深空探测VLBI技术综述及我国的现状和发展

由于一条基线可以确定探测器在空间的一维位
置, 在观测过程中, 只要能构成 3 条独立基线, 得到 3 组 HSP 的值, 就可以通过方程组( 4) 解算出探测器
的方向余弦, 从而确定探测器的位置。上述提及的
3 条独立基线中独立的含义是指这三条基线不相互 平行且不在同一个平面内。
y
y
y
cos HSP1 = B1 # P SP / | B1 |
进行了分析和研究, 最后介绍了我国深空探测用 VLBI 技术现状及发展。
关键词: 深空探测; 甚长基线干涉测量; Delta- 差分单程测距
中图分类号: V556. 3
文献标识码: A
文章编号: 1000- 1328( 2010) 08- 1893- 07
DOI: 10. 3873Pj. issn. 1000- 1328. 2010. 08. 000
收稿日期: 2010-03-19; 修回日期: 2010-06-21
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宇航学报
第 31 卷
会的方法对深空探测器进行定位解算却不再可行, 因为三点之间的距离相对于深空探测器到地球的距 离过小, 同样由于深空探测器距离地球遥远, 原航天 测控网常用的单脉冲测角方法误差太大, 无法继续 使用[ 2] 。由于上述原因, 单纯使用传统的 USB 系统 测得的多普勒测速数据和伪码测距数据进行深空探 测器定轨, 其定轨精度大大降低, 无法满足深空探测 需要。为了满足深空探测定轨定位精度的需求, 以 美国为代表的航天技术大国采用了 VLBI 技术来精 确测量探测器角度。VLBI 全称是甚长基线 干涉测 量法, 它是一种无线电干涉技术, 它通过对多个射电 望远镜的观测数据进行相关运算, 将这些望远镜合 成为 等 效直 径 为最 长 基线 长度 的 综 合孔 径 望 远 镜[ 3] 。由于 VLBI 采用高稳定度原子钟作为独立本 振系统, 其基线长度原 则上不受限制, 可达数 千公 里, 因而 VLBI 技术能获得极高的角分辨率, 是目前 角分辨率最高的天文观测技术[4] 。正是因为其具备 高精度的测角能力, VLBI 在天文学和天体测量学中 得到广泛的使用。自 20 世纪 70 年代被应用于航天 器的精密定轨以来, VLBI 在深空探测领域发挥了重 要的作用[ 5- 9] 。在定轨过程中增加 VLBI 测角数据, 深空探测器的定位精度比原来仅使用多普勒测速和 测距数据进行定位的精度至少提高 5 倍[ 1] 。
第 31 卷第 8 期 2010 年 8 月
宇航学报
Journal of Astronautics
Vol. 31 No. 8 August 2010
深空探测 VLBI 技术综述及我国的现状和发展
朱新颖1, 2 , 李春来1, 张洪波1
( 1. 中国科学院国家天文台, 北京 100012; 2. 中国科学院研究生院, 北京 100080)
SRSO = SRS + SRSerror
SSPO = SSP + SSPerror
S = RSerror SRSO - SRS ]
SSP = SSPO - SSPerror
^ S U S SPerror
RSerror
_ SSP = SSPO + SRS - SRSO 经过多年的天文观测, 以河外射电源为参考点
1 VLBI 技术用于深空探测的基本原理
VLBI 技术是目前角分辨率最高的天文 观测技 术, 当基线长度达到上万公里的量级, 其测角精度能 够达到 20- 30 nrad。利用 VLBI 技术可以直接测量 得到探测器的角度数据, 对探测器横向位置和速度 有较好约束; 传统的多普勒测速和伪码测距方法可 以直接测得探测器的径向距离及速度, 对探测器视 向位置和速度具有较好的约束, 利用这两种数据进 行联合定轨, 能够有效的提高定轨精度, 从而满足深 空探测 需 求。VLBI 技术 用 于测 量深 空 探测 器 角 度[ 10] 的基本原理见图 1。首先选择探测器附近空间 区域内的河外射电源进行观测, 通过对观测数据进 行相关处理, 可以得到河外射电源发射的射电信号 到达地面两个天线的时间差, 这个时间差被称为河 外射电源观测时延, 用 SRSO ( Extragalactic Radio Source Observable Delay) 表示, 河外射电源观测时延中含有
很多误差项[1, 11] , 河外 射电源观测时延和几何时延
( SRS ) 的关系如( 1) 式所示:
SRSO = SRS + SRSerror
( 1)
同理可以得到探测器观测时延 SSPO ( Space Probe
Observable delay) 和探测器几何时延 ( SSP) 的关系如 ( 2) 式:
测量精度要求高。以火星探测为例, 火星与地球之 间的距离大约为 0. 546~ 4. 01 亿公里之间, 火星探 测器的信号路径衰减比地球同步轨道卫星高 63~ 80 dB, 单程信号传输时延 3. 03~ 22. 3 分钟, 探测器 轨道测 量精 度 在转 移轨 道 期间 要 求优 于 50 nrad ( 1D) , 着陆段轨道精度优于 10 nrad ( 1D) [。1] 传统的 统一 S 波段航天测控网( Unified S-band System, 简称 USB) 用来进行深空探测时, 其中伪码测距和多普勒 测速的方法可以继续使用, 但利用地球上三个不同 的测控站分别测量深空探测器的距离, 利用三点交
Key words: Deep space exploration; VLBI; DDOR
0引言
近年随着航天技术的迅猛发展, 越来越多的国 家注意到深空资源的重要性, 仅在 2005- 2008 这几 年中, 美国、欧盟、中国、日本、印度等国家发射了十 余个深空探测器, 用来探测月球、火星、水星等天体。 深空探测特指对月球、火星等太阳系行星及行星际 的探测, 与传统的近地空间探测相比, 深空探测的探 测距离要远得多。正是由于超远探测距离, 深空探 测具有如下的特点: 信号路径衰减大、时间延时长、
建立起来的国际天球参考架( ICRF) 的精度已经高于 0. 05d[ 12- 14] 。由于河外射电源的位置已知, SRS 可以
通过计算获得, 这样其观测时延的误差项可以通过
S = RSerror SRSO - SRS 求得。由于探测器和河外射电源 的角位置非常靠近, 由电离层、对流层等传输介质引
则至少需要 3 个以上台站( 不含 3 个) 参加观测) 最 少 4 台站才能构成 3 条独立基线向量) 。在实际执
行 VLBI 观测任务时, 希望能有尽可能多的台站参加 观测, 一方面这样能够增加观测基线的数目, 从而得
到更多的观测结果, 增加对观测目标的约束, 提高观
测精度; 另一方面更多的台站参加观测可以相互冗 余备份, 当其中一个台站出现问题时, 不影响整个观
摘 要: 甚长基线干涉测量( VLBI) 技 术是近年来深空探测 研究领域 中的研究 热点之 一。VLBI 技术 具有测 量
精度高, 作用距离远等优点, 这些优点使其在当前及未 来的深 空探测项 目中具 有广泛 的应用 前景。通过 对数十 篇
相关 文献的调研, 重点阐述了深空探测 VLBI 技术的基本 原理、研究现 状, 并对该 技术的 关键技术 及未来 发展趋 势
( 1. National Ast ronomi cal Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beij ing 100012, China; 2. Graduate College of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)
起的时延误差、时钟同步误差、测量设备群时延误差
可以被有效地扣除。
从图 1 中的几何关系可以得到如( 3) 表达式:
cos HSP = SSP @ Clight / B
( 3)
其中
第 8期
朱新颖等: 深空探测 VLBI 技术综述及我国的现状和发展
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B 表示基线长度
SRS 表示探测器几何时延
HSP 表示探测器方向与基线夹角
SSPO = SSP + SSPerror
( 2)
图 1 深空导航用 VLBI 技术基本原理图 Fig. 1 Basic principle of VLBI technique for deep
space navigation
如何从探测器的观测时延 SSPO 中剔除各种系统 误差项 S , SPerror 得到高精度的探测器几何时延 SSP 是 问题的关键, 其运算过程如下:
测任务的完成。
2 研究现状
VLBI 技术被用于深空导航最早可以追溯到上个 世纪 70 年代后期, 美国航空航天局( NASA) 利用 VLBI 技术测量火星探测器 Viking 1 和金星探测器 Pioneer 12 的相位时延[ 1, 15] 。近 30 年来, 随着科学技术的不断发 展, VLBI 技术也得到了不断地发展与进步。根据获取 探测器观测时延的不同方法, 深空探测用的 VLBI 技术
y
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cos HSP2 = B2 # P SP / | B2 |
( 4)
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y
cos HSP3 = B3 # P SP / | B3 |
其中
HSP1 , HSP2 , HSP3 对应基线与探测器方向余弦夹角
y yy
B1 , B2 , B3 对应 3 条独立基线向量
y
PSP 为探测器方向余弦向量 为了能够成功解算探测器位置, 需要至少 3 个
以上台站参加 VLBI 观测, 因为当仅有 3 台站参加观 测时, 由于仅存在 2 个独立观测量( 3 台站只能构成
2 条独立基线向量) , 若由此确定探测器的三维方向
余弦, 需要同时采用测距观测数据, 这样测距观测数 据的误差将会影响方向余弦的测定精度。如果需要
完全且防立由 VLBI 观测量确定探测器的方向余弦,
Abstract: Very Long Baseline Interferometry( VLBI) technique is currently one of hot spot research topics in the domain of Deep Space Exploration. A main advantage of the VLBI technique is that it can track space probe in great far distance with tremendously high angular resolution. Taking this advantage, VLBI technique will be widely used in the future deep space Exploration missions. According to the investigation of a bibliography of several dozens papers, this paper presents a comprehensive review of the recent development and the basic principle of the VLBI technique for deep space Exploration, some analysis and discussion on research challenges and future directions in this field are also provided. And finally current situation and development trend of VLBI technique are briefly introduced.
A Survey of VLBI Technique for Deep Space Exploration and Trend in China Current Situation and Development
ZHU Xin-ying1,2 , LI Chun- lai1 , ZHANG Hong-bo1