深空探测单向差分测距几何时延仿真及计算
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嫦娥二号ce2工程中利用星载dor信标开展的多次观测试验仍将dor单频信号视为常规vlbi信fft分辨率来提高相位精技术利用dor几何模型构造测相位信息不受fft分辨率限制比常规vlbi方法更适合dor信号处理dor本地相关技术中理论时论值不准确时构造的单频信号频率与真实频率相差较远影响相位测量精度消除模糊度的难度远大于常规vlbi技术从而对理论时延模型的依赖也远dor理论时延模型的计算方法dor理论时延的主项手编写dor几何时延的计算程序采取仿真与实测两种方式进行正确应用于未来深空探测搭载dor信标的干涉测量国家自然科学基金11173052113030772012aa121603探月工程三期预研ty3q20110027导航与定位重点实验室13dz2273300y224351002dordorvlbi几何时延模型及相互转换几何时延是指纯粹由于测站和射电源或探测器位置的几何关系而产生的时间延迟
深 空探 测 工程 中 实现 。文章研 究 了 ＤＯＲ 几何 时延 的计 算 方 法 ，采 用仿 真 和 实测 两种 方 法
进 行 正确性 验 证 。 利 用仿 真 Ｄ ＯＲ 几 何 时 延 以及 ＤＯＲ 信 号 ，采 用 本 地 相 关 方 法 ，获 得 ＤＯＲ 时延 观 测量 ，与仿 真 实际 时延差 别 小于 ０ ． ２ ｐ ｓ 。使 用 “ 嫦 娥 二 号” 卫 星的轨 道 数 据分
观测 量 。该 技术 在 国外 已 日臻完 善 ，美 国航 天局 （ ＮＡＳ Ａ） 和欧 空局 （ Ｅ Ｓ Ａ） 已成 功应 用 于 多个 行 星 际 深 空探 测器 的精 密测 量 与导航 ＿ １ ’ ］ ，并 在继 续发 展 ，但未公 开技 术细 节 。
国内 Ｄ ｅ ｌ ｔ ａ — Ｄ ＯＲ技 术处 于研究 和探 索 阶段 。嫦娥 二号 （ Ｃ Ｅ 一 ２ ） 工程 中利用 星载 ＤＯ Ｒ信 标开 展 的
ＤＯＩ ：１ ０ ． ３ ７ ８ ｏ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ７ ５ ８ Ｘ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． Ｏ １ １
１ 引 言
甚 长基 线 干涉测 量 （ ＶＬ Ｂ Ｉ ） 技 术 为 我 国探 月 工 程 测 定 轨 提 供 了不 可替 代 的 技 术 保 障 。但 现 有 ＶＬ Ｂ Ｉ 专 用信标 带 宽不超 过 １ ＭＨｚ ，单 通道 时延 精度 提高有 限 。为 提高 测 量精 度 ，喷 气 推进 动力 实 验室（ Ｊ Ｐ Ｌ ） 在深空 探测 器 的下行 信号 段专 门设 置具有 一定 频率 间 隔的单 向差 分测 距 （ Ｄ ＯＲ） 单 点频 信 标 序 列＿ １ ］ ，采用 较差单 向差 分测 距 （ Ｄｅ ｌ ｔ ａ — ＤＯＲ） 射 电干 涉测 量技 术 。 ］ ，获得 高 精 度 带 宽综 合 时延
远大 于常规 ＶＬ Ｂ Ｉ 技 术 ，从 而对 理 论 时延 模 型 的依 赖 也 远 高 于 ＶＬ Ｂ Ｉ 时 延 。 因此 ，需 要 专 门研 究 ＤＯＲ理论 时延 模 型的计 算方 法 。 本文 首次 结合本 地 相关技 术 对 Ｄ ＯＲ 理 论 时 延 的 主项 “ 几 何 时 延 ” 开 展 研 究 ，从 计 算 原 理 人 手 ，编写 Ｄ ＯＲ几 何 时延 的计算 程序 ，采取 仿 真与 实测 两种 方式 进 行 正确 性 验证 。文 中研究 成 果 可
多次 观测试 验 ，仍将 Ｄ ＯＲ 单 频 信 号视 为 常规 ＶＬ Ｂ Ｉ 信 标 ，相关 处 理 时 通 过 提 高 快 速 傅 里 叶 变 换 （ Ｆ Ｆ Ｔ） 分辨率 来 提高相 位精 度 。Ｆ Ｆ Ｔ 输 出绝 大 部 分 为 噪声 ，计算 量 大 ，效 率 较 低 。本 地 相关 处理
应用 于未来 深 空探测 搭 载 ＤＯＲ信标 的干涉测 量 。
国 家 自然 科 学 基 金 （ １ １ １ ７ ３ ０ ５ ２ 、１ １ ３ ０ ３ ０ ７ ７ ） 、国 家 ８ ６ ３计 划 （ ２ ０ １ ２ ＡＡ１ ２ １ ６ ０ ３ ） 、探 月 工 程 三 期 预 研 （ ＴＹ ３ Ｑ２ ０ １ １ ０ ０ ２ ７ ） 、上 海 市
中Hale Waihona Puke 国 空 间 科 学 技 术 Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｓｐ ａ ｃ ｅ Ｓｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
２ ０ １ ４年 ２月
第 １ 期
深 空探 测 单 向差 分 测 距 几 何 时延仿 真及 计 算
黄 逸 丹 郑 为民
（ １ 中 国科 学 院上 海 天 文 台 ，上 海 ２ ０ ０ ０ ３ ０ ）
导航 与定 位 重 点 实 验 室 （ １ ３ Ｄ Ｚ ２ ２ ７ ３ ３ ０ Ｏ 、Ｙ２ ２ ４ ３ ５ １ Ｏ ０ ２ ）资 助 项 目
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ４ — ０ ３ 收 修 改 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ８ — １ ９
２ ０ １ ４年 ２月
中 国 空 间 科 学 技 术
２ ＤＯＲ、ＶＬＢ Ｉ 几 何 时 延 模 型 及 相 互 转 换
几何 时延是指纯粹 由于测站 和射 电源 （ 或探测器 ） 位置 的几何 关系而产生 的时间延迟。两个测站 同一 时刻接收到的探测 器在不 同轨道位置发出信号的光行时之差 ］ ，对应 Ｄ Ｏ Ｒ本 地相关技术采用的时延 ，本 文称之为 Ｄ ＯＲ几何 时延 ，原理见 图 １ 。探测器或河外射 电源发 出的同一波前信号到达两个测站 的传播光
马 茂莉
（ ２ 中 国科 学 院射 电 天 文联 合 实 验 室 ，南 京 ２ １ ０ ０ ０ ８ ）
摘 要 本地 相 关处理 方 法对单 向差 分测距 （ ＤＯＲ ） 时延 模 型精 度 的依 赖 远 高 于常规 甚 长
基 线 干 涉测 量 （ ＶＬ Ｂ Ｉ ） 时延模 型 ，时延 模 糊度 消除 的难度 也较 高， 目前 这一 方 法还 未在 中国
别计 算 了 Ｄ ＯＲ 几何 时延和 ＶＬ Ｂ Ｉ 几何 时延 ，并做 了相 应 转 换 。Ｄ ＯＲ 时延 与 ＶＬ Ｂ Ｉ 时延 经
转化后 ，吻合在 几 十皮 秒量 级 。 文章 验 证 了 ＤＯ Ｒ 时延 计 算 方 法 的正 确 性 ，成 果 可 用 于 未
来 月球 、火星 、金 星等 深空探 测 器的 Ｄ ＯＲ射 电干 涉测 量 。 关键词 单向 差分测 距 ；几何 时延 ；本 地相 关 处理 ；甚长基 线干 涉测 量 ；深 空探 测
技 术 利用 Ｄ ＯＲ几 何 模 型 ，构 造 测站 单 频参 考 信号 ，再 与 观 测信 号相 关 ，直 接输 出各 ＤＯＲ信 标 的
相位 信息 ，不 受 Ｆ Ｆ Ｔ 分辨 率 限制 ，比常 规 ＶＬ Ｂ Ｉ 方 法更 适合 ＤＯＲ信号 处理 ］ 。 在 ＤＯＲ本地 相关 技术 中 ，理论 时 延模 型 的 精度 是 ＤＯＲ信 号 相位 提 取 成败 的关 键 。 当时 延理 论 值 不准确 时 ，构造 的单 频信 号频 率与 真实 频率 相差较 远 ，影 响相位 测量精 度 ，消 除模糊 度 的难度
深 空探 测 工程 中 实现 。文章研 究 了 ＤＯＲ 几何 时延 的计 算 方 法 ，采 用仿 真 和 实测 两种 方 法
进 行 正确性 验 证 。 利 用仿 真 Ｄ ＯＲ 几 何 时 延 以及 ＤＯＲ 信 号 ，采 用 本 地 相 关 方 法 ，获 得 ＤＯＲ 时延 观 测量 ，与仿 真 实际 时延差 别 小于 ０ ． ２ ｐ ｓ 。使 用 “ 嫦 娥 二 号” 卫 星的轨 道 数 据分
观测 量 。该 技术 在 国外 已 日臻完 善 ，美 国航 天局 （ ＮＡＳ Ａ） 和欧 空局 （ Ｅ Ｓ Ａ） 已成 功应 用 于 多个 行 星 际 深 空探 测器 的精 密测 量 与导航 ＿ １ ’ ］ ，并 在继 续发 展 ，但未公 开技 术细 节 。
国内 Ｄ ｅ ｌ ｔ ａ — Ｄ ＯＲ技 术处 于研究 和探 索 阶段 。嫦娥 二号 （ Ｃ Ｅ 一 ２ ） 工程 中利用 星载 ＤＯ Ｒ信 标开 展 的
ＤＯＩ ：１ ０ ． ３ ７ ８ ｏ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ７ ５ ８ Ｘ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． Ｏ １ １
１ 引 言
甚 长基 线 干涉测 量 （ ＶＬ Ｂ Ｉ ） 技 术 为 我 国探 月 工 程 测 定 轨 提 供 了不 可替 代 的 技 术 保 障 。但 现 有 ＶＬ Ｂ Ｉ 专 用信标 带 宽不超 过 １ ＭＨｚ ，单 通道 时延 精度 提高有 限 。为 提高 测 量精 度 ，喷 气 推进 动力 实 验室（ Ｊ Ｐ Ｌ ） 在深空 探测 器 的下行 信号 段专 门设 置具有 一定 频率 间 隔的单 向差 分测 距 （ Ｄ ＯＲ） 单 点频 信 标 序 列＿ １ ］ ，采用 较差单 向差 分测 距 （ Ｄｅ ｌ ｔ ａ — ＤＯＲ） 射 电干 涉测 量技 术 。 ］ ，获得 高 精 度 带 宽综 合 时延
远大 于常规 ＶＬ Ｂ Ｉ 技 术 ，从 而对 理 论 时延 模 型 的依 赖 也 远 高 于 ＶＬ Ｂ Ｉ 时 延 。 因此 ，需 要 专 门研 究 ＤＯＲ理论 时延 模 型的计 算方 法 。 本文 首次 结合本 地 相关技 术 对 Ｄ ＯＲ 理 论 时 延 的 主项 “ 几 何 时 延 ” 开 展 研 究 ，从 计 算 原 理 人 手 ，编写 Ｄ ＯＲ几 何 时延 的计算 程序 ，采取 仿 真与 实测 两种 方式 进 行 正确 性 验证 。文 中研究 成 果 可
多次 观测试 验 ，仍将 Ｄ ＯＲ 单 频 信 号视 为 常规 ＶＬ Ｂ Ｉ 信 标 ，相关 处 理 时 通 过 提 高 快 速 傅 里 叶 变 换 （ Ｆ Ｆ Ｔ） 分辨率 来 提高相 位精 度 。Ｆ Ｆ Ｔ 输 出绝 大 部 分 为 噪声 ，计算 量 大 ，效 率 较 低 。本 地 相关 处理
应用 于未来 深 空探测 搭 载 ＤＯＲ信标 的干涉测 量 。
国 家 自然 科 学 基 金 （ １ １ １ ７ ３ ０ ５ ２ 、１ １ ３ ０ ３ ０ ７ ７ ） 、国 家 ８ ６ ３计 划 （ ２ ０ １ ２ ＡＡ１ ２ １ ６ ０ ３ ） 、探 月 工 程 三 期 预 研 （ ＴＹ ３ Ｑ２ ０ １ １ ０ ０ ２ ７ ） 、上 海 市
中Hale Waihona Puke 国 空 间 科 学 技 术 Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｓｐ ａ ｃ ｅ Ｓｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
２ ０ １ ４年 ２月
第 １ 期
深 空探 测 单 向差 分 测 距 几 何 时延仿 真及 计 算
黄 逸 丹 郑 为民
（ １ 中 国科 学 院上 海 天 文 台 ，上 海 ２ ０ ０ ０ ３ ０ ）
导航 与定 位 重 点 实 验 室 （ １ ３ Ｄ Ｚ ２ ２ ７ ３ ３ ０ Ｏ 、Ｙ２ ２ ４ ３ ５ １ Ｏ ０ ２ ）资 助 项 目
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ４ — ０ ３ 收 修 改 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ８ — １ ９
２ ０ １ ４年 ２月
中 国 空 间 科 学 技 术
２ ＤＯＲ、ＶＬＢ Ｉ 几 何 时 延 模 型 及 相 互 转 换
几何 时延是指纯粹 由于测站 和射 电源 （ 或探测器 ） 位置 的几何 关系而产生 的时间延迟。两个测站 同一 时刻接收到的探测 器在不 同轨道位置发出信号的光行时之差 ］ ，对应 Ｄ Ｏ Ｒ本 地相关技术采用的时延 ，本 文称之为 Ｄ ＯＲ几何 时延 ，原理见 图 １ 。探测器或河外射 电源发 出的同一波前信号到达两个测站 的传播光
马 茂莉
（ ２ 中 国科 学 院射 电 天 文联 合 实 验 室 ，南 京 ２ １ ０ ０ ０ ８ ）
摘 要 本地 相 关处理 方 法对单 向差 分测距 （ ＤＯＲ ） 时延 模 型精 度 的依 赖 远 高 于常规 甚 长
基 线 干 涉测 量 （ ＶＬ Ｂ Ｉ ） 时延模 型 ，时延 模 糊度 消除 的难度 也较 高， 目前 这一 方 法还 未在 中国
别计 算 了 Ｄ ＯＲ 几何 时延和 ＶＬ Ｂ Ｉ 几何 时延 ，并做 了相 应 转 换 。Ｄ ＯＲ 时延 与 ＶＬ Ｂ Ｉ 时延 经
转化后 ，吻合在 几 十皮 秒量 级 。 文章 验 证 了 ＤＯ Ｒ 时延 计 算 方 法 的正 确 性 ，成 果 可 用 于 未
来 月球 、火星 、金 星等 深空探 测 器的 Ｄ ＯＲ射 电干 涉测 量 。 关键词 单向 差分测 距 ；几何 时延 ；本 地相 关 处理 ；甚长基 线干 涉测 量 ；深 空探 测
技 术 利用 Ｄ ＯＲ几 何 模 型 ，构 造 测站 单 频参 考 信号 ，再 与 观 测信 号相 关 ，直 接输 出各 ＤＯＲ信 标 的
相位 信息 ，不 受 Ｆ Ｆ Ｔ 分辨 率 限制 ，比常 规 ＶＬ Ｂ Ｉ 方 法更 适合 ＤＯＲ信号 处理 ］ 。 在 ＤＯＲ本地 相关 技术 中 ，理论 时 延模 型 的 精度 是 ＤＯＲ信 号 相位 提 取 成败 的关 键 。 当时 延理 论 值 不准确 时 ，构造 的单 频信 号频 率与 真实 频率 相差较 远 ，影 响相位 测量精 度 ，消 除模糊 度 的难度