嫦娥四號VLBI群時延跳變研究

　　摘要相時延處理軟件是嫦娥四號任務甚長基線干涉測量(VeryLongBaselineInterferometry,VLBI)測軌分系統(tǒng)軟件配置項之一,利用其處理著陸巡視器X波段DOR(DifferentialOne-wayRanging)信號時,觀測弧段(scan)內偶爾存在殘余群時延跳變問題.論文主要分為兩部分:一是根據(jù)VLBI信號接收和數(shù)據(jù)處理流程,從相關相位、頻率、幅度和功率方面進行分析,最終將影響因素定位在昆明測站模擬信號異常;二是以scan內時延跳變影響因素分析為基礎,通過修正異常基線相關相位,研究殘余群時延跳變事后改正方法,并利用定軌軟件驗證其有效性,升級了相時延處理軟件.

　　關鍵詞射電天文:甚長基線干涉測量,射電天文:時延跳變,方法:數(shù)據(jù)分析

　　1引言深空探測一般指對月球及以遠的地外天體進行空間探測的活動[1].它主要通過發(fā)射探測器來進行,而探測器的跟蹤及精密測定軌在探測任務中占據(jù)重要地位,是完成工程任務和科學探測的基礎.甚長基線干涉測量(VeryLongBaselineInterferometry,VLBI)技術是目前角分辨率最高的天文觀測技術,可以測定探測器的角位置,它與視線方向的測距與測速方法聯(lián)合,可以快速且精確地測定探測器在空間的位置和速度,對于探測器的定位和定軌,特別在探測器變軌、捕獲及下降著陸等關鍵弧段具有重要作用[2].

　　中國VLBI網(wǎng)(ChineseVLBINetwork,CVN)執(zhí)行我國探月和深空探測的VLBI測定軌任務,嫦娥四號任務中,它由4個VLBI測站即北京密云(BJ)站、云南昆明(KM)站、烏魯木齊(UR)站、上海天馬(TM)站和上海VLBI數(shù)據(jù)處理中心組成.VLBI測站的主要設備有:天線(Antenna)、接收機(Receiver)、數(shù)據(jù)采集終端(ChineseDataAcquisitionSystem,CDAS)、時間頻率(Timefrequency)系統(tǒng)、氣象測量(Meteorologicalmeasurement)系統(tǒng)等;數(shù)據(jù)處理中心主要設備為軟件相關處理機(Softwarecorrelator)、硬件相關處理機(Hardwarecorrelator),主要軟件有相關后(Postcorrelation)處理軟件、相時延(Phasedelay)處理軟件、定位(Positiondetermination)和定軌(Orbitdetermination)軟件,其他配置項有觀測綱要(Taskscheduling)、臺站監(jiān)管(Stationmonitoring)、實時VLBI數(shù)據(jù)傳輸(e-VLBIdatatransmission)、誤差修正(Mediumcorrection)、運行管理(Operationmanagement)等[2].

　　CVN網(wǎng)在執(zhí)行嫦娥四號任務時,各VLBI測站交替觀測河外射電源和探測器.天線利用反射面將射電源或探測器發(fā)出的電波匯集起來,聚焦至天線的饋源系統(tǒng),饋源系統(tǒng)將射頻信號傳送至接收機進行放大.放大后的射頻信號和基于氫鐘的本振信號進行混頻,變換為中頻信號傳送至數(shù)據(jù)采集終端[2];終端對中頻信號進行模數(shù)轉換采樣,采樣后利用FPGA(FieldProgrammableGateArray)進一步信號處理,包括數(shù)字下變頻、提取基帶信號、格式封裝和協(xié)議封裝,并發(fā)送給記錄設備.利用e-VLBI技術將記錄的數(shù)據(jù)從觀測站傳至VLBI數(shù)據(jù)處理中心;軟、硬件相關處理機對VLBI觀測數(shù)據(jù)進行相關處理,獲得互相關條紋.

　　后處理和相時延配置項從互相關條紋中,利用帶寬綜合技術得到VLBI時延和時延率等基本觀測量,并進行各項誤差改正.改正的基本技術為求取各頻點的探測器和射電源的差分相位,從而去除大氣時延、電離層時延和觀測裝置時延的大部分影響,并進一步利用GPS(GlobalPositioningSystem)和氣象數(shù)據(jù)得到電離層和中性大氣時延予以精確修正.利用誤差改正后的時延、時延率數(shù)據(jù)以及北京航天飛行控制中心(BeijingAerospaceControlCenter,BACC)的測速測距數(shù)據(jù),由定位和定軌系統(tǒng)對探測器進行軌道計算和定位歸算[2].

　　2時延分析

　　在嫦娥四號VLBI測定軌任務中,采用∆DOR(Delta-DifferentialOne-wayRanging)型VLBI技術,即通過交替觀測河外射電源和探測器,并利用射電源的相關相位改正探測器的相關相位,從而大幅降低大氣、電離層、觀測裝置時延等公共誤差的影響[4–7].嫦娥四號DOR信號以載波頻率(Fc)8470MHz為中心,分別調制±65kHz的遙測信號、±0.5MHz的測距信號、±3.8MHz和±19.2MHz的側音信號.迄今為止,VLBI觀測量一般是群時延[8].在嫦娥四號著陸巡視器的VLBI觀測中,利用帶寬4MHz的4個通道分別記錄X波段DOR信號主載波Fc和Fc–19.2MHz(−DOR2)、Fc−3.8MHz(−DOR1)、Fc+19.2MHz(+DOR2)的側音信號,實際觀測中未記錄Fc+3.8MHz(+DOR1)的側音信號.

　　在∆DOR型VLBI技術中,首先利用主載波、±65KHz的遙測信號和±0.5MHz的測距信號解算主載波通道的初始殘余群時延,再以此為基礎并綜合考慮4個通道修正裝置內部時延后的探測器各頻點相關相位,利用修正后的4個頻點相關相位,進行最小二乘擬合,得到帶寬綜合殘余群時延.然后通過大氣和電離層時延進一步修正帶寬綜合殘余群時延,再加上幾何時延預測值,最終得到探測器的帶寬綜合群時延.利用上海天文臺相時延處理軟件分析嫦娥四號數(shù)據(jù)時,著陸巡視器s8c10a數(shù)據(jù)存在scan內時延跳變問題.在相時延處理軟件中,利用5s基線相關相位進行時域積分并進行直線擬合得到一個殘余群時延數(shù)據(jù),時延時間為這5s的中間時刻.因此每5s輸出一個時延數(shù)據(jù),文中的時延雖均用中間時刻來標記,但反映的是這5s內的時延情況.

　　跳變發(fā)生在2018年12月10日05:31:00左右,而UR測站在當日06:28:00才開始參與觀測探測器,因此僅列出不包含UR測站的3條基線殘余群時延,放大圖跳變所在scan的時間段為05:29:00—05:31:59,BJ-KM和KM-TM基線殘余群時延出現(xiàn)跳變,時延跳變幅度約為9ns.隨后殘余群時延在該scan內恢復正常,BJ-TM基線殘余群時延正常.在05:31:00之后,BJ-KM基線第17s、22s、27s、32s、37s5個時延數(shù)據(jù)跳變;時延數(shù)據(jù)有兩部分缺失,分別是跳變前第7s、12s和跳變后第42s、47s;第52s、57s時延數(shù)據(jù)恢復正常.KM-UR基線第12s、17s、22s、27s、32s、37s6個點時延跳變;時延數(shù)據(jù)也有兩部分缺失,分別是跳變前第7s和跳變后第42s、47s;第52s、57s時延數(shù)據(jù)恢復正常.

　　3時延跳變因素分析

　　本節(jié)利用相時延處理軟件以及3階鎖相環(huán)、快速傅里葉變換(FastFourierTransform,FFT)算法,對s8c10a的互相關數(shù)據(jù)和各測站輸出數(shù)據(jù)進行處理,得到VLBI數(shù)據(jù)的相關相位、頻率和幅度信息,同時分析終端記錄的信號功率,來研究時延跳變影響因素.

　　3.1相關相位利用相時延處理軟件處理互相關數(shù)據(jù)得到基線相關相位,包括卷繞相關相位和解卷繞相關相位.卷繞相關相位反映相時延處理軟件生成的初始相位數(shù)據(jù)質量,解卷繞相關相位則反映相位的趨勢變化情況.

　　3.1.1卷繞相關相位在相時延處理軟件中,探測器卷繞相關相位的范圍是(−π,+π).探測器4個頻點相關相位減去對應頻率校準射電源初相得到修正裝置內部殘余時延的探測器卷繞相關相位,數(shù)據(jù)輸出間隔為1s.在發(fā)生跳變的scan,以BJ-KM基線為例,修正裝置內部殘余時延的探測器卷繞相關相位如圖3所示.根據(jù)VLBI測站信號處理流程,氣象測量系統(tǒng)主要用于中性大氣、電離層的時延改正,與殘余群時延跳變無關.時間頻率系統(tǒng)主要提供測站基準頻率和時間,分析包含跳變時間段的30min的鐘速信息,臺站監(jiān)管時每30s記錄一次,結果表明數(shù)據(jù)正常、無跳變.

　　因此,KM測站接收系統(tǒng)其他組成部分如接收機系統(tǒng)、饋源艙至觀測室的電纜傳輸部分等,可能串入干擾信號.執(zhí)行嫦娥四號任務時,各測站接收機放置于饋源艙,終端放置在觀測室,接收機輸出的中頻信號通過饋源艙至觀測室的電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集終端.嫦娥四號任務結束后,在2020年5月8日和7月17日分別完成了對KM、BJ測站饋源艙至觀測室約100m長電纜的更換,并整理了原先較為凌亂的電路走線.更換和整理電纜之后,截至2020年10月10日,在VLBI測定軌試驗和任務中,與KM、BJ測站相關的基線未再出現(xiàn)時延跳變問題.UR和TM測站信號接收系統(tǒng)工作穩(wěn)定,相關基線出現(xiàn)時延跳變的情況較少.

　　因此,推測饋源艙至觀測室的電纜部分極有可能串入干擾信號,進而導致了時延跳變.根據(jù)VLBI測站信號處理流程,從接收機輸出到終端的信號頻率較高,約數(shù)百MHz,因此電磁兼容的設計水平對信號質量有較大影響.在測站更換電纜之前,可能由于電纜等電器件的老化以及走線凌亂等原因,造成了電路走線之間的串擾.比如不同走線之間存在電勢差,而走線之間又存在分布式電容,這樣走線之間的信號就會產生較大的串擾.此外,在我國火星探測任務中,還對昆明測站的接收機變頻系統(tǒng)進行了更新,同時安裝了新的前置型終端,即把新終端安裝于饋源艙內,直接數(shù)字化,后續(xù)我們將繼續(xù)關注是否還有時延跳變問題出現(xiàn).

　　4跳變時延改正及定軌軟件評定

　　4.1殘余群時延改正方法研究

　　VLBI殘余群時延是由相關相位對頻率直線擬合給出的.根據(jù)第3.1.2節(jié)中對解卷繞相關相位的分析,時延跳變時間段的解卷繞相關相位異常,該scan其他時間段的解卷繞相關相位正常.在異常段,主載波和DOR各側音解卷繞相關相位整體跳變.跳變大小雖不同,但依然保留正常段的變化趨勢,跳變相關相位與理論相關相位存在一個常數(shù)差.

　　太空論文投稿刊物：《國際太空》(月刊)創(chuàng)刊于1979年，現(xiàn)由中國航天科技集團公司主管，中國空間技術研究院北京空間科技信息研究所主辦的綜合性情報類月刊。此刊國內外公開發(fā)行，屬國家正式期刊。其宗旨是向與航天有關的所有部門的領導和科技人員，提供國際空間活動的最新情況和有關信息資料，它包括世界各國的空間政策、空間計劃、衛(wèi)星發(fā)射市場、載人航天器、空間探測器、各類衛(wèi)星及其應用的市場、最新航天技術等。

　　5結論

　　本文對嫦娥四號VLBI測定軌任務中scan內殘余群時延發(fā)生跳變的數(shù)據(jù)進行研究,主要從相關相位、頻率、幅度和功率方面,分析了VLBI數(shù)據(jù)處理中心相時延配置項的數(shù)據(jù)以及各測站終端的記錄數(shù)據(jù),最終發(fā)現(xiàn)KM測站模擬信號異常導致scan內殘余群時延跳變.利用上述分析結果,研究scan內殘余群時延跳變事后改正方法,嘗試通過調整異常段的基線相關相位,得到改正后的殘余群時延.利用上海天文臺定軌軟件處理改正前后的時延數(shù)據(jù),驗證殘余群時延事后改正方法的可行性,同時升級了上海天文臺相時延處理軟件.

　　參考文獻

　　[1]葉培建,鄒樂洋,王大軼,等.國際太空,2018,10:4

　　[2]錢志瀚,李金嶺.甚長基線干涉測量技術在深空探測中的應用.北京:中國科學技術出版社,2012:1-15

　　[3]葉培建,孫澤洲,張熇,等.中國科學:技術科學,2019,49:124[4]劉慶會.深空探測學報,2018,5:435

　　[5]劉慶會,賀慶寶,鄭鑫,等.中國科學:物理學力學天文學,2015,45:83

　　[6]LiuQH,KikuchiF,GoossensS,etal.JGSJ,2009,55:243

　　[7]吳偉仁,王廣利,節(jié)德剛,等.中國科學:信息科學,2013,43:185[8]劉慶會,吳亞軍.深空探測學報,2015,2:208

　　[9]黃勇,昌勝騏,李培佳,等.科學通報,2014,59:2268[10]李培佳.天文學報,2015,56:412

　　作者：蔣健華1,2†劉慶會1‡鄭鑫1鄧濤1,2

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