VLBI觀測北斗GEO衛(wèi)星的相關處理試驗

張繼榮，李輝，弓劍軍，楊旭海

VLBI觀測北斗GEO衛(wèi)星的相關處理試驗

張繼榮1，李輝1，弓劍軍2，楊旭海2

（1. 西安郵電大學，西安 710121；2. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600）

對北斗地球同步衛(wèi)星（GEO）使用甚長基線干涉測量技術（VLBI）進行測量，VLBI測量的是目標橫向位置與速度，從而與測距測速技術形成互補。研究了VLBI觀測衛(wèi)星的基本原理和DiFX（distributed FX correlator）對衛(wèi)星處理主要流程。利用適合于衛(wèi)星的DiFX軟件相關器進行數據處理分析獲得了清晰的干涉條紋。針對中國科學院國家授時中心寬帶VLBI系統在觀測北斗衛(wèi)星信號時，由于觀測帶寬遠大于信號帶寬，導致必須要處理大量的無用信息，提出了用Zoom方法對觀測帶寬頻率進行截取有效信號的方法。利用Zoom方法和常規(guī)方法進行相關處理及后處理，結果表明在觀測有效帶寬的情況下，Zoom方法可以有效地提高信號觀測質量和觀測精度。

分布式FX相關機；干涉測量；地球同步軌道

0 引言

作為全球第三個逐漸成熟的衛(wèi)星導航系統，由中國自主研發(fā)，獨立運行的全球衛(wèi)星導航和定位系統的北斗導航衛(wèi)星系統，預計將于2020年內全面完成建設[1]。為增強北斗導航衛(wèi)星能夠提供可靠連續(xù)穩(wěn)定的定位導航及授時功能，需進行大量觀測試驗。GEO（geostationary earth orbit）同步衛(wèi)星因為隨時要保持星下點位置，經常要進行衛(wèi)星姿態(tài)調整和機動，利用VLBI（very long baseline interferometry）和偽距技術觀測能夠縮短同步衛(wèi)星的軌道恢復時間，提高了導航同步衛(wèi)星的利用效率。正是因為VLBI能提供目標橫向位置和速度信息，可應用與測距測速技術聯合實現GEO導航衛(wèi)星精密測定軌[2-4]。

目前，各國不斷開展VLBI觀測航天器的試驗，2007年9月日本發(fā)射的“月亮女神號”月球探測器通過同波束VLBI觀測，使得相對相位的測量精度達到ps量級[5]。歐洲VLBI聯合研究所JIVE（Joint Institute for VLBI ERIC）利用VLBI技術跟蹤惠更斯衛(wèi)星降落土衛(wèi)六過程[6]。而在國內多次利用中國VLBI網（Chinese VLBI network，CVN）相繼對中國探月工程“嫦娥系列”進行觀測，在2007年10月24日嫦娥一號探測器成功發(fā)射，嚴韋等[7]用差分VLBI應用于完成地月轉移軌道定軌地球定位參數（EOP）解算；2013年12月14日嫦娥三號成功軟著陸后，鄭鑫等[8]利用同波束VLBI技術分析其電離層差分相時延。另外我國將于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器，一次發(fā)射實現“環(huán)繞”“著陸”“巡視”3個探測目標，火星探測器的跟蹤和測定軌主要采用測距測速和VLBI測角3種手段[9]。同樣中國科學院國家授時中心利用最新研制的我國首套VGOS（VLBI 2010 global observation）系統，對中星12號衛(wèi)星成功開展觀測試驗并獲得干涉條紋[10]。之后國家授時中心徐磊等[11]對衛(wèi)星共視與基線長度及衛(wèi)星高度關系的研究，表明觀測北斗導航衛(wèi)星的可能性。

在利用國家授時中心的寬帶VLBI系統觀測衛(wèi)星時，由于國家授時中心的寬帶VLBI系統最小跟蹤觀測帶寬為32 MHz，而本次北斗衛(wèi)星信號觀測帶寬僅為8 MHz。在觀測北斗GEO導航衛(wèi)星信號時，若采用國家授時中心寬帶VLBI系統的最小觀測帶寬進行相關處理，會將噪聲干擾信號同時處理，對結果會造成一定影響。本文利用Zoom方法提取衛(wèi)星有效信號，提高觀測信噪比和時延精度，改進國家授時中心寬帶VLBI觀測窄帶衛(wèi)星信號相關處理方法，并提高了時延觀測精度。

1 VLBI基本原理

1.1 觀測原理

VLBI使用兩臺天線同時觀測某信號源，經過長時間的傳播，信號的同一波前到達兩站的時間不同。VLBI觀測射電源示意于圖1。

圖1 VLBI觀測射電源示意圖

圖2為VLBI觀測衛(wèi)星示意圖。衛(wèi)星相較射電源離地球較近，其發(fā)射的射電波不能近似為平面波，應當作球面波處理[14]。

圖2 VLBI觀測衛(wèi)星示意圖

1.2 相關處理原理

為了簡化計算假設兩觀測站無鐘差，則接受到信號經過整數時延補償可表示為

將條紋反轉后的數據經過傅里葉變換，消除剩余的分數延遲導致的整個頻帶的相位誤差，即

2 DiFX軟相關器

目前，國際上有各種不同的相關處理軟件，例如日本情報通信研究機構（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）的K5相關處理軟件、俄羅斯科學院應用天文研究所 （IAA RAS）的IAA軟件相關處理機，中國上海天文臺的CVN相關處理軟件，歐洲VLBI聯合研究所 JIVE研制的SFXC（super FX correlator）軟件，以及在2005年由澳大利亞Adam Deller博士在Swinburne大學開發(fā)的DiFX（distributed FX correlator）軟件相關處理機，比較流行和較為成熟的是DiFX軟件相關機，具有靈活、移植性高、計算速率高等特點[15-16]。它是一個分布式MPI應用程序，并部署在一個通用Linux計算集群上，是整個VLBI觀測目標后數據進行處理的核心部分。它采用C++語言進行開發(fā)，并且高度模塊化，使用英特爾集成性能函數庫（intel’s integrated performance primitive library，IPP）用于優(yōu)化運行速度，數據傳輸用的是消息傳遞接口（message passing interface，MPI）[17]。

最初為處理射電源數據而設計的DiFX相關處理軟件，默認時延模型是戈達德航天中心開發(fā)的CALC 9軟件，對每個臺站的觀測數據進行基于地心的延遲補償[18]。當用DiFX處理衛(wèi)星數據時，需將原本的時延模型替換成近場時延模型。所以使用DiFX處理衛(wèi)星數據時，最重要的步驟就是替換為適合衛(wèi)星的時延模型。衛(wèi)星處理流程如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星處理流程圖

在處理數據時，需要觀測綱要文件，即VLBI綱要文件（VLBI experiment，VEX），包含實驗編號、觀測模式、地球定向參數、天線基本信息和頻率等信息，使用美國國立射電天文臺（NRAO）開發(fā)專用于射電天文VLBI觀測綱要的SCHED[19]軟件生成的VEX文件。

DiFX處理衛(wèi)星數據步驟示于圖3。

① 利用SCHED軟件事先生成本次所需要的綱要文件（VEX文件），運行DiFX中的子程序vex2difx讀取綱要信息，生成后綴為calc文件和input文件，前者主要是用于接下來幾何模型的計算，后者是DiFX核心子程序mpifxcorr的輸入文件。

② 輸入命令calcserver啟動用于計算VLBI應用程序的幾何延遲模型，之后運行calcif2子程序生成干涉模型im文件、基線投影uvw文件和幾何延遲delay文件。

③ 利用衛(wèi)星近場時延模型軟件生成衛(wèi)星近場模型im文件。

④ 將原先模型文件替換為衛(wèi)星近場模型im文件。

⑤ 運行核心子程序mpifxcorr進行相關處理得到DiFX文件。

⑥ 再利用difx2mark4子程序將其轉換成按SCAN編號的文件夾。

3 Zoom頻帶縮放

注：FFT為fast Fourier transform

圖4 Zoom頻帶縮放原理圖

Zoom頻帶縮放的基本過程是頻移后進行低通濾波和降采樣，最后做傅里葉變換。當所需分析的頻帶范圍內的信號頻率間隔很小，分辨率過低，無法區(qū)分出這一頻帶內的頻率特性。使用Zoom頻帶縮放算法，就可以把所要分析的密集頻點進行放大，使得各自頻率信息顯示出來。把信號通過頻移之后通過數字濾波器的截止頻率濾波后，再降采樣得到濾波后的信號，經過FFT（fast Fourier transform）變換就可以得到所需分析的頻譜，具體原理如下：

② 得到所要增大頻譜分辨率的頻帶內的中心頻率后，對信號乘以頻移量進行復調制頻移。復調制頻移根據傅里葉變換性質，即將信號頻譜在頻域內的頻率坐標進行左右移動，將所移動的頻移量移動到零頻位置進行分析，即

在DiFX中實現Zoom算法可以只針對有效信號進行相關處理，減輕相關處理中交叉相乘部分的運算量，從而減輕了在主節(jié)點的數據量[21]，提高了運算效率、獲得了高分辨率的頻譜。

4 試驗結果及分析

本次試驗利用國家授時中心的VLBI觀測系統，對北斗導航GEO衛(wèi)星進行試驗觀測，觀測總時長24 h，時間為2019年7月16日UTC 13:00:00至2019年7月17日UTC 12:58:00。衛(wèi)星信號中心頻率為3 868 MHz，觀測帶寬32 MHz，數據2比特采樣。參與的相關臺站來自國家授時中心搭建的吉林、喀什和三亞3個臺站，構成3條基線，且每個臺站均采用13 m口徑天線。

試驗數據在總觀測時長中選取2019年第197 d UTC 16:46:20至16:50:00時間內的VLBI觀測數據進行分析。北斗導航GEO衛(wèi)星下行信號經過VLBI相關處理及后處理后，用HOPS的Fourfit子程序進行條紋擬合后在頻域內的相位和幅度分布如圖5至圖7所示。圖5為吉林—三亞基線的互相關譜，圖6為吉林—喀什基線的互相關譜，圖7為喀什—三亞基線的互相關譜，橫坐標表示頻率，單位為MHz；縱坐標表示幅度，單位為dB。3幅圖中的上圖表示相位隨頻率變化曲線，下圖表示幅度隨頻率變化曲線。

圖5 吉林—三亞互相關譜

圖6 吉利—喀什互相關譜

圖7 喀什—三亞互相關譜

利用HOPS的Fourfit程序計算得到VLBI觀測值，得到8 MHz有效信號內的吉林—三亞的時延精度為69 ps，吉林—喀什的時延精度為152 ps，喀什—三亞的時延精度為112 ps。

從圖5至圖7中可以看出衛(wèi)星的有效信號均落在14~22 MHz之間，其他頻率范圍內噪聲干擾較大，并且可以看出3條基線都在14~22 MHz，8 MHz帶寬之間出現較為清晰的干涉條紋，通過HOPS進行干涉條紋的互功率譜擬合有較為理想的結果。在8 MHz帶寬之外由于噪聲干擾信號較大，可以看到其擬合結果并不理想，各個相位與頻率，幅度與頻率的關系無規(guī)則的分布于圖內，無法進行有效擬合。另外可以看出在數據相關處理過程中明顯會對干擾噪聲和有效信號同時進行相關處理，這就會對最終的時延結果造成一定影響。

在整個頻帶中我們只對某段頻譜的局部特性感興趣，而不是包含干擾信號的整個頻帶，但由于寬帶VLBI觀測衛(wèi)星的限制，VGOS系統的最小觀測帶寬僅為32 MHz，無法支持任意的指定帶寬進行處理，同時考慮到干擾噪聲信號處理過程中所帶來的的影響，所以需要對源信號進行截取8 MHz帶寬來提取有效信號，濾掉干擾噪聲信號再進行相關處理。

圖8到圖10分別為吉林—三亞、吉林—喀什、喀什—三亞3條基線分別截取8 MHz帶寬后，提取出有效信號進行相關處理及條紋擬合后的互功率譜?？梢钥吹皆谡麄€帶寬內都為有效信號，并且擬合后均出現清晰的干涉條紋。經過截取8 MHz帶寬后得到時延精度吉林—三亞為29 ps，吉林—喀什為47 ps，喀什—三亞為44 ps。

圖8 吉林—三亞8 MHz帶寬互相關譜

圖9 吉林—喀什8 MHz帶寬互相關譜

圖10 喀什—三亞8 MHz帶寬互相關譜

表1為不同帶寬之間時延精度和信噪比的對比，可以看到利用Zoom頻帶縮放截取8 MHz帶寬3條基線的時延精度，相比于32 MHz帶寬內有效信號3條基線的時延精度的均有所提高，分別提高了58%，68%，51%左右。經過截取有效信號后各個基線的信噪比同樣也有所提升，分別提升了24%，69%，30%左右。一方面是由于通過截取信號濾掉了一些噪聲信號，另一方面是因為信噪比與互相關幅度成正比，所以會對時延精度和信噪比帶來變化。

表1 不同帶寬之間時延精度和信噪比對比

5 結語

本文介紹了VLBI觀測衛(wèi)星的原理及衛(wèi)星相關處理的過程，并根據國家授時中心的寬帶VLBI觀測衛(wèi)星中存在的問題，提出了一種在寬帶VLBI觀測衛(wèi)星系統中，應用于窄帶衛(wèi)星信號相關處理的改進方法，該方法通過頻移濾波后經過相關處理計算，避免了無用數據的處理，提高了觀測時延精度，結果表明Zoom頻帶縮放對寬帶VLBI觀測窄帶衛(wèi)星信號具有重要作用。

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Correlation processing experiment of VLBI BeiDou geostationary satellite observation

ZHANG Ji-rong1, LI Hui1, GONG Jian-jun2, YANG Xu-hai2

(1. Xi’an University of Posts & Telecommunications,Xi’an 710121, China;2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710600, China)

The Beidou geostationary earth orbit (GEO) is measured using very long baseline interferometry (VLBI). The VLBI observables are sensitive to the lateral position and velocity of the target, thus can be a complement to the range and speed measurement technology. The basic principle of the VLBI satellite tracking and the correlation processes of DiFX (distributed FX correlator) are investigated. Using the DiFX software correlator, clear interference fringes were obtained. As the observation bandwidth is much larger than the signal bandwidth of satellite signals, a large amount of useless information have to be processed in correlator. In this paper, we propose an approach that interceptsing satellite signals within the observation bandwidth frequency by the Zoom method. We correlate the satellite signals with both the Zoom method and the conventional DiFX method, and find the zoom method can effectively improve the quality of the satellite signals and increase the accuracy of satellite observable, group delay.

distributed FX correlator (DiFX); interferometry; geostationary earth orbit

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-03-0231-09

2020-01-21；

2020-04-09

張繼榮，女，教授，主要從事寬帶通信網研究。