文档介绍：第 31 卷第 1 期天文学进展 Vol. 31, No. 1
2013 年 1 月 PROGRESS IN ASTRONOMY Jan., 2013
doi: .1000-
VLBI 测测测控控控信信信号号号群群群时时时延延延及及及相相相时时时延延延解解解算算算
方方方法法法研研研究究究
郑鑫,陈冠磊,陈明,刘庆会,吴亚军,
戴志强,史弦,赵融冰,陈少伍
( 中国科学院上海天文台,上海 200030 )
摘要:由于探测器天线没有对准地球,遥测信号时有时无或卫星飞离地球更远,导致地面接收到
的测控信号带宽变窄,使 VLBI 群时延测量误差增大,野值点增多。针对这些情况比较了剔除野
值点加权幅度的直线拟合、剔除野值点加权幅度平方的直线拟合、剔除野值点加权幅度 3 次方的
直线拟合和剔除野值点加权幅度 4 次方的直线拟合在求解测控信号群时延时的优劣,得出剔除野
值点加权幅度平方的直线拟合 3 基线群时延闭合效果最好和可决系数平均值较大的结论,并作为
测控信号群时延拟合方法。为了进一步减小 VLBI 时延测量误差,还研究了将含有整周模糊度的
相时延在整个观测期间内进行连接,并整体移至群时延中间位置的处理方法,从而得到了含微小
偏移量的相时延数据。含微小偏移量的相时延随机误差与群时延相比大幅降低,系统误差相对来
说更易在定轨处理中解算。这为嫦娥二号奔向远方等信号变弱情况下的时延测量精度的提高提供
了一种新方法。
关键词:深空探测;VLBI;测控信号;群时延;相时延
中中中图图图分分分类类类号号号:::P164 文文文献献献标标标识识识码码码:::A
1 引言
深空探测器的定位定轨主要有测速测距和测角 3 种手段[1]。其中 2 程测速测距在视线
方向对距离和速度的变化具有很高灵敏度,而对视线垂直方向灵敏度较差。VLBI(very long
baseline interferometry) 技术则是深空探测中主要的测角手段,其在与视线垂直方向上有很
高的灵敏度,所以 VLBI 技术和测速测距在测定轨测定位中形成优势互补。迄今为止,VLBI
的观测量一般是群时延而不是相位时延[2−4],群时延是根据观测带宽内的相位-频率变化关系
得到,而相时延是根据观测频率的总相位计算得到。在深空探测器中,探测器发射电磁波如
收稿日期: 2012-04-03 ; 修回日期: 2012-09-10
资助项目: 中国科学院百人计划;国家自然科学基金(11073048);上海市浦江人才计划(10PJ1411700);863 计划
(2012AA121203)
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测控信号的带宽一般为数 MHz 甚至更小,解算的群时延误差一般为数纳秒。如何利用较窄
频带的测控信号或数传信号提取较高精度的 VLBI 时延数据是个值得研究的问题。
探月工程中,嫦娥一号(CE-1) 和嫦娥二号(CE-2)[5]探月卫星都发射了带宽约 1 MHz 的
两个 S 波段测控信号,在实时 VLBI 测定轨中,VLBI 测轨分系统利用这两个测控信号得到
了 VLBI 时延和时延率数据。但是由于卫星慢旋、变轨时卫星天线未对准地球、遥测信号时
有时无或卫星飞离地球越来越远等原因,地面测站接收到的测控信号有时带宽会变窄及信噪
比下降,进而导致解算出的时延误差增大。针对这种情况,本文研究了剔除野值点加权幅度
的直线拟合(方法一)、剔除野值点加权幅度平方的直线拟合(方法二)、剔除野值点加权幅度
3 次方的直线拟合(方法三) 和剔除野值点加权幅度的 4 次方直线拟合(方法四)4 种方法来
解算 VLBI 群时延,并根据群时延拟合可决系数平均值和 3 基线时延闭合结果分析了不同方
法的优劣。另外,为了进一步减小时延测量误差,本文还解算出含整周模糊度的相时延,并
利用多项式拟合将几个观测时间段的相时延数据连接且整体平移至群时延中间位置的方法,
成功得到了含微小偏移量的相时延数据。含微小偏移量的相时延随机误差比群时延随机误差
小两个量级,含有的微小偏移量相对也容易在后续的定轨定位中解算出。
2 嫦娥一号和二号卫星的测控信号
嫦娥一号和二号卫星发射了带宽约 1 MHz,中心频率为 MHz 和 MHz 的
两个 S 波段测控信号。这两个信号发射天线位于探测器的两端,地面测站基本上只能接收到
其中一个信号。以上海佘山、北京密云、昆明凤凰山和乌鲁木齐南山测站及上海 VLBI 数据
处理中心组成的 VLBI 测轨分系统对嫦娥一号和二号卫星进行了全程观测。图 1 为接收信