(jī)誤差為ps量級(jí)，但含有整周模糊度C，主要由φR(t)和φO(t)中的整周模糊度引起。在一個(gè)連續(xù)的觀測(cè)弧度內(nèi)，只含有一個(gè)固定的系統(tǒng)差。當(dāng)觀測(cè)弧段長(zhǎng)度為數(shù)小時(shí)，系統(tǒng)差可在火星車和環(huán)繞器聯(lián)合定軌定位過(guò)程中解算出來(lái)。

在火星探測(cè)中，可以利用同波束VLBI技術(shù)對(duì)火星車和環(huán)繞器進(jìn)行聯(lián)合定軌和定位，以提高火星車的定位精度和環(huán)繞器的定軌精度。研發(fā)了火星車和環(huán)繞器聯(lián)合定軌和定位軟件，并利用環(huán)繞器的測(cè)距數(shù)據(jù)以及火星車和環(huán)繞器的同波束VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)仿真分析了火星車定位和軌道器定軌的精度。

仿真條件為：火星車位于北緯45.0°、西經(jīng)30°、高程為-3 000.0 m；環(huán)繞器位于300 km × 2 000 km的橢圓軌道。仿真測(cè)量數(shù)據(jù)為：環(huán)繞器的測(cè)距數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差3 m、系統(tǒng)誤差10 m，弧長(zhǎng)2 h。環(huán)繞器和火星車VLBI差分相時(shí)延誤差為3 mm，弧長(zhǎng)1 h。定軌定位弧段長(zhǎng)度為3 h。動(dòng)力學(xué)模型為：火星重力場(chǎng)模型階數(shù)為80 × 80，N體攝動(dòng)考慮太陽(yáng)、地球及大行星的影響，并考慮光壓攝動(dòng)的影響等。

火星車定位的仿真結(jié)果為，緯度和經(jīng)度方向上的定位誤差分別為0.002 444°和0.004 444°，對(duì)應(yīng)到火星表面上的位置誤差分別為103 m和264 m。火星質(zhì)心方向的高程誤差為-226 m。環(huán)繞器定軌的仿真結(jié)果為，徑向R、延跡向T、法向N的位置最大誤差分別為10 m、80 m、30 m。即利用環(huán)繞器的測(cè)距數(shù)據(jù)以及火星車和環(huán)繞器的同波束VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)火星車的絕對(duì)定位，其定位誤差為數(shù)百米。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)繞器的高精度定軌，位置誤差為數(shù)十米。本方法適用于火星車在各個(gè)停泊點(diǎn)的定位，并要求火星車停泊時(shí)間1 h以上。

4 火星探測(cè)器的VLBI觀測(cè)

首先利用天馬望遠(yuǎn)鏡，對(duì)火星探測(cè)器進(jìn)行了跟蹤測(cè)試。圖7給出了天馬望遠(yuǎn)鏡2017年3月28日接收到的在軌火星探測(cè)器信號(hào)的頻譜圖。頻譜儀參數(shù)設(shè)置為，RBW為30 Hz，VBW為20 Hz。本次觀測(cè)共接收到了3個(gè)火星探測(cè)器的信號(hào)，分別為Mars Odyssey、EXOMars（Exobiology on Mars）、MRO，在其他觀測(cè)時(shí)間段還接收到了MEX衛(wèi)星的信號(hào)。Mars Odyssey信號(hào)的中頻頻率為8 406.6 MHz、信噪比約20 dB，EXOMars信號(hào)的頻率為8 410.4 MHz、帶寬約2.0 MHz、信噪比約12 dB，MRO信號(hào)頻率為8 439.1 MHz、帶寬約2.5 MHz、信噪比約30 dB。MRO的信號(hào)從約8 428 MHz至約8 452 MHz間有頻率間隔約2 MHz的13個(gè)諧波分量，信噪比10～22 dB。由于火星距離遙遠(yuǎn)，幾乎所有的火星探測(cè)器都會(huì)被射電望遠(yuǎn)鏡的主波束同時(shí)觀測(cè)到。所以，在設(shè)計(jì)我國(guó)的火星探測(cè)器的測(cè)控和數(shù)傳頻率時(shí)，要充分考慮到現(xiàn)有和將要發(fā)射的所有火星探測(cè)器的信號(hào)頻率的兼容性，以免相互干擾。

2017年3月29日，利用天馬和昆明測(cè)站對(duì)火星探測(cè)器MEX和臨近射電源進(jìn)行了VLBI觀測(cè)。觀測(cè)頻段為X波段，數(shù)據(jù)采集和記錄終端的采樣率為4 MHz、帶寬2 MHz、量化2比特。上海VLBI數(shù)據(jù)處理中心對(duì)天馬和昆明測(cè)站的VLBI原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)處理。相關(guān)處理時(shí)使用了MEX的精密軌道進(jìn)行時(shí)延預(yù)測(cè)值計(jì)算。

圖7給出了天馬測(cè)站接收到的MEX信號(hào)頻譜，譜分辨率為1 955 Hz。可以看到天馬測(cè)站信號(hào)的信噪比約為19 dB。另外，從天馬測(cè)站接收的信號(hào)中，可清晰看出MEX信號(hào)的頻譜特征，充分證明了在改正各種跟蹤誤差后，可以利用口徑65 m的天馬望遠(yuǎn)鏡等大型射電望遠(yuǎn)鏡有效地跟蹤火星探測(cè)器。

圖7 天馬望遠(yuǎn)鏡接收到的在軌火星探測(cè)器信號(hào)的頻譜圖Fig.7 Spectra of Mars in-orbit spacecraft signals received by using Tianma telescope

圖8和圖9給出了昆明-天馬基線上的MEX探測(cè)器的VLBI相關(guān)相位及擬合殘差。在0.4 h的時(shí)間內(nèi)，相關(guān)相位由40 rad變化至-40 rad。擬合殘差是對(duì)相關(guān)相位進(jìn)行5次多項(xiàng)式擬合得到的。擬合殘差有明顯的周期項(xiàng)，幅度約為 ± 0.5 rad，周期約為2 min，主要由MEX的軌道變化引起。本次觀測(cè)證明了我國(guó)VLBI網(wǎng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有對(duì)火星探測(cè)器VLBI觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理的能力。

為了進(jìn)一步提高火星探測(cè)器VLBI時(shí)延測(cè)量精度，還需要繼續(xù)開(kāi)展下述研究。大氣和等離子體時(shí)延高精度改正方法研究；弱信號(hào)高精度VLBI處理技術(shù)研究；ΔDOR型VLBI群時(shí)延和相時(shí)延解算方法研究；同波束VLBI技術(shù)和相位參考VLBI技術(shù)研究等。深空探測(cè)中提高VLBI測(cè)量精度的最有效方法是利用大口徑射電望遠(yuǎn)鏡提高整個(gè)VLBI網(wǎng)的觀測(cè)靈敏度，觀測(cè)探測(cè)器更臨近的射電源以去除大氣、電離層等共有誤差。目前已經(jīng)建成了上海65 m射電望遠(yuǎn)鏡，新疆110 m射電望遠(yuǎn)鏡QTT也已正式立項(xiàng)正在建設(shè)。這些大型射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)和應(yīng)用是提高我國(guó)深空探測(cè)器VLBI測(cè)定軌能力的有效途徑。

圖8 天馬測(cè)站接收到的MEX信號(hào)的頻譜Fig.8 Spectra of MEX signals received by using Tianma telescop

圖9 KM-TM基線上的VLBI相關(guān)相位及擬合殘差Fig.9 VLBI correlation phase and the fitting residual on the KM-TM baseline