深空測控網(wǎng)干涉測量系統(tǒng)在“鵲橋”任務(wù)中的應(yīng)用分析

王美，陳略，韓松濤，路偉濤，段建鋒，任天鵬，李黎

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

引 言

按照探月工程任務(wù)規(guī)劃，“嫦娥4號”將首次實現(xiàn)我國月球背面軟著陸及巡視勘察。任務(wù)分為兩個階段，分別為發(fā)射“鵲橋”中繼衛(wèi)星階段和發(fā)射著陸器及巡視器組合體階段。2018年5月21日，利用“長征4號”丙遙27運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了“鵲橋”，著陸器及巡視器組合體于12月8日凌晨發(fā)射，首次實現(xiàn)了利用地月L2點中繼星對月球背面的目標(biāo)測控。“鵲橋”在地面控制下，經(jīng)歷了地月轉(zhuǎn)移段、近月制動段后飛向了地月L2點，已運行于L2點Halo軌道?！谤o橋”為著巡組合體動力下降和兩器分離提供中繼測控支持，為著陸器的月面工作以及巡視器的遙操作提供中繼服務(wù)。

射電干涉測量技術(shù)是目前分辨率最高的天文觀測技術(shù)，能獲得亞毫角秒量級的極高空間分辨率，相當(dāng)于在地球上能分辨出月球上籃球大小的面積，也能夠以毫米的精度測量上千千米的基線長度。在天體物理、大地測量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。也由于其高測量精度和高分辨率，很早就被應(yīng)用于空間探測器，特別是深空探測器的定位導(dǎo)航，對傳統(tǒng)測距、測速技術(shù)形成了有效補充[1-4]。

各個國家的航天機構(gòu)都對干涉測量技術(shù)進行了研究及應(yīng)用，美國深空網(wǎng)利用干涉測量技術(shù)有力地支撐了其空間探測任務(wù)，如“阿波羅”系列任務(wù)、“奧德賽”火星探測任務(wù)、“機遇號”及“勇氣號”等都有應(yīng)用。歐洲也建立了自己的VLBI（Very Long Baseline Interferometry）網(wǎng)EVN（European VLBI Network），并將該技術(shù)應(yīng)用于諸如“金星快車”等任務(wù)，俄羅斯早期利用該技術(shù)基于“韋加號”飛船探測了金星大氣，日本也成功地將該技術(shù)應(yīng)用于SELENE（SELenological and Engineering Explore）等任務(wù)。

以中科院上海天文臺為代表的科研機構(gòu)進行了VLBI技術(shù)研究，依托中國VLBI網(wǎng)，有力地支持了我國歷次探月任務(wù)。隨著我國深空探測任務(wù)的逐步展開，對測控精度提出了更高要求，中國深空網(wǎng)的建設(shè)步伐也在不斷加快。2013年，佳木斯及喀什深空站初步建成，配備了干涉測量設(shè)備，我國測控網(wǎng)初步具備了干涉測量能力[5]。后期，南美深空站和納米比亞站干涉測量系統(tǒng)將陸續(xù)入網(wǎng)參加干涉測量任務(wù)，使我國具備全時段深空干涉測量覆蓋能力，預(yù)期我國測控網(wǎng)在未來的深空探測任務(wù)中將發(fā)揮越來越大的作用[6]。本文主要論述深空測控網(wǎng)在“鵲橋”中繼星任務(wù)中的應(yīng)用。

1 差分干涉測量原理

甚長基線干涉測量的基本原理是利用兩測站同時接收目標(biāo)航天器或射電源的下行信號，對兩測站接收的同源信號進行相關(guān)處理，利用得到的相關(guān)相位信息提取同源信號到達兩測站的時延差，進而得到目標(biāo)相對于測站的角位置信息[7]，具體如圖1所示。

兩測站接收同源信號到達兩站的時延差為

圖1 干涉測量原理圖Fig.1 Principle of VLBI

其中:c表示光速；d表示兩測站的基線長度信息。

由式（1）可知角度測量量與基線長度成反比，基線越長所測量的角度精度越高，地球上的最長基線為地球直徑，但是基線越長同樣限制了對目標(biāo)的觀測共視時長。

理論上，干涉測量的時延結(jié)果僅與探測器及測站位置有關(guān)，實際的測量過程中會引入傳播介質(zhì)時延（對流層、電離層、行星際介質(zhì)）、測站設(shè)備時延、測站鐘差、鏈路時延等因素引起的誤差[5]，也即

其中:τ表示總的時延觀測量；τg表示幾何構(gòu)型時的時延值；τc表示測站鐘差引入的測量誤差；τs表示傳播介質(zhì)引入的測量誤差；τeq表示測站設(shè)備鏈路引入的測量誤差。

為消除上述測量誤差，一般在觀測過程中采用分時交替觀測航天器及射電源的模式，即:以對天球上位置精確已知的射電源進行干涉測量觀測用以獲得各項誤差的總和，進而內(nèi)插出航天器觀測時刻的系統(tǒng)誤差，最終得到消除各項誤差后的航天器觀測量信息，提高航天器的干涉測量觀測精度。圖2為差分干涉測量原理圖。值得注意的是為了更好地消除傳播介質(zhì)引入的誤差一般要求觀測射電源與航天器的角距較近。

2 測控網(wǎng)干涉測量在中繼星任務(wù)中的標(biāo)校方法

我國的深空網(wǎng)由佳木斯深空站、喀什深空站以及南美深空站組成，3個深空站及納米比亞站均配備了干涉測量設(shè)備，在“鵲橋”任務(wù)中利用佳木斯及喀什深空站開展了干涉測量觀測。

由于測控網(wǎng)深空站肩負著中繼星的測距、測速、遙控、遙測、數(shù)傳信號接收等任務(wù)，為最大限度的保證航天器的安全，測控網(wǎng)干涉測量無法利用常規(guī)的短時交替方法觀測射電源及航天器以標(biāo)校系統(tǒng)差。結(jié)合實際情況，任務(wù)中采用了站外標(biāo)校即稀疏標(biāo)校模式，也即在第1個深空站進站前觀測強源以標(biāo)校系統(tǒng)差，在第2個深空站出站之后觀測第2個強源標(biāo)校系統(tǒng)差，中間兩深空站共視情況下連續(xù)數(shù)小時對航天器進行跟蹤[8-9]。

上述模式下，由于前后強源標(biāo)校與航天器的觀測時間間隔長，角距大，系統(tǒng)引入了高精度的鐘差誤差修正、傳播介質(zhì)誤差修正用以輔助長時射電源標(biāo)校模式，主要有下列兩種修正模式。

1）測站鐘差修正

利用GPS（Global Positioning System）共視法修正測站鐘誤差，測站連續(xù)記錄測站鐘與GPS時鐘的差異，構(gòu)造鐘差隨時間的變化模型，在系統(tǒng)中鐘差采用線性模型。

2）傳播介質(zhì)誤差修正

在傳播介質(zhì)誤差修正方面，系統(tǒng)引入了對流層誤差修正模型，實時用以對航天器觀測量的誤差修正。事后模式下，利用測站配備的水汽微波輻射計、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）雙頻接收機、氣象儀等環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備，測量本地對流層、電離層等傳播介質(zhì)誤差項。

圖2 差分干涉測量原理圖Fig.2 Principle of Delta-VLBI

3 干涉測量與定軌結(jié)果精度分析

“鵲橋”于2018年5月21日5點28分發(fā)射升空，在整個飛行期間，星上下行發(fā)射S波段干涉單向距離測量（Differential One-way Range，DOR）側(cè)音信號。最大帶寬為7.5 MHz，對干涉測量的指標(biāo)要求為5 ns。中國深空網(wǎng)在地月轉(zhuǎn)移段、月球至L2點轉(zhuǎn)移段進行了多次△DOR（Delta Differential One-Way Range，DOR）測量跟蹤。數(shù)據(jù)采集格式為VLBI標(biāo)準(zhǔn)接口VSI（VLBI stander Interface）格式，采樣率為4 MHz，利用2 bit量化模式，通道數(shù)為8，覆蓋了兩個點頻的DOR音，增加了應(yīng)急數(shù)傳頻點。

3.1 鐘差建模結(jié)果

在任務(wù)中對測站的鐘差進行了一次項建模作為模型項的一部分，任務(wù)中通過測站的本地鐘與GPS系統(tǒng)32顆星的時間比對統(tǒng)計完成兩測站的鐘差建模，處理結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，兩測站鐘差呈現(xiàn)較好的一次項特性，在任務(wù)期間沒有發(fā)生鐘跳等現(xiàn)象。一次項建?？梢院芎玫孛枋鰷y站鐘差變化。

圖3 佳木斯及喀什深空站5月21日至6月2日鐘差Fig.3 Clock Error of Jiamusi and Kashi station between May 21st and Jun 2nd

3.2 環(huán)境參數(shù)時延校正

任務(wù)中，事后模式下，兩測站的環(huán)境參數(shù)采用實測值進行誤差項扣除，圖4為兩站其中一天的環(huán)境參數(shù)情況。

圖4 兩測站環(huán)境參數(shù)在任務(wù)中的變化情況Fig.4 Variety of environmental parameters for two stations

由圖4可以看出，環(huán)境參數(shù)在射電源觀測弧段與航天器觀測弧段相比變化較大，同時，電離層高頻項明顯。

3.3 時延差結(jié)果分析

深空干涉測量系統(tǒng)所得干涉測量結(jié)果參與了中繼星任務(wù)的聯(lián)合定軌。佳木斯－喀什深空站基線與CVN（Chinese VLBI Network）的北京－烏魯木齊基線在構(gòu)型上相似，因此下面將利用5月27日的定軌殘差數(shù)據(jù)對兩基線進行比對。

圖5為兩深空站時延殘差測量結(jié)果圖，由圖中可以看出，相同的觀測弧段下，兩條基線的觀測精度相當(dāng)，深空干涉測量系統(tǒng)與標(biāo)稱軌道的偏差在1 ns之內(nèi)，有相同的變化趨勢，但是仍然存在0.4 m的系統(tǒng)差，整個“鵲橋”任務(wù)期間的與標(biāo)稱軌道偏差小于3 ns。任務(wù)中，CVN采用交替觀測模式，深空網(wǎng)采用長時稀疏標(biāo)校模式，上述結(jié)果再次表明測控網(wǎng)稀疏模式標(biāo)校的有效性，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以用于中繼星任務(wù)的聯(lián)合定軌。

圖5 兩基線定軌殘差結(jié)果對比圖Fig.5 Comparison of delay-difference for two similar baseline

4 結(jié) 論

深空網(wǎng)干涉測量技術(shù)已成功應(yīng)用于“嫦娥3號”任務(wù)、再入返回飛行試驗任務(wù)、此次又成功應(yīng)用于“鵲橋”中繼星任務(wù)，標(biāo)志著我國測控網(wǎng)干涉測量系統(tǒng)已具備開展高精度干涉測量的能力，隨著后續(xù)南美深空站及納米比亞站的加入，我國測控網(wǎng)的干涉測量能力將進一步提升，為我國未來的深空探測任務(wù)提供進一步支持。