嫦娥衛(wèi)星數(shù)傳副瓣信號的干涉測量研究與精度驗證

任天鵬，謝劍鋒，路偉濤，陳 略，韓松濤

(1. 北京航天飛行控制中心，北京 100094； 2. 航天飛行動力學技術重點實驗室，北京 100094)

1 引言

深空探測器軌道測定主要依靠測距、測速和測角等三種手段，甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)是其中主要的測角手段[1]。通常，VLBI的觀測量是群時延，通過相關相位除以干涉帶寬得出[2]。干涉帶寬即干涉信號在頻譜上分布的最大帶寬。嫦娥一號與嫦娥二號衛(wèi)星使用了間距20 MHz的雙頻點VLBI信標，每個頻點的帶寬為1 MHz；嫦娥二號衛(wèi)星實驗、嫦娥三號衛(wèi)星正式使用了最大間距為38 MHz的差分干涉測量(Differential One-way Range，DOR)信號，可得到隨機誤差為0.1 ns量級的干涉群時延結果[3]。

VLBI時延除了隨機誤差，還要消除大氣、電離層和觀測裝置時延等系統(tǒng)性誤差。為此，需通過交替觀測探測器和鄰近射電源，即ΔVLBI技術[4]。如果探測器干涉測量采用DOR信號，又稱為ΔDOR型VLBI技術。嫦娥二號任務利用VLBI信標和DOR信號，分別開展了ΔVLBI與ΔDOR型VLBI實驗，結果表明[5]：采用DOR信號所獲時延數(shù)據比采用VLBI信標所獲時延數(shù)據的噪聲水平有改善。因此在我國后續(xù)月球探測與火星探測衛(wèi)星中，VLBI將選用DOR信號開展干涉跟蹤。

除了VLBI信標和DOR信號，還有探測器向地面發(fā)送的科學數(shù)據，即數(shù)傳信號，可用來進行VLBI測量。但由于數(shù)傳信號主瓣帶寬有限，而且其發(fā)射時間根據有效載荷而定，不一定能夠滿足VLBI測軌需求，因而未作為VLBI主用信號[6]。

后續(xù)月球探測(包括載人登月)任務中，著陸器落月后有效載荷開啟，探測器將發(fā)射數(shù)傳信號。由于數(shù)傳信號可能影響DOR干涉時延的準確性，因此利用數(shù)傳信號代替DOR側音開展干涉測量研究，對探月衛(wèi)星高精度軌道測定具有重要工程價值。同時，首次火星探測中，DOR信號與數(shù)傳信號將分時工作，因此開展數(shù)傳信號干涉跟蹤可直接提高干涉測軌的弧段覆蓋范圍。為此，本文首次將數(shù)傳副瓣信號(泄露頻譜)作為干涉測量對象，開展數(shù)傳信號干涉測量研究，建立數(shù)傳副瓣信號干涉測量優(yōu)化模型，并利用實測數(shù)據驗證比對了數(shù)傳副瓣信號干涉時延與傳統(tǒng)DOR干涉時延。

2 干涉測量原理與誤差建模

2.1 干涉測量原理

干涉測量源于射電天文領域，具有測角精度高、作用距離遠等優(yōu)點，是近年深空導航領研究域的熱點[1]。干涉測量技術基本原理如圖1所示，兩測站接收相同射電源或航天器信號，根據幾何關系，相同信號到達兩測站的幾何時延如式(1)：

(1)

圖1 干涉測量基本原理Fig.1 Basic principles of interferometry

式中，B表示兩個測站的基線，θ為方向夾角，c為光速。

2.2 數(shù)傳副瓣信號干涉測量優(yōu)化建模

根據文獻[7]，干涉條紋的相位誤差與信噪比成式(2)所示反比關系：

σφ=1/SNR

(2)

由于雙通道干涉時延存在式(3)所示關系，可將雙通道干涉時延誤差表示為式(4)：

(3)

(4)

可見，干涉時延誤差與干涉帶寬成反比、與信噪比成反比。

嫦娥一號、嫦娥二號任務采用了帶寬為20 MHz的VLBI信標(圖2)，嫦娥二號、嫦娥三號任務采用了帶寬為38.4 MHz的DOR側音信號(圖3)。由于VLBI信標和DOR信號輻射強度及干涉帶寬為固定值，因此干涉測量中不存在優(yōu)化建模需求。然而，隨著數(shù)傳副瓣信號(圖4)干涉帶寬的增加(選取距離主瓣較遠的副瓣作為干涉對象)，信號輻射強度隨之下降；單個副瓣信號內，線性增加有效帶寬并不能線性增加信號輻射強度，但是線性增加了處理噪聲。因此，需要對數(shù)傳副瓣信號子瓣有效帶寬、數(shù)傳副瓣信號干涉帶寬等進行優(yōu)化建模。

圖2 VLBI信標信號頻譜Fig.2 Spectrum of VLBI beacon signal

圖3 DOR側音信號頻譜Fig.3 Spectrum of DOR signal

圖4 數(shù)傳信號及其副瓣頻譜Fig.4 Spectrum of data transmission signal and sidelobe signal

2.2.1 數(shù)傳副瓣信號子瓣有效帶寬優(yōu)化

航天器寬帶信號的干涉信噪比可以表示為式(5)[6]：

(5)

其中，B為信號帶寬，eirp表示在帶寬B上分配的有效全向輻射功率(EIRP)，snr表示影響SNR且與信號帶寬B獨立的其他因素。

對于單個數(shù)傳副瓣信號，由于其輻射能量在頻譜上并未平坦分布，呈現(xiàn)為中間高邊緣低，因此需要針對單個數(shù)傳副瓣信號，以干涉信噪比最大為目標，建立數(shù)傳副瓣信號子瓣有效帶寬的優(yōu)化模型如式(6)：

(6)

其中，eirpN(B)表示第N個數(shù)傳副瓣在帶寬B上分配的有效全向輻射功率(EIRP)。以嫦娥三號著陸器數(shù)傳副瓣信號輻射強度作為輸入，數(shù)值優(yōu)化結果顯示，針對其第2、3、4、5個副瓣，有效帶寬均取副瓣帶寬的58%時干涉信噪比最大(圖5)。穩(wěn)妥起見，后續(xù)分析及實測數(shù)據處理中，副瓣有效帶寬均取副瓣帶寬的50%。

圖5 嫦娥三號著陸器數(shù)傳副瓣信號有效帶寬優(yōu)化Fig.5 Optimization of effective bandwidth for data transmission sidelobe signal of Chang′e-3 lander

2.2.2 數(shù)傳副瓣信號干涉帶寬優(yōu)化

為取得較寬的干涉帶寬，需要選取距離主瓣較遠的副瓣作為干涉對象。然而距離主瓣越遠，副瓣輻射強度越弱，信噪比越小。因此需要針對數(shù)傳信號整體，以干涉時延誤差最小為目標，建立數(shù)傳副瓣信號干涉帶寬優(yōu)化模型如式(7)：

(7)

其中eirpN(Δf)表示數(shù)傳信號整體分配給干涉帶寬為Δf的數(shù)傳副瓣的EIRP。以嫦娥三號著陸器數(shù)傳信號輻射強度在不同副瓣的分布作為輸入，數(shù)傳副瓣信號干涉帶寬數(shù)值優(yōu)化結果如圖6所示。可知道，取第4副瓣或第5副瓣的干涉測量誤差相近。穩(wěn)妥起見，后續(xù)實測數(shù)據處理取電平較高的第4副瓣作為干涉對象。

圖6 嫦娥三號著陸器數(shù)傳副瓣信號干涉帶寬優(yōu)化Fig.6 Optimization of interferometric bandwidth for data transmission sidelobe signal of Chang′e-3 lander

3 DOR干涉與數(shù)傳干涉時延驗證比對

利用嫦娥三號(CE03)著陸器下行的DOR信號和數(shù)傳信號開展DOR干涉時延與數(shù)傳干涉時延驗證實驗。CE03著陸器DOR信號包括1個主載波和4個側音，4個側音分別距離主載波±19 MHz、±3.8 MHz；數(shù)傳信號主瓣帶寬及左右對稱的副瓣寬度均取決于碼速率。

不失一般性，DOR信號采用-19 MHz、主載波、+3.8 MHz共3個點頻通道(干涉帶寬約22.8 MHz)；數(shù)傳信號采用左4副瓣、主瓣、右4副瓣3個寬帶通道(干涉帶寬約22.5 MHz)，其中副瓣有效帶寬取50%。干涉帶寬相仿條件下，分別解算DOR干涉時延與數(shù)傳干涉時延，針對隨機誤差、系統(tǒng)性誤差與穩(wěn)定性(波動誤差)進行分析比對。

3.1 隨機誤差分析比對

利用2017年6月8日CE03著陸器跟蹤數(shù)據，完成干涉測量數(shù)據處理。其中3個點頻通道和3個寬帶通道的信號頻譜與干涉條紋分別如圖7、圖8所示。

圖7 CE03著陸器DOR與數(shù)傳信號頻譜Fig.7 Spectrums of DOR and data transmission signals of Chang′e-3 lander

圖8 CE03著陸器DOR與數(shù)傳信號干涉條紋Fig.8 Interferometric fringes of DOR and data transmission signals of Chang′e-3 lander

圖9 DOR信號、數(shù)傳主瓣、數(shù)傳第4副瓣干涉時延Fig.9 Interferometric delays of DOR, data transmission mainlobe and sidelobe signals

可以看出，CE03數(shù)傳信號泄露頻譜左4副瓣和右4副瓣干涉條紋亦比較明顯，說明其能量足夠提取高精度干涉時延結果，可以支撐干涉測量需求。利用實測數(shù)據解算干涉時延結果，如圖9所示。可以知道：

1) DOR信號通道(-19 MHz、主載波、+3.8 MHz)干涉帶寬約22.8 MHz，干涉時延隨機誤差(STD)約為0.17 ns；

2) 數(shù)傳主瓣通道干涉帶寬約2 MHz，干涉時延隨機誤差(STD)約為0.79 ns；

3) 數(shù)傳通道(左4副瓣、主瓣、右4副瓣)干涉帶寬約22.5 MHz，干涉時延隨機誤差(STD)約為0.02 ns。

上述實測結果與理論分析相符：由于干涉帶寬較寬，數(shù)傳干涉時延隨機精度優(yōu)于數(shù)傳主瓣干涉時延隨機精度；由于信噪比較高，數(shù)傳干涉時延隨機精度優(yōu)于DOR干涉時延隨機精度。

3.2 系統(tǒng)性誤差分析比對

由于DOR干涉時延與數(shù)傳干涉時延采用不同的通道進行帶寬綜合，因此其時延值必定存在一定的差異。而經過射電源差分消除通道間時延差異后，理論上DOR干涉時延與數(shù)傳干涉時延將相同。基于該原理，本節(jié)將利用2018年3月31日與4月1日的CE03著陸器干涉跟蹤數(shù)據，分別解算基于射電源差分的DOR干涉時延和數(shù)傳干涉時延，進而評估其系統(tǒng)性誤差。

2018年3月31日的干涉時延、差分干涉時延如圖10、圖11所示，2018年4月1日的干涉時延、差分干涉時延如圖12、圖13所示。藍色是DOR通道干涉時延，紅色是數(shù)傳通道干涉時延。可以看出，利用射電源差分觀測后，DOR干涉時延與數(shù)傳干涉時延基本吻合。

圖11 2018年3月31日嫦娥三號差分干涉時延(較短紅色為數(shù)傳信號，較長藍色為DOR信號)Fig.11 Differential interferometric delays of Chang′e-3 lander on March 31, 2018 (data transmission signal: red and short, DOR: blue and long)

圖12 2018年4月1日嫦娥三號干涉時延(較短紅色為數(shù)傳信號，較長藍色為DOR信號)Fig.12 Interferometric delays of Chang′e-3 lander on April 1, 2018 (data transmission signal: red and short, DOR: blue and long)

圖13 2018年4月1日嫦娥三號差分干涉時延(較的紅色為數(shù)傳信號，較的藍色為DOR信號)Fig.13 Differential interferometric delays of Chang′e-3 lander on April 1, 2018 (data transmission signal: red and short, DOR: blue and long)

3.3 穩(wěn)定性比對

由3.2節(jié)可以知道，射電源差分觀測消除系統(tǒng)性誤差后，DOR干涉時延與數(shù)傳干涉時延基本吻合，然而并不理想。譬如下行數(shù)傳信號階段，DOR干涉時延波動較大；沒有下行數(shù)傳信號階段，DOR干涉時延較為平穩(wěn)。本節(jié)將以干涉相時延為基準，評估DOR干涉時延與數(shù)傳干涉時延的穩(wěn)定性，其原理為：無論群時延還是相時延，均反映了干涉對象的軌道特性，因此群時延與相時延具有一致的趨勢性[8]。由于干涉帶寬寬，干涉相時延具有公認的高精度優(yōu)勢。因此可以以相時延為基準，可以評估DOR干涉時延(群時延)與數(shù)傳干涉時延(群時延)的穩(wěn)定性。

利用2017年6月8日CE03著陸器干涉跟蹤數(shù)據，分別解算DOR信號與數(shù)傳信號的干涉相時延(消除電離層延遲影響)，則DOR干涉相時延與數(shù)傳干涉相時延的趨勢如圖14所示。顯然，DOR干涉相時延與數(shù)傳干涉相時延的趨勢幾乎完全相同，表明了相時延較低的測量噪聲、較高的測量精度等優(yōu)勢。

圖14 數(shù)傳干涉相時延(藍色)和DOR干涉相時延(紅色)Fig.14 Phase delays of data transmission signal (blue) and DOR signal (red)

以干涉相時延為基準，分別符合DOR干涉時延和數(shù)傳干涉時延的變化趨勢，如圖15～16所示。直觀而言，數(shù)傳干涉時延與干涉相時延的符合性優(yōu)于DOR干涉時延與干涉相時延的符合性。群時延與相時延的符合差異不同于隨機誤差與系統(tǒng)性誤差，在此稱之為波動誤差。數(shù)據統(tǒng)計結果表明，數(shù)傳干涉時延波動誤差約0.14 ns(STD)，而DOR干涉時延波動誤差約0.46 ns(STD)，說明數(shù)傳干涉時延的穩(wěn)定性優(yōu)于DOR干涉時延。

圖15 數(shù)傳干涉時延及其干涉相時延(藍色為群時延STD=0.14 ns，紅色為相時延)Fig.15 Interferometric group and phase delays of data transmission signal (group delay: blue with STD=0.14 ns, phase delay: red)

圖16 DOR干涉時延及其干涉相時延(藍色為群時延STD=0.14 ns，紅色為相時延)Fig.16 Interferometric group and phase delays of DOR signal (group delay: blue with STD=0.46 ns, phase delay: red)

4 結論

干涉帶寬相仿條件下，數(shù)傳信號干涉時延隨機誤差約0.02 ns(STD)，優(yōu)于DOR干涉時延0.17 ns(STD)的隨機誤差；利用射電源差分觀測后，DOR干涉時延與數(shù)傳干涉時延基本吻合；以干涉相時延為基準，數(shù)傳干涉時延的波動誤差約為0.14 ns(STD)，DOR干涉時延的波動誤差約為0.46 ns(STD)，說明了數(shù)傳干涉時延的穩(wěn)定性優(yōu)于DOR干涉時延。

因此，在探測器下行數(shù)傳信號的觀測弧段，可以利用數(shù)傳信號代替DOR信號開展干涉跟蹤與測量試驗，以獲取精度更高、穩(wěn)定度更優(yōu)的干涉時延數(shù)據。同時，DOR干涉時延的波動誤差來源有待進一步探究。