地球衛(wèi)星VLBI觀測(cè)研究進(jìn)展

孫 焱，張 波，舒逢春

(1.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海200030； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引 言

人造地球衛(wèi)星的常規(guī)跟蹤定位技術(shù)基于雷達(dá)測(cè)距和多普勒測(cè)速技術(shù)。這兩種技術(shù)可以直接測(cè)量衛(wèi)星的徑向距離和速度，但是對(duì)橫向方向位置及速度不敏感。隨著地球衛(wèi)星在資源、導(dǎo)航定位、授時(shí)、跟蹤及數(shù)據(jù)中繼等經(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域的作用增強(qiáng)，以及對(duì)衛(wèi)星定位精度要求越來(lái)越高，常規(guī)的測(cè)距測(cè)速技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求。為了解決傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)精度低的問(wèn)題，中外學(xué)者對(duì)衛(wèi)星測(cè)量新技術(shù)進(jìn)行一系列理論和實(shí)驗(yàn)研究。

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(very long baseline interferometry, VLBI)技術(shù)自20世紀(jì)60年代誕生以來(lái)，被廣泛應(yīng)用于天文、測(cè)地及航天等多個(gè)研究領(lǐng)域。在天文和測(cè)地領(lǐng)域，VLBI 技術(shù)是目前世界上精度最高的一種空間測(cè)量技術(shù)。在航天領(lǐng)域，VLBI 技術(shù)應(yīng)用最早可以追溯到20世紀(jì)70年代，主要被用于各種人造天體的追蹤定位[1]，如旅行者系列飛船[2]、伽利略飛船、海盜號(hào)飛船[3]、火星全球勘探者和火星奧德賽(Mars Odyssey)探測(cè)器等的導(dǎo)航。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，VLBI 技術(shù)具有高精度、高分辨率和多用途的特點(diǎn)；只需要接受下行信號(hào)，不需要關(guān)注上行信號(hào)，觀測(cè)很短時(shí)間便可得到高信噪比的觀測(cè)量；利用兩條基線同時(shí)觀測(cè)，通過(guò)觀測(cè)時(shí)延和時(shí)延率就可以解算衛(wèi)星的位置及速度。同時(shí)VLBI 技術(shù)對(duì)于垂直于視線方向的位置變化有很高的敏感度，解決了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)精度低的問(wèn)題。正是由于VLBI 技術(shù)有著這些常規(guī)測(cè)量技術(shù)無(wú)法替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此，它在人造衛(wèi)星觀測(cè)定位方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

本文第2 章主要介紹衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)基本原理，以及衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)與常規(guī)VLBI 觀測(cè)的差異；第3 章主要介紹目前衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)研究進(jìn)展。最后總結(jié)了目前衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)研究存在的問(wèn)題，并對(duì)將來(lái)的研究?jī)?nèi)容提出一些設(shè)想。

2 衛(wèi)星VLBI觀測(cè)介紹

2.1 VLBI觀測(cè)基本原理

VLBI 的基本觀測(cè)量是時(shí)延，一般時(shí)延可以描述為：

其中，τ為VLBI 觀測(cè)時(shí)延，τg為僅由射電源與臺(tái)站位置差異引起的射電源信號(hào)到達(dá)兩臺(tái)站的時(shí)間差，即幾何時(shí)延，τerr為包括電離層、中性大氣、鐘差和儀器誤差等各種系統(tǒng)誤差以及VLBI 測(cè)量的隨機(jī)誤差對(duì)時(shí)延的貢獻(xiàn)[4]。

圖1 衛(wèi)星差分VLBI 觀測(cè)示意圖

對(duì)于衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)一般采用的是差分VLBI 觀測(cè)，如圖1 所示。所謂差分VLBI 觀測(cè)[5]就是利用VLBI 技術(shù)，通過(guò)同時(shí)或交替跟蹤多個(gè)射電源，來(lái)獲取射電源間的精確角距。如包含目標(biāo)源(衛(wèi)星)和參考源(河外射電源)的一組射電源，由于目標(biāo)和參考源(有時(shí)也稱校準(zhǔn)源)的觀測(cè)方向十分接近，兩者的非幾何時(shí)延中有一些成分幾乎相同，如鐘差、儀器時(shí)延等。另外一些有關(guān)空間方向的成分，如電離層時(shí)延和中性大氣時(shí)延等也可以近似認(rèn)為是相同的。一般對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，選取目標(biāo)衛(wèi)星附近位置精確已知的河外射電源作為參考源進(jìn)行準(zhǔn)同時(shí)觀測(cè)，再將兩者觀測(cè)量進(jìn)行差分以消除兩者共同的誤差影響，由此可以獲取衛(wèi)星與參考源精確的相對(duì)位置。差分VLBI 觀測(cè)時(shí)延可以表示為：

理論上利用3 個(gè)以上VLBI 測(cè)站同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)式(4)就可以算出目標(biāo)空間坐標(biāo)分量。

2.2 衛(wèi)星VLBI觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理

2.1 節(jié)主要介紹了VLBI 觀測(cè)的原理，本節(jié)主要對(duì)VLBI 觀測(cè)綱要編制、衛(wèi)星跟蹤方法及數(shù)據(jù)處理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.2.1 觀測(cè)綱要編制及天線跟蹤方法

在每次VLBI 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)之前，人們都會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即觀測(cè)綱要編制。衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)綱要編制時(shí)主要考慮因素包括臺(tái)站網(wǎng)、觀測(cè)歷元、校準(zhǔn)源選取和觀測(cè)目標(biāo)的方位角和高度角，以及觀測(cè)需要確定的參數(shù)等。為了能夠得到理想的觀測(cè)結(jié)果，根據(jù)各個(gè)臺(tái)站分布，確定可以充分利用的臺(tái)站觀測(cè)網(wǎng)。觀測(cè)歷元必須有足夠多的時(shí)間，并需要確定衛(wèi)星和參考源最合適的觀測(cè)時(shí)間。參考源選取原則上是選取與衛(wèi)星角距離較小且位置精確已知的河外射電源，衛(wèi)星及參考源的位置數(shù)據(jù)事先確定并可以直接使用。隨著相關(guān)研究發(fā)展，衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)綱要編制的軟件正在開(kāi)發(fā)當(dāng)中。

在常規(guī)的VLBI 觀測(cè)中，在所有參加觀測(cè)的VLBI 測(cè)站運(yùn)行期間，觀測(cè)目標(biāo)(即射電源的位置)在天球參考架下被假設(shè)固定不變，所以在觀測(cè)期間，天線僅需要隨地球的自轉(zhuǎn)緩慢跟蹤射電源即可。由衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)可知，相對(duì)于遙遠(yuǎn)射電源，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度較快。因此，參與觀測(cè)的臺(tái)站天線需要對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，國(guó)外采用“stepwise”方法[6]跟蹤衛(wèi)星，如圖2所示，即事先將衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)化為一系列不同的赤道坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入到臺(tái)站天線控制文件中，在觀測(cè)目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)根據(jù)文件中坐標(biāo)數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)天線重新定位衛(wèi)星的位置。國(guó)內(nèi)通常采用直接給臺(tái)站天線提供不同觀測(cè)時(shí)刻衛(wèi)星的方位與俯仰角[7]的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。

圖2 stepwise 方法基本原理[6]

2.2.2 衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)處理

臺(tái)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)處理直接影響整個(gè)VLBI 觀測(cè)結(jié)果，所以相關(guān)處理機(jī)軟件是VLBI 觀測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分。DiFX (D istributed FX Correlator)軟件是2006年由澳大利亞Adam Deller 博士開(kāi)發(fā)的一款VLBI 數(shù)據(jù)相關(guān)處理軟件。DiFX[8,9]是一款開(kāi)源的軟件，具有靈活、移植性高、計(jì)算速率高等特點(diǎn)，是目前十分成功的相關(guān)處理軟件之一。軟件發(fā)布之后應(yīng)用廣泛，許多科研機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行完善和發(fā)展。目前美國(guó)甚長(zhǎng)基線陣列(Very Long Baseline Array, VLBA)，德國(guó)馬普射電天文研究所，澳大利亞國(guó)立天文臺(tái)，韓國(guó)VLBI 網(wǎng)以及中國(guó)VLBI 網(wǎng)(Chinese VLBI network, CVN)相繼使用DiFX 作為VLBI 數(shù)據(jù)相關(guān)處理軟件。下面以DiFX 相關(guān)處理軟件為例，介紹衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)處理過(guò)程。使用DiFX軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)處理需要進(jìn)行一些準(zhǔn)備工作，確保軟件運(yùn)行順利。除了各個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)外，DiFX 軟件需要一個(gè)Vex 文件，即VLBI 觀測(cè)綱要文件，該文件主要提供觀測(cè)的各種信息，包括觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)目標(biāo)、校準(zhǔn)源位置、臺(tái)站信息、觀測(cè)頻率、頻段等。另外，在Vex 文件中，人們會(huì)添加各個(gè)臺(tái)站觀測(cè)記錄的時(shí)鐘信息，以提供各個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的鐘差鐘速修正信息以及觀測(cè)時(shí)段相應(yīng)的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。在準(zhǔn)備結(jié)束后就可以運(yùn)行DiFX 進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)處理。首先運(yùn)行DiFX 的子程序vex2difx 讀取Vex 文件信息，然后運(yùn)行程序calcif2 生成相關(guān)文件，其中包括了基線投影、幾何延遲、干涉模型等信息，最后通過(guò)相應(yīng)的命令startdifx 運(yùn)行程序，生成相關(guān)處理結(jié)果文件。需要注意的是，由于DiFX 采用標(biāo)準(zhǔn)(射電源)模型來(lái)處理數(shù)據(jù)[10]，所以需要將其替換成適用于衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)的模型。

優(yōu)化全額撥款事業(yè)單位的資產(chǎn)管理工作對(duì)于事業(yè)單位實(shí)現(xiàn)其價(jià)值有重要的意義，本文發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化財(cái)務(wù)管理理念、建立固定資產(chǎn)問(wèn)責(zé)制、嚴(yán)格資產(chǎn)對(duì)外投資活動(dòng)以及構(gòu)建預(yù)算和財(cái)務(wù)管理學(xué)結(jié)合的財(cái)務(wù)管理框架是重要的提高措施。希望這一系列的手段可以保障國(guó)有資產(chǎn)，提高資產(chǎn)使用效率。

圖3 衛(wèi)星信號(hào)路徑圖示意圖

2.3 衛(wèi)星VLBI觀測(cè)與常規(guī)的VLBI觀測(cè)差異

由于河外射電源與VLBI 測(cè)站距離非常遠(yuǎn)，所以信號(hào)波前傳播到地面臺(tái)站的路徑被視為平行的。與河外射電源相比，人造地球衛(wèi)星距離測(cè)站較近，信號(hào)傳播路徑不能簡(jiǎn)單視為平行。如圖3 所示，人造地球衛(wèi)星相對(duì)于河外射電源的角速度非?？欤瑢?duì)于選取合適的參考源具有一定難度。

同時(shí)常規(guī)的河外射電源VLBI 觀測(cè)是通過(guò)VLBI 網(wǎng)持續(xù)觀測(cè)一組河外射電源，從而解算出測(cè)站坐標(biāo)、源坐標(biāo)及地球定向參數(shù)(earth orientation parameters, EOP)等；對(duì)于衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)，假設(shè)已知精確的測(cè)站坐標(biāo)、EOP 等參數(shù)，一般利用兩條近似正交基線同時(shí)觀測(cè)，通過(guò)觀測(cè)時(shí)延和時(shí)延率就可以解算衛(wèi)星的位置及速度?；€越多，則對(duì)衛(wèi)星各個(gè)方向的約束越好，越有利于衛(wèi)星位置解算精度的提高。

在觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差修正方面，常規(guī)的測(cè)地VLBI 觀測(cè)通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)河外射電源的持續(xù)觀測(cè)，在保證對(duì)源與站坐標(biāo)、EOP 等測(cè)量參數(shù)解算精度的同時(shí)，還可以對(duì)大氣時(shí)延誤差和鐘差等進(jìn)行解算。對(duì)于衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)，由于觀測(cè)目標(biāo)一般為單個(gè)而且觀測(cè)受多因素影響，所以可以求解的測(cè)量參數(shù)較少，往往將站坐標(biāo)及EOP 等參數(shù)視為精確已知。一般利用與位置精確已知的河外射電源差分觀測(cè)修正大氣時(shí)延誤差、鐘差及儀器差等。

通過(guò)從射電參考源選取、信號(hào)傳播路徑、觀測(cè)方式及觀測(cè)誤差修正方面的比較，可以看出衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)與常規(guī)VLBI 觀測(cè)有著較大差別。特別是誤差修正方面，衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)往往需要與鄰近射電源進(jìn)行差分。

3 衛(wèi)星VLBI觀測(cè)研究進(jìn)展

根據(jù)衛(wèi)星軌道高度，用于VLBI 觀測(cè)的地球衛(wèi)星主要有三類：高軌道衛(wèi)星、中軌道衛(wèi)星以及低軌道衛(wèi)星。目前VLBI 技術(shù)用于衛(wèi)星觀測(cè)研究還處于探索階段，并沒(méi)有太多的觀測(cè)實(shí)例。隨著地球衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)研究不斷深入和發(fā)展，VLBI 將在衛(wèi)星定位定軌方面起到重要的作用。

3.1 高軌道衛(wèi)星

地球同步衛(wèi)星是運(yùn)行在地球同步軌道上的人造衛(wèi)星，衛(wèi)星距離地球的高度約為3.6×104km。早期地球同步衛(wèi)星對(duì)軌道精度要求并不高，百米級(jí)精度就可以保證衛(wèi)星正常工作運(yùn)行。隨著同步衛(wèi)星在通訊、授時(shí)、氣象、廣播電視、數(shù)據(jù)中繼等方面作用逐漸增強(qiáng)，對(duì)于軌道精度要求越來(lái)越高。例如：美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼同步衛(wèi)星(TDRS)[1]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)低軌道衛(wèi)星精確定位，要求提高同步衛(wèi)星的軌道精度到米級(jí)；在靜止軌道上建立軌道深空中繼站(ODSRS)的定位精度要求為米級(jí)；我國(guó)導(dǎo)航系統(tǒng)為了滿足衛(wèi)星導(dǎo)航需求也需要同步衛(wèi)星高精度的定軌[11]。

1982年，Yunck 和Wu[12]利用雙基線差分VLBI 對(duì)同步衛(wèi)星(TDRS)進(jìn)行定軌研究，結(jié)果表明，精度可以達(dá)到米級(jí)，基本可以滿足低軌衛(wèi)星導(dǎo)航要求。1984年，Shiomi[13]對(duì)地球同步通訊衛(wèi)星(CS)進(jìn)行類似的跟蹤觀測(cè)，其時(shí)延殘差大約在2 ns，利用觀測(cè)量進(jìn)行衛(wèi)星定軌，精度大約在百米級(jí)；同時(shí)通過(guò)定軌精度分析以及模擬研究證明了差分VLBI 地球同步衛(wèi)星高精度定軌的實(shí)用性。1986年，Shiomi 等人[14]采用差分VLBI 方法對(duì)地球同步衛(wèi)星DSCS-II 位置精度進(jìn)行研究，研究討論了隨機(jī)觀測(cè)誤差、時(shí)延誤差、臺(tái)站位置和校準(zhǔn)源位置誤差。通過(guò)衛(wèi)星與校準(zhǔn)源信號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理，采用差分方法得出了地球同步衛(wèi)星定軌精度可以達(dá)到米級(jí)。研究還指出為了獲取更精確的結(jié)果，需要對(duì)大氣模型誤差進(jìn)行修正。

2003年在上海、烏魯木齊和昆明站，舒逢春等人[15]開(kāi)展了對(duì)地球同步衛(wèi)星的首次差分VLBI 觀測(cè)。此次觀測(cè)克服了衛(wèi)星觀測(cè)特殊性的困難，成功地獲得了衛(wèi)星信號(hào)的干涉條紋。圖4 為上海-烏魯木齊基線上衛(wèi)星信號(hào)干涉條紋?；跅l紋擬合的結(jié)果和系統(tǒng)差分析，他們估算出雙差單向測(cè)距的總誤差約為41 cm，雙差單向測(cè)速的總誤差約為0.148 mm/s，相當(dāng)于在地球同步軌道上8 m 的位置誤差，2.8 mm/s 的速度誤差。此次觀測(cè)試驗(yàn)雖然成功獲取了地球同步衛(wèi)星信號(hào)的干涉條紋，但是由于昆明站設(shè)備問(wèn)題，僅實(shí)現(xiàn)單基線VLBI 觀測(cè)。

2006年杜蘭等人[16,17]聯(lián)合測(cè)距跟蹤網(wǎng)與VLBI 觀測(cè)資料對(duì)同步衛(wèi)星定軌進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究中，他們采用測(cè)距網(wǎng)數(shù)據(jù)和附加VLBI 數(shù)據(jù)的測(cè)距網(wǎng)數(shù)據(jù)分別對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行定軌計(jì)算。圖5 給出兩種數(shù)據(jù)定軌計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明，僅利用中國(guó)VLBI 網(wǎng)少量的同步衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)可以減小測(cè)距網(wǎng)偏差對(duì)定軌精度的影響，使軌道切向分量的精度提高1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，從而在整體上使地球同步衛(wèi)星的軌道精度從百米至數(shù)十米量級(jí)提高到米級(jí)。

圖4 上海-烏魯木齊基線衛(wèi)星信號(hào)在頻域上的干涉條紋[15]

圖5 a)僅測(cè)距網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果；b)附加VLBI 數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果[16]

2011年，黃勇等人[11]利用CVN 的4 個(gè)VLBI 站對(duì)地球同步導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行了連續(xù)24 h的跟蹤觀測(cè)研究試驗(yàn)，采用了衛(wèi)星的S 波段信號(hào)成功獲得VLBI 觀測(cè)數(shù)據(jù)資料。綜合了VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行衛(wèi)星定軌后分析，VLBI 時(shí)延測(cè)量精度約為3.6 ns，時(shí)延率精度約4×10?3。單獨(dú)使用測(cè)距數(shù)據(jù)定軌與綜合測(cè)距數(shù)據(jù)和VLBI 數(shù)據(jù)定軌結(jié)果對(duì)比分析(如圖6 所示)，發(fā)現(xiàn)利用測(cè)距數(shù)據(jù)定軌軌道徑向方向位置誤差較小，軌道誤差主要來(lái)自橫向方向。單獨(dú)使用VLBI 觀測(cè)數(shù)據(jù)定軌與綜合定軌結(jié)果對(duì)比分析，如圖7 所示，發(fā)現(xiàn)軌道的三維位置誤差在15 m 左右，但徑向方向位置誤差明顯偏大。綜合以上結(jié)果表明，利用VLBI 數(shù)據(jù)與測(cè)距數(shù)據(jù)聯(lián)合定軌，VLBI 數(shù)據(jù)定軌橫向約束高、徑向約束較差與測(cè)距數(shù)據(jù)定軌橫向約束差、徑向約束高可以形成互補(bǔ)，從而提高對(duì)同步衛(wèi)星整體的定軌精度。

圖6 測(cè)距定軌與聯(lián)合定軌結(jié)果對(duì)比[11]

圖7 VLBI 數(shù)據(jù)定軌與聯(lián)合定軌結(jié)果對(duì)比[11]

2017年8月，國(guó)家授時(shí)中心所屬長(zhǎng)春、喀什和三亞VLBI 站，對(duì)中星12 號(hào)地球同步軌道衛(wèi)星開(kāi)展了VLBI 試驗(yàn)觀測(cè)[18]，試驗(yàn)中射電源觀測(cè)采用512 MHz 帶寬，中星12 衛(wèi)星采用32 MHz 帶寬，進(jìn)行差分觀測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明中星12 號(hào)衛(wèi)星時(shí)延測(cè)量精度優(yōu)于0.2 ns。此次VLBI 試驗(yàn)觀測(cè)的同時(shí)，也采用轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)定軌技術(shù)(orbit observation and determination via transfer, OODT)開(kāi)展觀測(cè)，并進(jìn)行2 h 觀測(cè)弧段的短弧定軌。試驗(yàn)結(jié)果表明，與單獨(dú)的ODTT 短弧定軌結(jié)果相比，聯(lián)合定軌的軌道精度改進(jìn)17%。使用2 h 的ODTT 和VLBI 觀測(cè)的聯(lián)合短弧定軌結(jié)果，與4 h 的單獨(dú)ODTT 定軌精度相當(dāng)。

雙星計(jì)劃的“探測(cè)一號(hào)”是中國(guó)發(fā)射的一顆大橢圓軌道衛(wèi)星，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度比地球同步軌道高了一倍多，主要用于探測(cè)近地磁尾區(qū)的磁層空間暴過(guò)程及向陽(yáng)面磁層頂區(qū)太陽(yáng)風(fēng)能量向磁層中的傳輸過(guò)程。2004年在修復(fù)了昆明站設(shè)備問(wèn)題后，舒逢春等人[19]利用CVN 對(duì)“探測(cè)一號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)并成功獲取了3 條基線的衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)資料，這是世界上首次獲取到的大橢圓軌道衛(wèi)星的實(shí)測(cè)VLBI 資料。2006年黃勇等人[20]利用舒逢春等人獲取的觀測(cè)資料對(duì)“探測(cè)一號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行定軌，探討了VLBI 定軌的能力，并分別利用VLBI 時(shí)延數(shù)據(jù)和時(shí)延率數(shù)據(jù)進(jìn)行衛(wèi)星定軌，結(jié)果表明，使用VLBI 定軌擬合精度比測(cè)控部門的初軌的精度提高不少。他們利用衛(wèi)星軌道和觀測(cè)條件模擬VLBI 觀測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，然后在不考慮動(dòng)力學(xué)模型誤差情況下利用VLBI 數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)精度大約為百米級(jí)，衛(wèi)星定軌誤差如圖8 a)所示。在考慮太陽(yáng)輻射壓模型誤差情況下重新利用VLBI 數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌，其結(jié)果精度在千米級(jí)，衛(wèi)星定軌誤差如圖8 b)所示。由此可以得出，實(shí)際利用VLBI 數(shù)據(jù)定衛(wèi)星軌道的位置精度可能要差于千米量級(jí)。如圖9 所示，在考慮太陽(yáng)輻射壓模型誤差情況下進(jìn)行VLBI 與測(cè)距數(shù)據(jù)聯(lián)合定軌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)精度在百米級(jí)，精度提高了約一個(gè)量級(jí)。

圖8 a)無(wú)動(dòng)力學(xué)模型的定軌誤差；b)考慮太陽(yáng)輻射壓模型的定軌誤差[20]

圖9 VLBI 與測(cè)距數(shù)據(jù)聯(lián)合定軌的精度[20]

3.2 中軌道衛(wèi)星

文中所指的導(dǎo)航衛(wèi)星是距離地球表面2×103～2×104km 的地球衛(wèi)星。隨著導(dǎo)航衛(wèi)星在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，其定位精度要求也越來(lái)越高。近些年諸多學(xué)者對(duì)GNSS 衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)展開(kāi)了一系列研究。利用VLBI 觀測(cè)GNSS 衛(wèi)星這個(gè)想法是在21世紀(jì)初提出的，2001年Brian 在IVS (the International VLBI Service for Geodesy and Astrometry)首次提出利用差分VLBI 觀測(cè)GPS 衛(wèi)星相位中心位置的可能性，并主要討論了衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)技術(shù)、觀測(cè)校準(zhǔn)源選取及觀測(cè)誤差修正等問(wèn)題[10]。之后類似于Barsever 等人[21]在2009年提出通過(guò)在微小衛(wèi)星裝置上搭載GNSS, SLR, DORIS 以及VLBI 的傳感器，實(shí)現(xiàn)融合多個(gè)空間大地測(cè)量技術(shù)來(lái)得到地球參考架的目標(biāo)，即GRASP (Geodetic Reference Antenna in Space)設(shè)想，激發(fā)了諸多學(xué)者利用VLBI 觀測(cè)GNSS 衛(wèi)星的研究興趣。

由于GNSS 衛(wèi)星信號(hào)波段是在L 波段，要求進(jìn)行VLBI 觀測(cè)的射電望遠(yuǎn)鏡需要裝載L波段接收機(jī)而不是常用的S/X 波段信號(hào)接收機(jī)，所以歐洲大多數(shù)的觀測(cè)試驗(yàn)選擇在Onsala(瑞典)，Medicina (意大利)和Wettzell (德國(guó))3 個(gè)站進(jìn)行。2010年Tornatore 等人[22,23]在Medicina 和Onsala 兩站進(jìn)行GLONASS 衛(wèi)星差分VLBI 觀測(cè)試驗(yàn)，成功觀測(cè)了3 顆GLONASS 衛(wèi)星。通過(guò)處理衛(wèi)星和校準(zhǔn)源的VLBI 觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了衛(wèi)星和校準(zhǔn)源的干涉條紋，如圖10 所示。為了證明數(shù)據(jù)相關(guān)處理的可行性，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行延遲模型改正并得到了衛(wèi)星和校準(zhǔn)源的時(shí)延殘差，如圖11 所示。此次觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果成功證明了VLBI 觀測(cè)GNSS衛(wèi)星是可行的。

圖10 校準(zhǔn)源3C286 與衛(wèi)星PR21 干涉條紋[22]

圖11 校準(zhǔn)源3C286 與衛(wèi)星PR21 的時(shí)延殘差[23]

2014年，Haas 等人[24]在Onsala-Wettzell 進(jìn)行GLONASS 衛(wèi)星的VLBI 觀測(cè)試驗(yàn)，并成功實(shí)現(xiàn)8 顆GLONASS 衛(wèi)星的交替觀測(cè)。與之前觀測(cè)實(shí)驗(yàn)不同，他們采用了VieVs 軟件的衛(wèi)星模塊生成觀測(cè)綱要文件。VieVs 軟件首先計(jì)算目標(biāo)衛(wèi)星位置，檢查在規(guī)定時(shí)間特定VLBI 測(cè)站是否可以觀測(cè)；然后檢查觀測(cè)的限制，如天線轉(zhuǎn)動(dòng)速度等，再選取適合的校準(zhǔn)源；最后生成觀測(cè)所需控制文件。觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)處理是由軟件DiFX 進(jìn)行的，通過(guò)Fourfit軟件進(jìn)一步處理，得到了8 顆GLONASS 衛(wèi)星的干涉條紋。同時(shí)還對(duì)兩天觀測(cè)到的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)值進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)21 號(hào)比16 號(hào)的SNR 明顯要小并且相關(guān)處理相位和幅值也更差。圖12 給出兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段觀測(cè)衛(wèi)星的SNR。Haas 等人認(rèn)為這是由于21 號(hào)觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)接受端采用更高信號(hào)衰減造成的。另外他們還對(duì)觀測(cè)相關(guān)處理結(jié)果數(shù)據(jù)采用不同時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明只需要短時(shí)間觀測(cè)就可以得到足夠信噪比的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖12 兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段8 顆衛(wèi)星信號(hào)的SNR[24]

2015年，Hellerschmied 等人[6,25]利用Tornatore 等人獲得的衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)數(shù)據(jù)，在澳大利亞的Hobart 和Ceduna 進(jìn)行了GNSS 衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)試驗(yàn)，成功觀測(cè)了GLNOASS和GPS 衛(wèi)星。 Hellerschmied 等人采用了VieVs 的衛(wèi)星模塊制定觀測(cè)計(jì)劃，觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)處理主要由DiFX 進(jìn)行，觀測(cè)信號(hào)干涉條紋擬合由AIPS 和Fourfit 完成。圖13 所示，他們把7月24日相關(guān)處理后衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)延數(shù)據(jù)與在VieVs 中先驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算時(shí)延數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)各個(gè)衛(wèi)星時(shí)延變化范圍為1～4 ns；對(duì)一顆衛(wèi)星不同觀測(cè)時(shí)段的時(shí)延變化進(jìn)行分析，其均方誤差為10～100 ps。此次研究表明，利用規(guī)劃、觀測(cè)、數(shù)據(jù)獲取及已成功建立起的相關(guān)處理衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)程序，可以用于實(shí)際的衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)。

2015—2016年期間，Plank 等人[10]在澳大利亞的Hobart 和Ceduna 進(jìn)行GNSS 衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)研究。首次跟蹤測(cè)試觀測(cè)于2015年6月進(jìn)行，同年8月又進(jìn)行了兩次測(cè)試觀測(cè)，最后的觀測(cè)試驗(yàn)于2016年5月完成。此次VLBI 觀測(cè)GNSS 衛(wèi)星試驗(yàn)包括從觀測(cè)規(guī)劃到觀測(cè)數(shù)據(jù)分析的整個(gè)過(guò)程，Plank 等人利用已有的程序、設(shè)備及軟件，盡最大努力完善精簡(jiǎn)這個(gè)過(guò)程。綜合之前的觀測(cè)研究，Plank 等人采用軟件VieVs 首次實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)度衛(wèi)星與校準(zhǔn)源觀測(cè)；在觀測(cè)方面，對(duì)觀測(cè)天線、觀察頻率設(shè)置、衛(wèi)星跟蹤及信號(hào)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和改善；在觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方面，相關(guān)處理使用了DiFX 最新版本，條紋擬合使用了AIPS，還使用了Haystacky 天文臺(tái)后處理系統(tǒng)的fourfit。由于參考源時(shí)延數(shù)據(jù)精度較差，后處理僅對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示，對(duì)于5 min 觀測(cè)時(shí)延精度，L1 波段比L2 波段高。他們認(rèn)為該結(jié)果的產(chǎn)生原因可能是，衛(wèi)星觀測(cè)信號(hào)在L1 波段，信噪比高且穩(wěn)定；而在L2 波段較低，且易變。在數(shù)據(jù)分析方面，Plank 等人采用已開(kāi)發(fā)的VieVs 組件VieVS2tie 對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。提取兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其時(shí)延殘差約8 ns。如圖14 所示，利用時(shí)延殘差分別根據(jù)觀測(cè)時(shí)間和衛(wèi)星平均仰角作圖，發(fā)現(xiàn)同一衛(wèi)星仰角越小，其時(shí)延數(shù)據(jù)殘差越大，從而推斷可能與信號(hào)傳播介質(zhì)有關(guān)，比如電離層。使用GNSS 觀測(cè)所得全球總電子含量分布圖對(duì)觀測(cè)時(shí)延進(jìn)行電離層修正，結(jié)果顯示時(shí)延殘差降至4 ns。之后為了進(jìn)一步研究采用了更精確的電離層模型進(jìn)行修正，得到的時(shí)延殘差精度比之前修正結(jié)果更高(見(jiàn)圖15)。

圖13 時(shí)延隨時(shí)間的變化[6]

圖14 a)時(shí)延殘差與時(shí)間的關(guān)系；b)時(shí)延殘差與衛(wèi)星仰角的關(guān)系[10]

圖15 兩種電離層改正后時(shí)延殘差結(jié)果[10]

3.3 低軌道衛(wèi)星

APOD(Atmospheric Density Detection and Precise Orbit Determination)衛(wèi)星是一顆具有雙頻GNSS (GPS/BD)接收機(jī)、SLR 反射器和VLBI X/S 雙波段信標(biāo)的低軌道衛(wèi)星。2016年Sun 等人[26]對(duì)低軌道地球衛(wèi)星APOD 進(jìn)行VLBI 觀測(cè)研究。為了克服低軌衛(wèi)星觀測(cè)的困難，他們進(jìn)行了多次準(zhǔn)備測(cè)試。觀測(cè)綱要的編制采用常用的VieVs 軟件；為了跟蹤快速運(yùn)行低軌衛(wèi)星，天線控制軟件采用了多種模式來(lái)測(cè)試，最后采用了以時(shí)間標(biāo)記的衛(wèi)星Az/El 位置列表輸入天線控制來(lái)跟蹤衛(wèi)星。在觀測(cè)數(shù)據(jù)處理中，由于相關(guān)處理模型采用的APOD 衛(wèi)星星歷精度較低，因此他們采用了stepwise 方法，通過(guò)APOD 載波信號(hào)和DOR 信號(hào)互相關(guān)獲取觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)干涉條紋，結(jié)果如圖16 所示。相關(guān)處理輸出時(shí)延測(cè)量精度S 波段為0.6 ns，X波段為0.1 ns。Sun 等人首次成功地利用VLBI 技術(shù)觀測(cè)了低軌道地球衛(wèi)星，這對(duì)于未來(lái)實(shí)現(xiàn)用多空間測(cè)量技術(shù)觀測(cè)地球衛(wèi)星有著重要意義。

圖16 某觀測(cè)時(shí)段衛(wèi)星信號(hào)干涉條紋[26]

4 存在的問(wèn)題

由于地球衛(wèi)星與傳統(tǒng)河外射電源觀測(cè)存在著許多不同之處，人們?cè)谶M(jìn)行衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)研究的過(guò)程中，不可避免地遇到一些問(wèn)題。早期由于儀器設(shè)備等問(wèn)題，只有少數(shù)的測(cè)站天線具備觀測(cè)衛(wèi)星的條件；目前隨著儀器設(shè)備的不斷更新和改進(jìn)，越來(lái)越多的VLBI 測(cè)站具備了觀測(cè)衛(wèi)星的能力。同時(shí)有的地球衛(wèi)星上也裝載了專門的VLBI 信標(biāo)，但是目前類似的衛(wèi)星并不普遍，這對(duì)于衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)研究有一定的影響。

在觀測(cè)綱要編制方面，由于沒(méi)有專門應(yīng)用于衛(wèi)星的觀測(cè)綱要編制軟件工具，觀測(cè)綱要編制需要耗費(fèi)大量時(shí)間。同時(shí)由于不同類型VLBI 觀測(cè)的要求不同，觀測(cè)綱要編制變得越來(lái)越困難。為了克服這些困難，Vienna VLBI 軟件VieVs 開(kāi)發(fā)了用于編制衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)綱要專用模塊，此模塊根據(jù)輸入臺(tái)站、觀測(cè)時(shí)間、衛(wèi)星等相關(guān)參數(shù)檢查以下三個(gè)方面：觀測(cè)天線是否可觀測(cè)衛(wèi)星，衛(wèi)星與太陽(yáng)間距離是否超出閾值，觀測(cè)天線是否具備足夠跟蹤衛(wèi)星的能力。最后獲得控制VLBI 天線和臺(tái)站設(shè)備的VEX 文件。目前研究結(jié)果顯示，在獲得必要的先驗(yàn)觀測(cè)以及確定觀測(cè)要求情況下，VieVs 可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編制GNSS 衛(wèi)星和射電源的組合觀測(cè)。但是由于不同的臺(tái)站具有不同的天線控制系統(tǒng)，目前該軟件的功能無(wú)法廣泛用于衛(wèi)星VLBI觀測(cè)綱要。

在觀測(cè)跟蹤衛(wèi)星方面，衛(wèi)星比河外射電源的運(yùn)行速度快很多，如同步衛(wèi)星相對(duì)于河外射電源以約15?/h 的速度沿天赤道運(yùn)行。國(guó)外在相關(guān)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中一般采用的是stepwise 方法，即首先將衛(wèi)星一系列軌道坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入到臺(tái)站天線控制文件中，在觀測(cè)目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)天線根據(jù)文件中坐標(biāo)數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)重新指向衛(wèi)星的新位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星跟蹤觀測(cè)。在國(guó)內(nèi)早期觀測(cè)試驗(yàn)中，觀測(cè)人員采用人工控制天線方法來(lái)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)地球靜止衛(wèi)星。目前人們采用直接給臺(tái)站天線提供觀測(cè)時(shí)刻衛(wèi)星的方位與俯仰角的方法進(jìn)行觀測(cè)，即首先在觀測(cè)綱要文件中定義衛(wèi)星名稱，在觀測(cè)過(guò)程中觀測(cè)目標(biāo)判斷為衛(wèi)星時(shí)，臺(tái)站天線通過(guò)衛(wèi)星方位及俯仰角數(shù)據(jù)文件對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。與國(guó)外的跟蹤方法相比，這種方法可以保證天線平滑穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星，觀測(cè)的實(shí)際效果較好。

由于測(cè)站坐標(biāo)及EOP等相關(guān)參數(shù)精確已知，一般主要考慮衛(wèi)星信號(hào)傳播介質(zhì)效應(yīng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。對(duì)于電離層改正來(lái)說(shuō)，一般河外射電源VLBI 觀測(cè)采用雙頻觀測(cè)模式來(lái)消除電離層延遲，但是衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)類似河外射電源VLBI 的雙頻觀測(cè)，目前最常用的電離層延遲改正模型主要是建立在GNSS 測(cè)量全球總電子含量分布圖的基礎(chǔ)上。衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)研究證明了這種電離層延遲改正模型的可行性，但是這種方法無(wú)法改正所有的電離層傳播效應(yīng)的影響。由于對(duì)流層延遲會(huì)隨著觀測(cè)目標(biāo)高度角的降低而增大，一般采用沿測(cè)站天頂方向的對(duì)流層延遲與高度角相關(guān)的映射函數(shù)計(jì)算觀測(cè)方向上對(duì)流層的延遲。這種方法雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)流層改正，但是其改正結(jié)果并不理想，主要原因是對(duì)流層的濕大氣引起的天頂方向延遲隨著時(shí)間、地點(diǎn)及氣候等條件的變化而變化。為了進(jìn)一步提高觀測(cè)非幾何時(shí)延改正結(jié)果，中國(guó)學(xué)者提出了一種多校準(zhǔn)源的差分VLBI 觀測(cè)方案[27]，利用同一觀測(cè)時(shí)段多顆校準(zhǔn)源的觀測(cè)內(nèi)插出衛(wèi)星觀測(cè)方向的非幾何時(shí)延修正，以此獲取對(duì)衛(wèi)星非幾何時(shí)延納秒級(jí)改正精度。如何進(jìn)一步提高觀測(cè)時(shí)延精度問(wèn)題需要進(jìn)行更多相關(guān)的衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)試驗(yàn)，人們須根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究設(shè)計(jì)一個(gè)切實(shí)可行的方案。

5 總結(jié)與展望

我們介紹了近些年國(guó)內(nèi)外VLBI 技術(shù)應(yīng)用于地球衛(wèi)星觀測(cè)方面的研究進(jìn)展。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，VLBI 技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于地球衛(wèi)星的觀測(cè)研究，早期觀測(cè)目標(biāo)主要是類似同步衛(wèi)星的高軌道衛(wèi)星。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸開(kāi)展了低中地球軌道衛(wèi)星的觀測(cè)，觀測(cè)目標(biāo)包括GNSS 衛(wèi)星和APOD 衛(wèi)星。這些觀測(cè)表明，該方面研究的發(fā)展前景巨大。同時(shí)，我們還分析討論了地球衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)研究存在的問(wèn)題及解決方案。在觀測(cè)儀器設(shè)備方面，臺(tái)站信號(hào)接收機(jī)基本已經(jīng)符合觀測(cè)要求；雖然衛(wèi)星上已經(jīng)開(kāi)始裝載VLBI 信標(biāo)，但是并不普遍，還需要一段時(shí)間發(fā)展。在觀測(cè)綱要制定方面，目前VieVs 軟件已經(jīng)具備了衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)綱要制定的能力，但是由于天線控制系統(tǒng)的原因，軟件僅適用于部分地區(qū)VLBI 網(wǎng)。在觀測(cè)跟蹤衛(wèi)星方面，與國(guó)外采用的方法不同，中國(guó)采用直接提供衛(wèi)星方位角與仰角的方法進(jìn)行引導(dǎo)跟蹤，實(shí)際觀測(cè)效果更好。在觀測(cè)系統(tǒng)差修正方面，針對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)差修正方法不理想的問(wèn)題，我們提出了一種多校準(zhǔn)源的差分VLBI 觀測(cè)方案；但是要實(shí)現(xiàn)該方案，還需要進(jìn)行更多的相關(guān)衛(wèi)星觀測(cè)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

目前VLBI 技術(shù)已經(jīng)在月球探測(cè)計(jì)劃中得到充分應(yīng)用，也將應(yīng)用于中國(guó)其他深空探測(cè)計(jì)劃。作為傳統(tǒng)測(cè)距測(cè)速空間測(cè)量技術(shù)的有益補(bǔ)充，VLBI 技術(shù)發(fā)揮其自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，豐富完善了地球軌道衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，并結(jié)合其他空間測(cè)量技術(shù)，如SLR 和GNSS 等，衛(wèi)星VLBI 觀測(cè)將在地球衛(wèi)星軌道測(cè)定方面發(fā)揮重要作用。