嫦娥四号VLBI群时延跳变研究

　　摘要相时延处理软件是嫦娥四号任务甚长基线干涉测量(VeryLongBaselineInterferometry,VLBI)测轨分系统软件配置项之一,利用其处理着陆巡视器X波段DOR(DifferentialOne-wayRanging)信号时,观测弧段(scan)内偶尔存在残余群时延跳变问题.论文主要分为两部分:一是根据VLBI信号接收和数据处理流程,从相关相位、频率、幅度和功率方面进行分析,最终将影响因素定位在昆明测站模拟信号异常;二是以scan内时延跳变影响因素分析为基础,通过修正异常基线相关相位,研究残余群时延跳变事后改正方法,并利用定轨软件验证其有效性,升级了相时延处理软件.

　　关键词射电天文:甚长基线干涉测量,射电天文:时延跳变,方法:数据分析

　　1引言深空探测一般指对月球及以远的地外天体进行空间探测的活动[1].它主要通过发射探测器来进行,而探测器的跟踪及精密测定轨在探测任务中占据重要地位,是完成工程任务和科学探测的基础.甚长基线干涉测量(VeryLongBaselineInterferometry,VLBI)技术是目前角分辨率最高的天文观测技术,可以测定探测器的角位置,它与视线方向的测距与测速方法联合,可以快速且精确地测定探测器在空间的位置和速度,对于探测器的定位和定轨,特别在探测器变轨、捕获及下降着陆等关键弧段具有重要作用[2].

　　中国VLBI网(ChineseVLBINetwork,CVN)执行我国探月和深空探测的VLBI测定轨任务,嫦娥四号任务中,它由4个VLBI测站即北京密云(BJ)站、云南昆明(KM)站、乌鲁木齐(UR)站、上海天马(TM)站和上海VLBI数据处理中心组成.VLBI测站的主要设备有:天线(Antenna)、接收机(Receiver)、数据采集终端(ChineseDataAcquisitionSystem,CDAS)、时间频率(Timefrequency)系统、气象测量(Meteorologicalmeasurement)系统等;数据处理中心主要设备为软件相关处理机(Softwarecorrelator)、硬件相关处理机(Hardwarecorrelator),主要软件有相关后(Postcorrelation)处理软件、相时延(Phasedelay)处理软件、定位(Positiondetermination)和定轨(Orbitdetermination)软件,其他配置项有观测纲要(Taskscheduling)、台站监管(Stationmonitoring)、实时VLBI数据传输(e-VLBIdatatransmission)、误差修正(Mediumcorrection)、运行管理(Operationmanagement)等[2].

　　CVN网在执行嫦娥四号任务时,各VLBI测站交替观测河外射电源和探测器.天线利用反射面将射电源或探测器发出的电波汇集起来,聚焦至天线的馈源系统,馈源系统将射频信号传送至接收机进行放大.放大后的射频信号和基于氢钟的本振信号进行混频,变换为中频信号传送至数据采集终端[2];终端对中频信号进行模数转换采样,采样后利用FPGA(FieldProgrammableGateArray)进一步信号处理,包括数字下变频、提取基带信号、格式封装和协议封装,并发送给记录设备.利用e-VLBI技术将记录的数据从观测站传至VLBI数据处理中心;软、硬件相关处理机对VLBI观测数据进行相关处理,获得互相关条纹.

　　后处理和相时延配置项从互相关条纹中,利用带宽综合技术得到VLBI时延和时延率等基本观测量,并进行各项误差改正.改正的基本技术为求取各频点的探测器和射电源的差分相位,从而去除大气时延、电离层时延和观测装置时延的大部分影响,并进一步利用GPS(GlobalPositioningSystem)和气象数据得到电离层和中性大气时延予以精确修正.利用误差改正后的时延、时延率数据以及北京航天飞行控制中心(BeijingAerospaceControlCenter,BACC)的测速测距数据,由定位和定轨系统对探测器进行轨道计算和定位归算[2].

　　2时延分析

　　在嫦娥四号VLBI测定轨任务中,采用∆DOR(Delta-DifferentialOne-wayRanging)型VLBI技术,即通过交替观测河外射电源和探测器,并利用射电源的相关相位改正探测器的相关相位,从而大幅降低大气、电离层、观测装置时延等公共误差的影响[4–7].嫦娥四号DOR信号以载波频率(Fc)8470MHz为中心,分别调制±65kHz的遥测信号、±0.5MHz的测距信号、±3.8MHz和±19.2MHz的侧音信号.迄今为止,VLBI观测量一般是群时延[8].在嫦娥四号着陆巡视器的VLBI观测中,利用带宽4MHz的4个通道分别记录X波段DOR信号主载波Fc和Fc–19.2MHz(−DOR2)、Fc−3.8MHz(−DOR1)、Fc+19.2MHz(+DOR2)的侧音信号,实际观测中未记录Fc+3.8MHz(+DOR1)的侧音信号.

　　在∆DOR型VLBI技术中,首先利用主载波、±65KHz的遥测信号和±0.5MHz的测距信号解算主载波通道的初始残余群时延,再以此为基础并综合考虑4个通道修正装置内部时延后的探测器各频点相关相位,利用修正后的4个频点相关相位,进行最小二乘拟合,得到带宽综合残余群时延.然后通过大气和电离层时延进一步修正带宽综合残余群时延,再加上几何时延预测值,最终得到探测器的带宽综合群时延.利用上海天文台相时延处理软件分析嫦娥四号数据时,着陆巡视器s8c10a数据存在scan内时延跳变问题.在相时延处理软件中,利用5s基线相关相位进行时域积分并进行直线拟合得到一个残余群时延数据,时延时间为这5s的中间时刻.因此每5s输出一个时延数据,文中的时延虽均用中间时刻来标记,但反映的是这5s内的时延情况.

　　跳变发生在2018年12月10日05:31:00左右,而UR测站在当日06:28:00才开始参与观测探测器,因此仅列出不包含UR测站的3条基线残余群时延,放大图跳变所在scan的时间段为05:29:00—05:31:59,BJ-KM和KM-TM基线残余群时延出现跳变,时延跳变幅度约为9ns.随后残余群时延在该scan内恢复正常,BJ-TM基线残余群时延正常.在05:31:00之后,BJ-KM基线第17s、22s、27s、32s、37s5个时延数据跳变;时延数据有两部分缺失,分别是跳变前第7s、12s和跳变后第42s、47s;第52s、57s时延数据恢复正常.KM-UR基线第12s、17s、22s、27s、32s、37s6个点时延跳变;时延数据也有两部分缺失,分别是跳变前第7s和跳变后第42s、47s;第52s、57s时延数据恢复正常.

　　3时延跳变因素分析

　　本节利用相时延处理软件以及3阶锁相环、快速傅里叶变换(FastFourierTransform,FFT)算法,对s8c10a的互相关数据和各测站输出数据进行处理,得到VLBI数据的相关相位、频率和幅度信息,同时分析终端记录的信号功率,来研究时延跳变影响因素.

　　3.1相关相位利用相时延处理软件处理互相关数据得到基线相关相位,包括卷绕相关相位和解卷绕相关相位.卷绕相关相位反映相时延处理软件生成的初始相位数据质量,解卷绕相关相位则反映相位的趋势变化情况.

　　3.1.1卷绕相关相位在相时延处理软件中,探测器卷绕相关相位的范围是(−π,+π).探测器4个频点相关相位减去对应频率校准射电源初相得到修正装置内部残余时延的探测器卷绕相关相位,数据输出间隔为1s.在发生跳变的scan,以BJ-KM基线为例,修正装置内部残余时延的探测器卷绕相关相位如图3所示.根据VLBI测站信号处理流程,气象测量系统主要用于中性大气、电离层的时延改正,与残余群时延跳变无关.时间频率系统主要提供测站基准频率和时间,分析包含跳变时间段的30min的钟速信息,台站监管时每30s记录一次,结果表明数据正常、无跳变.

　　因此,KM测站接收系统其他组成部分如接收机系统、馈源舱至观测室的电缆传输部分等,可能串入干扰信号.执行嫦娥四号任务时,各测站接收机放置于馈源舱,终端放置在观测室,接收机输出的中频信号通过馈源舱至观测室的电缆传输至数据采集终端.嫦娥四号任务结束后,在2020年5月8日和7月17日分别完成了对KM、BJ测站馈源舱至观测室约100m长电缆的更换,并整理了原先较为凌乱的电路走线.更换和整理电缆之后,截至2020年10月10日,在VLBI测定轨试验和任务中,与KM、BJ测站相关的基线未再出现时延跳变问题.UR和TM测站信号接收系统工作稳定,相关基线出现时延跳变的情况较少.

　　因此,推测馈源舱至观测室的电缆部分极有可能串入干扰信号,进而导致了时延跳变.根据VLBI测站信号处理流程,从接收机输出到终端的信号频率较高,约数百MHz,因此电磁兼容的设计水平对信号质量有较大影响.在测站更换电缆之前,可能由于电缆等电器件的老化以及走线凌乱等原因,造成了电路走线之间的串扰.比如不同走线之间存在电势差,而走线之间又存在分布式电容,这样走线之间的信号就会产生较大的串扰.此外,在我国火星探测任务中,还对昆明测站的接收机变频系统进行了更新,同时安装了新的前置型终端,即把新终端安装于馈源舱内,直接数字化,后续我们将继续关注是否还有时延跳变问题出现.

　　4跳变时延改正及定轨软件评定

　　4.1残余群时延改正方法研究

　　VLBI残余群时延是由相关相位对频率直线拟合给出的.根据第3.1.2节中对解卷绕相关相位的分析,时延跳变时间段的解卷绕相关相位异常,该scan其他时间段的解卷绕相关相位正常.在异常段,主载波和DOR各侧音解卷绕相关相位整体跳变.跳变大小虽不同,但依然保留正常段的变化趋势,跳变相关相位与理论相关相位存在一个常数差.

　　太空论文投稿刊物：《国际太空》(月刊)创刊于1979年，现由中国航天科技集团公司主管，中国空间技术研究院北京空间科技信息研究所主办的综合性情报类月刊。此刊国内外公开发行，属国家正式期刊。其宗旨是向与航天有关的所有部门的领导和科技人员，提供国际空间活动的最新情况和有关信息资料，它包括世界各国的空间政策、空间计划、卫星发射市场、载人航天器、空间探测器、各类卫星及其应用的市场、最新航天技术等。

　　5结论

　　本文对嫦娥四号VLBI测定轨任务中scan内残余群时延发生跳变的数据进行研究,主要从相关相位、频率、幅度和功率方面,分析了VLBI数据处理中心相时延配置项的数据以及各测站终端的记录数据,最终发现KM测站模拟信号异常导致scan内残余群时延跳变.利用上述分析结果,研究scan内残余群时延跳变事后改正方法,尝试通过调整异常段的基线相关相位,得到改正后的残余群时延.利用上海天文台定轨软件处理改正前后的时延数据,验证残余群时延事后改正方法的可行性,同时升级了上海天文台相时延处理软件.

　　参考文献

　　[1]叶培建,邹乐洋,王大轶,等.国际太空,2018,10:4

　　[2]钱志瀚,李金岭.甚长基线干涉测量技术在深空探测中的应用.北京:中国科学技术出版社,2012:1-15

　　[3]叶培建,孙泽洲,张熇,等.中国科学:技术科学,2019,49:124[4]刘庆会.深空探测学报,2018,5:435

　　[5]刘庆会,贺庆宝,郑鑫,等.中国科学:物理学力学天文学,2015,45:83

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

　　[7]吴伟仁,王广利,节德刚,等.中国科学:信息科学,2013,43:185[8]刘庆会,吴亚军.深空探测学报,2015,2:208

　　[9]黄勇,昌胜骐,李培佳,等.科学通报,2014,59:2268[10]李培佳.天文学报,2015,56:412

　　作者：蒋健华1,2†刘庆会1‡郑鑫1邓涛1,2

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