基于中國深空站的木星探測器開環(huán)測量試驗

陳略，平勁松，李文瀟,3，韓松濤1,，劉慶，陳永強，張建輝，簡念川

（1.北京航天飛行控制中心，北京 100094；2.中國科學院 國家天文臺，北京 100012；3.中國科學院 新疆天文臺，烏魯木齊 830011；4.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043；5.中國科學院 上海天文臺，上海 200030）

0 引 言

“朱諾號”（Juno）木星探測器是美國國家航空航天局（NASA）“新疆界計劃”實施的第二個探測項目?！爸熘Z號”由美國洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin Corp）建造，NASA下屬噴氣推進實驗室（JPL）負責整個探測任務(wù)的運行，是整個項目的管理者（Project Manager，PM），美國西南研究所（SwRI）是整個探測項目的項目負責人（Principal Investigator，PI），負責相關(guān)科學研究[1]?！爸熘Z號”探測器通過“大力神5號”運載火箭于2011年8月5日從美國佛羅里達州卡納維拉爾角發(fā)射，并于2016年7月6日到達木星捕獲軌道?！爸熘Z號”的科學目標是研究并理解木星的起源與進化，具體包含以下幾個方面。①木星系統(tǒng)起源（Origin）：測量O、N、C、S、Ar、Kr、Xe等元素含量。②木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)（Interior）：探測木星引力場分布、測量磁場長期變化以用于測量內(nèi)核表面流動模式。③木星大氣層（Atmosphere）：測量大氣層的成分（例如H、O比例）、溫度、厚度、氣候變化和其他一些特性。④木星磁層（Magnetophere）：探索和研究木星極地的磁層，尤其是木星極光，得出新的關(guān)于巨行星巨大的磁場如何影響其大氣層的結(jié)論[1-3]。行星無線電科學載荷是“朱諾號”29類科學載荷中的重要一項，其主要通過一個直徑2.5 m的高增益天線與地面進行無線電測量與通信，從無線電信號特征層面反演木星重力場和大氣等。

中國深空網(wǎng)于2012年初步建成，佳木斯深空站、喀什深空站投入運行，重點支持了“嫦娥3號”、再入返回飛行試驗任務(wù)等深空探測任務(wù)，南美深空站、納米比亞深空天線于2017年正式完成建設(shè)，正在為我國后續(xù)的深空探測任務(wù)進行相關(guān)任務(wù)準備。為驗證中國深空站的跟蹤與測量數(shù)據(jù)能力，北京航天飛行控制中心于2016年10月—2017年8月期間聯(lián)合佳木斯、喀什深空站對木星探測器“朱諾號”進行了開環(huán)測量試驗，以便為后續(xù)我國更遙遠深空探測任務(wù)的實施積累經(jīng)驗。

1 深空開環(huán)測量試驗實施情況

1.1 深空開環(huán)測量原理

深空探測器搭載高穩(wěn)定度原子鐘為高精度開環(huán)測量提供了最重要的條件之一。深空開環(huán)測量可分為單程開環(huán)測量與三程開環(huán)測量等。本文試驗所指的開環(huán)測量為單程開環(huán)測量，即深空探測器搭載高穩(wěn)原子鐘后單向下行發(fā)送主載波信號，該信號經(jīng)過星際介質(zhì)、電離層與對流層傳播后，地面深空站接收探測器下行信號，利用信號處理系統(tǒng)檢測主載波的相位特征，用以高精度估計深空站相對于探測器的多普勒頻率，獲取探測器相對于深空站高精度相對速度變化關(guān)系。

1.2 下行信號頻點

基于中國深空站對“朱諾號”探測器進行跟蹤，首先要準確已知“朱諾號”的下行頻點分布。從NTRS（NASA Technical Reports Serve）上查閱到“朱諾號”探測器的無線電測量與通信手冊，該文件中準確描述了“朱諾號”的下行頻點及功率[4]。“朱諾號”有X/Ka頻段兩個下行信號頻段，考慮到中國深空站尚不完全具備Ka頻段跟蹤測量能力，試驗采用X頻段對“朱諾號”進行跟蹤?！爸熘Z號”X頻段主載波理論下行頻點為8 404.135 802 MHz，NASA的35 m深空站標稱上行頻點為7 153.065 586 MHz，星上的轉(zhuǎn)發(fā)比為880/749。在下行主載波附近調(diào)制兩類信號：①25 kHz或者281.5 kHz的遙測信號；②19 MHz的DOR側(cè)音[5]。

1.3 信號到達地面測站功率

為確保深空站準確捕獲“朱諾號”下行信號，需要準確已知下行信號到達地面天線接收機端的功率?！爸熘Z號”的X頻段主載波的有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）為87.4 dBm[4]。深空站天線低噪放輸入段功率 = 星上EIRP - 信號自由空間損耗 + 接收天線增益。

“朱諾號”探測器的下行信號自由空間損耗可由式（1）來描述

其中：Lf為無線電波自由空間損耗，單位為dB；d為自由空間的傳播距離，單位為km；f為無線電波的頻率，單位為MHz。木星質(zhì)心距離地球質(zhì)心的距離為6.3～9.6億km。因此，以6.3億km計算的空間鏈路損耗為-286.88 dB，以9.6億km計算的空間鏈路損耗為-290.53 dB。

拋物面測控天線增益的計算公式如下

其中：Gr為天線增益，單位為dB；D為天線的口徑，單位為m；λ0為接收無線電波的波長，單位為m。

其中：c為光速，單位為m/s；f0為無線電波頻率，單位為Hz。

利用公式（2）可得，佳木斯深空站天線（66 m）的天線增益估計值為71.87 dB，喀什深空站天線（35 m）的天線增益估計值為66.36 dB。

因此，中國深空站按照探測器最遠距離地球測站9.6億km計算，在X頻段，到達天線低噪放輸入端的信號功率為：佳木斯深空站-131.26 dBm，喀什深空站-136.77 dBm。由于中國深空站天線低噪放輸入端接收靈敏度指標在-160 dBm，因此，佳木斯、喀什深空站均具備對“朱諾號”探測器信號有效接收能力。

1.4 跟蹤時刻

中國深空站的跟蹤時刻取決于“朱諾號”下行發(fā)信號的時刻。對“朱諾號”的跟蹤，美國NASA采用全球分布的美國深空網(wǎng)（Deep Space Network）對其進行跟蹤測量?？紤]我國佳木斯、喀什深空站介于NASA的澳大利亞堪培拉深空站與西班牙馬德里深空站之間，一方面參考該兩站的跟蹤計劃，另一方面在DSN now網(wǎng)站（https://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html）上可實時查詢美國深空網(wǎng)正在跟蹤的目標情況，結(jié)合兩方面情況來確定“朱諾號”發(fā)送下行信號的時刻。

1.5 天線跟蹤引導星歷

基于深空站觀測“朱諾號”，對跟蹤天線的引導也是關(guān)鍵。這里采用兩種引導策略，第一種策略是考慮木星距離地面跟蹤站很遙遠，當“朱諾號”在近木點附近時，木星質(zhì)心和探測器均會落到深空站天線的同一波束范圍內(nèi)，因此可用木星星歷作為地面天線引導參考；第二種策略是基于“朱諾號”的軌道預報文件，轉(zhuǎn)換為地面測站所需的天線引導文件。兩種策略均通過開發(fā)相應的引導程序予以實現(xiàn)，本文試驗基于第一種策略進行天線跟蹤。

1.6 跟蹤與信號采集記錄

基于以上觀測必備條件，深空站成功開展了多次對“朱諾號”的跟蹤與測量。為精細化后處理分析“朱諾號”信號特點與高精度信號處理，通過深空站部署的VLBI中頻基帶轉(zhuǎn)換與采集記錄設(shè)備，對“朱諾號”的原始下行信號進行采集記錄，采集過程考慮中心頻率、采樣帶寬、采集通道等參數(shù)設(shè)置。VLBI中頻基帶轉(zhuǎn)換與采集記錄設(shè)備利用1個通道進行采樣，采樣中心頻率為8 404.00 MHz，采樣帶寬為2 MHz，量化位數(shù)為2 bit。

2 試驗結(jié)果分析

中國深空站對“朱諾號”探測器成功進行多次跟蹤測量。由于開環(huán)測量有其自身特點與優(yōu)勢[5]，本文采用開環(huán)測量方式對“朱諾號”進行測量與數(shù)據(jù)處理。“朱諾號”的下行原始信號經(jīng)采集記錄后傳輸至北京航天飛行控制中心進行后處理分析。

本文采用對快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）、線性調(diào)頻Z變換與信號本地重構(gòu)相關(guān)的聯(lián)合處理方法，對“朱諾號”的下行主載波頻率進行高精度提取，進而獲得多普勒頻率測速信息。限于篇幅限制，這里不詳細介紹信號處理算法。本文以2017年05月19日喀什深空站對“朱諾號”的跟蹤為例，介紹下行主載波頻率的提取結(jié)果。圖1顯示的是基于傅里葉變換方法2017年05月19日11時37分21秒—2017年05月19日12時47分6秒（UTC時間）的主載波頻率，積分時間為1 s。圖1（a）為基于FFT的主載波提取頻率，圖1（b）為“朱諾號”多普率頻率，這里假定“朱諾號”的主載波下行頻率即為理論下行頻率，利用提取的主載波頻率減去主載波理論下行頻率得到多普勒頻率?？梢钥闯觯櫥《蝺?nèi)“朱諾號”的多普勒頻率在-130～-126 kHz范圍內(nèi)變化。

圖1 喀什深空站跟蹤“朱諾號”的FFT主載波頻率與多普勒頻率Fig.1 Carrier frequency and Doppler frequency of Juno in Kashi deep space station

為評估基于FFT估計主載波頻率的噪聲水平，采用多項式擬合的方法，檢測殘余主載波頻率方法予以估計。這里需要說明的是，主載波頻率或者多普勒頻率的估計精度須通過精密軌道予以評估，由于尚未獲取到該天的精密軌道，無法對估計頻率的精度進行評估，因此選擇評估頻率估計的噪聲水平。圖2顯示的是采用10次多項式擬合后的殘余主載波頻率。從圖2中可以明顯看出，殘余頻率有幾個突變時刻點，如圖中的1、2、3、4、5所示，經(jīng)確認，在這些時刻是由于上行頻率采用了ramp（斜坡）多普勒加載方式，使得接收時刻的信號頻率也發(fā)生了突變，即美國深空站的上行頻率并非保持不變，而是采用一種ramp上行方式，由地面測站向探測器發(fā)送頻率隨時間變化的上行主載波。因此，估計主載波頻率的噪聲水平通過分段估計，即在兩個突變點時刻之間評估噪聲水平，結(jié)果表明基于FFT的主載波估計噪聲水平約為200 m Hz水平。

圖2 喀什深空站跟蹤“朱諾號”的FFT殘余主載波頻率Fig.2 FFT residual carrier frequency of Juno in Kashi deep space station

為進行比對，采用線性調(diào)頻Z變換（Chirp Z Transform，CZT）的方法[6]對信號進行頻譜細化，獲得更為精確的“朱諾號”主載波頻率，其殘余主載波頻率如圖3所示。同樣采用10次多項式，6段評估主載波估計頻率的噪聲水平分別為51.858 mHz、55.826 mHz、58.459 mHz、58.584 mHz、57.672 mHz、55.729 mHz，約為50 m Hz水平。最后，通過聯(lián)合FFT、CZT和信號本地重構(gòu)（re-CONStruction，CONS）相關(guān)方法估計“朱諾號”下行主載波頻率，如圖4所示，同樣采用10次多項式，6段評估主載波估計頻率的噪聲水平分別為5.232 μHz、50.958 μHz、6.158 μHz、4.859 μHz、10.446 μHz、6.600 μHz，6段平均值為14.04 μHz，即約為10 μHz水平?？梢钥闯觯ㄟ^聯(lián)合信號處理的方法獲得了一個具有超高精度噪聲水平的主載波估計頻率。

圖3 喀什深空站跟蹤“朱諾號”的CZT殘余主載波頻率Fig.3 CZT residual carrier frequency of Juno in Kashi deep space station

圖4 喀什深空站跟蹤“朱諾號”的FFT + CZT + CONS殘余主載波頻率Fig.4 FFT + CZT + CONS residual carrier frequency of Juno in Kashi deep space station

3 結(jié) 論

本文在分析下行頻點、信號到達地面測站功率、跟蹤時刻、天線跟蹤引導星歷和信號采集記錄等觀測必要條件基礎(chǔ)上，成功進行了基于中國深空站的“朱諾號”探測器開環(huán)測量試驗，“朱諾號”下行信號經(jīng)后處理分析后，主載波多普勒測量噪聲水平在10 μHz水平，這為后續(xù)我國更遙遠深空探測任務(wù)準備與實施積累了有益經(jīng)驗與技術(shù)。