周小坤,陳 竹

(裝備指揮技術(shù)學(xué)院,北京101416)

0 引 言

深空探測任務(wù)對航天器導(dǎo)航定位的要求很高,體現(xiàn)在三個方面:一是探測器進行硬著陸或軟著陸時需要高精度導(dǎo)航;二是探測器一般需要多次遙遠距離變軌才能到達目的地,對變軌精度要求很高;三是探測器軌道載入后進入其他星體軌道時需要進行高精度定軌,尤其是對其他星體進行引力測量等科學(xué)探測任務(wù)時,軌道精度直接影響測量精度[1]。目前深空探測器導(dǎo)航定位所采用的方法主要是傳統(tǒng)信標機測距和多譜勒測速,由于深空探測器距離地球遙遠,下行信號十分微弱,因此,這一技術(shù)精度取決于地面站對信號的接收能力,其中包括天線的增益及接收機的噪聲溫度。天線增益可以通過增大天線口徑的方法得以改善,如NASA的深空網(wǎng)(DNS)在70年代已經(jīng)建成70 m口徑的天線,但限于技術(shù)和經(jīng)費因素天線的口徑已經(jīng)很難繼續(xù)擴大;接收機的噪聲溫度限于目前器件性能也很難有階段性的提高。在這一背景下,提出了一種基于甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)的深空導(dǎo)航定位技術(shù) Δ DOR(Delta Differential One-Way Ranging,Δ DOR),其導(dǎo)航定位精度除了與天線增益和接收機性能有關(guān)外,還取決于天線之間的基線長度,而基線長度原則上不受限制,可達數(shù)千公里,因而,可以極大地提高測量精度。目前的測角精度達毫角/米量級,當應(yīng)用于奔月軌道時,定軌誤差只有幾米[2-4]。

國外對Δ DOR深空導(dǎo)航技術(shù)的研究始于20世紀70年代,主要的研究機構(gòu)是美國的NASA、歐洲ESA和日本的JAXA。Δ DOR導(dǎo)航定位本質(zhì)上是VLBI測量技術(shù)的一個應(yīng)用,當時VLBI測量技術(shù)剛剛進入實用階段,NASA噴氣推進實驗室(JPL)就開始考慮如何將這種高精度的測量技術(shù)用于深空探測器的導(dǎo)航定位,經(jīng)過近10年的研究準備,Δ DOR技術(shù)于1978在旅行者1號經(jīng)過木星時得到了實際運用。自此,NASA對ΔDOR深空導(dǎo)航技術(shù)的研究就一直沒有中斷,并且ΔDOR已成為其經(jīng)常性的探測器導(dǎo)航服務(wù)項目。ESA從1986年開始著手研究ΔDOR技術(shù),最初導(dǎo)航任務(wù)由NASA全權(quán)代理,在1992年Ulysses探測器再臨近木星時,測軌精度因為ΔDOR系統(tǒng)的應(yīng)用得到了提高。ESA于2005年8月首次獨立具備了ΔDOR導(dǎo)航定位能力,但目前主要還是通過與NASA和 JAXA開展國際合作完成。日本的JAXA從2003年開始關(guān)注Δ DOR技術(shù),對其首個火星探測器NOIOMI開展了大量 ΔDOR觀測。MOIOMI由太空與太空航行科學(xué)研究所(Institute of Space and Astronautical Science,ISAS)開發(fā),計劃1998年到達火星,但因變軌錯誤而不得不更改飛行方案,分別于2002年、2003年進行了兩次高精度變軌。為了確保變軌成功,ISAS的科學(xué)家于2002年8月正式啟動ΔDOR導(dǎo)航定位系統(tǒng),在測量過程中使用了日本境內(nèi)的9副X頻段VLBI天線以及位于加拿大的46 m直徑的Algonquin天線,測量結(jié)果幫助JAXA修正了飛行參數(shù),順利完成了變軌。

我國首次Δ DOR的測量于2004年7月進行,測量的航天器是2003年12月從西昌發(fā)射的“探測一號”科學(xué)衛(wèi)星,測量的主要目的是為日后要進行的“嫦娥一號”探月衛(wèi)星導(dǎo)航定位提供技術(shù)積累,研究VLBI測量技術(shù)對探月衛(wèi)星定軌的貢獻。當時利用上海佘山、烏魯木齊南山和云南昆明的3個VLBI站,采用上海天文臺自行編制的軟件完成了數(shù)據(jù)VLBI相關(guān)處理,測量結(jié)果顯示平均定軌誤差為2 km,測速精度可達5 cm/s[5-7]。2007年“嫦娥一號”探月衛(wèi)星成功發(fā)射后,ΔDOR技術(shù)對衛(wèi)星月球軌道的高精度定軌正式發(fā)揮作用。

1 基本原理

ΔDOR測量的原理如圖1所示。航天器從深空發(fā)射回一組側(cè)音信號,地球上不同地理位置的觀測站對該側(cè)音信號進行觀測并同步記錄在一定的存儲介質(zhì)中。觀測站間的基線很長,因此,側(cè)音信號到達各站的時間存在延遲,將各站的觀測數(shù)據(jù)通過一定的方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心,通過相關(guān)處理器處理就可以解算出信號到達各站的延遲,從而確定航天器相對于觀測站的角度。但這種未校準測量結(jié)果中存在許多誤差,如電離層延遲、對流層延遲、時鐘偏差、站址偏差及接收機設(shè)備延遲等等。為了消除這些誤差,Δ DOR觀測時引入了射電天文坐標系,該坐標系以宇宙中若干恒定射電源作為基準點,這些射電源的位置由國際天文組織經(jīng)過長期的VLBI觀測得到,角位置精度可達到nrad級。由于射電源信號與航天器信號所經(jīng)過的信道完全一致,因此,可以認為測量射電源信號時由空間環(huán)境及設(shè)備引入的延遲誤差與測量航天器信號時引入的誤差相等,這一誤差項可以通過射電源的時延測量值與標準值求差解算出來,再利用該誤差項對航天器的位置進行修正就能得到高精度的航天器方位角值。實際測量時,射電源和航天器不可能同時得到天線的跟蹤,對射電源信號和航天器信號的接收只能交替進行,如采用射電源─航天器─射電源或航天器─射電源─航天器等方式[8-10]。

圖1 ΔDOR測量原理框圖

航天器發(fā)射的側(cè)音信號是一組S頻段、X頻段或Ka頻段的正弦或方波信號,這些信號可以是單音信號,也可以通過偽隨機碼進行擴頻,目的是更加精確地模仿自然界中的射電信號。射電源信號是帶寬從幾G到幾十G不等的寬帶白噪聲信號,觀測時一般只選用和航天器側(cè)音信號中心頻率對應(yīng)的頻率通道進行觀測,以確保其通過儀器設(shè)備產(chǎn)生的延遲與航天器側(cè)音信號通過儀器設(shè)置時產(chǎn)生的延遲一致。射電源選擇的原則是位于航天器的附近,一般在10°以內(nèi),目前國際天文組織已公布了許多免費的星歷表,如 SDSS、ICRF、LBQS及JPL深空網(wǎng)專用星歷表等,以便尋找與探測器位置最為匹配的射電源。

完整的ΔDOR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號處理流程如圖2所示。來自航天器和射電源的信號經(jīng)拋物面天線接收后送往高頻接收機進行下變頻及增益處理。高頻接收機的輸出信號送入一個稱為基帶轉(zhuǎn)換器(Base Bandwidth Converter,BBC)的部件中,在基帶轉(zhuǎn)換器內(nèi)寬帶射頻信號根據(jù)預(yù)先編制好的觀測計劃在各個頻點進行基帶下變頻,并通過濾波器濾除各頻率通道的帶外信號,數(shù)據(jù)記錄儀對各通道信號進行采集并按一定的格式記錄在磁帶或磁盤中,記錄數(shù)據(jù)實時或事后通過網(wǎng)絡(luò)等方式傳輸?shù)竭h端相關(guān)處理中心,相關(guān)處理中心的相關(guān)處理器對各站的記錄數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理就得到了航天器和射電源信號到達各天線的延遲,從而推算出航天器的方位角。理論上,ΔDOR測量時處理信號的帶寬越寬得到的測量精度越高,但測量帶寬增大意味著數(shù)據(jù)量增大,對數(shù)據(jù)記錄和處理提出了更高的要求。為了解決這一矛盾,Rogers在1970年提出了帶寬綜合理論,即通過處理多個窄帶寬信號來替代處理單個寬帶信號,多個窄帶信號的帶寬和遠遠小于單個寬帶信號。通過這一方式在保證測量精度的基礎(chǔ)上降低了對設(shè)備的要求。目前,這一技術(shù)已經(jīng)成為ΔDOR和VLBI測量的標準化技術(shù)。

圖2 ΔDOR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號處理流程

2 技術(shù)進展及發(fā)展趨勢

根據(jù)圖2介紹的ΔDOR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號處理流程,從以下幾個方面分析Δ DOR測量的技術(shù)進展及發(fā)展方向。

2.1 航天器信標

早期發(fā)射的深空探測器沒有配備專用Δ DOR信標機,要對其進行ΔDOR觀測必須通過下行的遙測信號或測距信號進行,觀測精度受限于遙測信號的帶寬,有一定的局限性。NASA在80年代初進行大量實驗后,認為Δ DOR測量方法對其深空探測任務(wù)有著積極作用,在其后續(xù)的深空探測器中設(shè)計了ΔDOR信標機,用于發(fā)射Δ DOR所需的側(cè)音信號。在ΔDOR信標機設(shè)計時需考慮:定位精度要求越高,使用的帶寬就越寬,頻段也越高。國際時空咨詢委員會(CCSDS)推薦的ΔDOR側(cè)音信號偏離載波信號的頻率,S頻段為4 MHz,X頻段為19 MHz,Ka頻段為76 MHz[11]。頻段提高后可供選擇的射電源更多,航天器信號受空間帶電粒中的干擾會迅速降低,但頻段的提高也導(dǎo)致了系統(tǒng)溫度的升高,需要權(quán)衡考慮。目前NASA的深空探測器一般使用X頻段或Ka頻段進行觀測。

天線接收的射電源信號頻率必須和航天器側(cè)音信號的頻率保持一致,且因深空信號十分微弱,為了達到較高的積累功率,頻率通道一般都選擇較寬(>2 MHz)。又由于航天器的側(cè)音信號是單頻信號,而射電源信號是連續(xù)的寬帶信號,這種差異會給后續(xù)測量帶來不一致性,因此,側(cè)音信號在發(fā)射之前應(yīng)通過偽隨機碼進行擴頻處理,使其成為一個寬帶信號。

2.2 微弱信號接收

無論是探測器還是射電源距離地球都十分遙遠,信號在到達地面站天線時已經(jīng)衰減到十分微弱的程度。以木星為例,木星距地面的距離為6.8×108km,若深測器上的天線為0 dB增益的全向天線,發(fā)射功率為20 W,可以計算采用典型地球同步衛(wèi)星接收天線(口徑為12 m)所能接收到的功率為-217.8 dBW,比現(xiàn)在的地球同步衛(wèi)星信號的-170 dBW弱了40 dBW以上[1]。解決該問題的方法有:一是建造大口徑深空天線,如美國的NASA在70年代建成的覆蓋全球的深空天線網(wǎng),其中最大口徑為位于澳大利亞堪培拉的70 m天線,我國也于2005年在密云建立了50 m口徑天線;二是采用天線組陣技術(shù),通過多部天線構(gòu)建等效口徑更大的大口徑天線。這種方案實際是建造大口徑天線的替代方案,其目標是降低大口徑天線的研制費用和增加等效口徑,但卻增大了系統(tǒng)的復(fù)雜性;三是采用極低噪聲的場放,并采用液氮制冷接收機,盡量降低系統(tǒng)溫度,如NASA的旅行者號探測木星時地面接收系統(tǒng)的等效溫度已經(jīng)達到28.3 K的絕對溫度;四是在航天器上使用高增益的定向天線,這一技術(shù)在“嫦娥一號”衛(wèi)星上已經(jīng)得到了應(yīng)用。

2.3 全數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換

目前,包括 Δ DOR在內(nèi)的所有VLBI測量系統(tǒng)均采用Rogers的寬帶綜合理論構(gòu)建,即以多路窄帶寬信號的處理來替代單路寬帶信號的處理,在測量系統(tǒng)中均使用了基帶轉(zhuǎn)換器(BBC)[12]。一直以來BBC模塊采用模擬方式實現(xiàn),即通過模擬下變頻器將各個窄帶信號下變頻到基帶,再經(jīng)模擬濾波后用很低的采樣率對信號進行采樣處理。采用這種工作方式的主要原因是當時AD采樣器及數(shù)字信號處理器件的性能不夠高。近二十年來AD轉(zhuǎn)換器的采樣率大幅提高,如美國T ELEDYNE的RAD004可以在6 bit的量化位數(shù)下進行4 Gpbs的采樣,為直接對寬帶信號進行采樣處理提供了可能。應(yīng)用數(shù)字濾波的方法對采樣信號進行處理可以方便地選擇帶寬、提高系統(tǒng)的帶通特性以及克服模擬濾波器可能帶來的環(huán)境不穩(wěn)定性,因此,也倍受關(guān)注。傳統(tǒng)的模擬BBC與改造后的數(shù)字BBC的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,可以看出,改造后的BBC結(jié)構(gòu)更簡單、更靈活。

圖3 模擬BBC與數(shù)字BBC

歐洲VLBI測量網(wǎng)(EVN)已于2007年將數(shù)字BBC的研制列入了其2010年VLBI規(guī)劃,其采用1.024 GHz的固定采樣率對10～512 MHz或512～1024 MHz的中頻信號直接進行采樣,通道數(shù)為16路,每個通道的帶寬為500 KMz～16 MHz可調(diào),數(shù)字濾波部分采用高性能FPGA完成[13-14]。我國上海天文臺對數(shù)字BBC也做了研究,并與意大利的IRA(Istituto di Radioastronomia)共同研制了名為miniDBBC的樣機,其采用1 Gbps的采樣率對信號進行采樣,數(shù)字濾波用FPGA實現(xiàn)[15]。此外JPL等組織也對數(shù)字BBC技術(shù)進行了研究,但目前均還未正式用于Δ DOR或VLBI測量。

2.4 全數(shù)字記錄終端

鑒于Δ DOR的數(shù)據(jù)量相當龐大,目前還無法對其進行實時處理,需要將原始數(shù)據(jù)記錄下來,進行事后或有延時的處理。傳統(tǒng)的ΔDOR系統(tǒng)采用磁帶機進行數(shù)據(jù)記錄,隨著數(shù)字存儲技術(shù)的發(fā)展,用硬盤替代磁帶機進行記錄成為發(fā)展趨勢。硬盤記錄較磁帶機記錄有以下優(yōu)點:不需要價格昂貴的磁帶機,減小了用戶開銷;提高了系統(tǒng)可靠性;以標準接口進行數(shù)據(jù)讀寫,通用性更強;可以快速隨機讀寫數(shù)據(jù);方便使用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。美國Haystack天文臺從2002年開始研制基于硬盤的全數(shù)字記錄終端,目前,已經(jīng)有Mark5A和Mark5B兩種型號,其記錄和回放速度最高為2048 Mbps,可以裝入16塊普通的IDE硬盤,系統(tǒng)容量由裝入硬盤的數(shù)量決定。正在研制的Mark5C與Mark5A/B系列不同,通過SS10GigE總線對數(shù)據(jù)進行記錄,數(shù)據(jù)回放采用標準Linux文件進行,數(shù)據(jù)率可達4096 Mbps,其最大的特點是提供了更快的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能[16-17],Mark系統(tǒng)的實物如圖4所示。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸

圖4 Mark系統(tǒng)實物

航天器和射電源信號的記錄數(shù)據(jù)需要送往相關(guān)處理中心進行處理,數(shù)據(jù)量以10 G為單位是相當巨大的。傳統(tǒng)的Δ DOR或VLBI觀測一般采用空運存儲介質(zhì)進行數(shù)據(jù)傳輸。近年來,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展,通過專用或公用的網(wǎng)絡(luò)實時傳輸成為可能,這即是所謂的e-VLBI。e-VLBI有兩種方案:

1)數(shù)據(jù)實時地從各VLBI臺站通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳送至相關(guān)處理器進行實時相關(guān);

2)數(shù)據(jù)首先在臺站進行記錄,事后通過網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)處理中心的硬盤內(nèi)進行事后相關(guān)。

后一種方案對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的要求不是很高,在當前條件下完全可以做到[18-19]。e-VLBI需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是如何通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)可靠、高效地傳輸數(shù)據(jù),包括確定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、解決數(shù)據(jù)打包、重新排序以及數(shù)據(jù)監(jiān)控等問題。日本的KSP計劃在1993年開始建立e-VLBI系統(tǒng),至2001年已實現(xiàn)2.488 Gbps的傳輸速率,可以同時對四臺站共6條基線進行相關(guān)處理。歐洲的 EVN和美國的NRAO最近均提出了用光纖連接構(gòu)成實時VLBI網(wǎng)的計劃。我國的“嫦娥一號”衛(wèi)星在進行ΔDOR測量時也進行了e-VLBI的測試,位于密云的50 m天線接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)轿挥谏虾５南嚓P(guān)處理中心,可以在觀測后10 min內(nèi)得到衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)。2009年,中國科技網(wǎng)絡(luò)中心為國家天文臺烏魯木齊南山站開通一條633 M長途電路,連接上海天文臺佘山站和國家天文臺烏魯木齊南山站,完成國內(nèi)首次速度為256 Mpbs的高速實時e-VLBI實驗。

2.6 相關(guān)處理

相關(guān)處理器的主要技術(shù)指標是通道數(shù)量及處理速度,經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)從最初的模擬處理器過渡到全數(shù)字處理器,比較典型的有Haystack天文臺的MarkⅤ系統(tǒng),日本K5系統(tǒng)及加拿大的S2系統(tǒng)[20]。這些系統(tǒng)或采用專用的ASIC集成電路或采用FPGA搭建,它們均可以同時處理十幅以上天線的記錄數(shù)據(jù)。近年來,隨著通用計算機性能不斷提高和價格大幅下降,純軟件相關(guān)處理器的方案倍受關(guān)注。軟件相關(guān)處理器實際上是運行在高性能計算機上的應(yīng)用程序,與硬件處理器相比,其開發(fā)周期短、擴展能力強、處理能力不受通道數(shù)等因素限制、靈活性很強。但就目前的技術(shù)水平來看,實時性還與硬件相關(guān)處理器有一定差距。

2.7 總線標準

ΔDOR的測量精度受限于天線間的基線長度,基線長度可能超出一國領(lǐng)土,需采用國際合作的方式進行,但不同機構(gòu)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)接口卻互不兼容,這給數(shù)據(jù)間的共享帶來了很大障礙。因此,需要建立一個標準的接口規(guī)范,即VLBI標準接口(VLBI Standard Interface Specification ,VSI),它能使記錄在不同的VLBI數(shù)據(jù)系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)都能由不同的相關(guān)處理器進行處理,以達到觀測數(shù)據(jù)的最大程度共享。VSI由硬件接口標準(VSI-H)和軟件接口標準(VSI-S)構(gòu)成,初稿分別于2002年12月和2003年2月制定,包括了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(Data T ransmission System,DTS)和相應(yīng)的接口信號,一端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Data Acquisition System,DAS)相聯(lián)接,另一端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(Data Processing System,DPS)相連。目前,VSI標準已經(jīng)成為新研制的ΔDOR和VLBI設(shè)備的標準化接口[21-22]。

2.8 空間VLBI

空間VLBI將觀測天線安置在衛(wèi)星上,與地面VLBI系統(tǒng)相比,大大增加了觀測站間的基線長度,為Δ DOR導(dǎo)航定位精度的提高提供可能[23]。其ΔDOR測量可以由多個VLBI衛(wèi)星進行,也可以是VLBI衛(wèi)星與地面觀測站聯(lián)合進行,目前實施的主要是后者。對于空間VLBI系統(tǒng),除了需要VLBI天線外,還需要專門的VLBI衛(wèi)星跟蹤站。VLBI衛(wèi)星跟蹤站的作用是把由氫原子鐘控制的定時參考信號發(fā)送給衛(wèi)星,而衛(wèi)星把天文信號和時間信息一起傳送回來。跟蹤站將衛(wèi)星發(fā)回的數(shù)據(jù)記錄在磁盤上,后續(xù)的數(shù)據(jù)處理原理與地面VLBI一樣。世界上第一個實現(xiàn)空間VLBI的是日本的VSOP(VLBI Space Observatory Program)計劃。該計劃于1989年開始實施,衛(wèi)星的橢圓軌道與赤道面成31°傾角,近地點和遠地點分別為560 km和21400 km,繞轉(zhuǎn)周期為6.3 h。VSOP攜帶的天線是一個通過可伸展桅桿在升空后向外撐開而成的邊長5 m的正六邊形,等效于直徑8 m的拋物面天線。該天線幾乎與所有地面VLBI天線進行過聯(lián)合觀測,分辨率是地球上VLBI陣在相同波長觀測的三倍以上。最新的空間VLBI系統(tǒng)還有俄羅斯的RadioAstron和NASA的ARISE計劃,目前都還尚未升空。空間VLBI與地面VLBI相比面臨許多新的挑戰(zhàn),如星地高速數(shù)據(jù)鏈路的建立,大口徑天線的攜帶與展開等仍需進行大量的研究。目前的空間VLBI系統(tǒng)還主要用于天文觀測和對地測量,但可以預(yù)見隨著深空導(dǎo)航定位精度要求的不斷提高,空間ΔDOR系統(tǒng)將必然對深空探測器的導(dǎo)航與定位起到積極的作用。

3 展 望

2007年10月,“嫦娥一號”衛(wèi)星的成功發(fā)射標志著我國邁出了深空探測的第一步。在“嫦娥一號”任務(wù)中,Δ DOR技術(shù)已經(jīng)為探測器的導(dǎo)航定位提供了支持,并為我國ΔDOR技術(shù)的進一步研究積累了大量的經(jīng)驗。2008年10月,我國65 m口徑射電望遠鏡項目也已正式啟動,并預(yù)計于2015年全部建成,這將極大地提高我國遙遠距離的測控能力,為即將進行的月球及火星探測創(chuàng)造良好條件,可以預(yù)見ΔDOR技術(shù)必將成為我國深空探測器導(dǎo)航定位的重要手段。

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