李金嶺 張津維 劉鸝 郭麗 錢(qián)志瀚

（中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030）

1 引言

傳統(tǒng)的飛行器跟蹤定位基于雷達(dá)測(cè)距和多普勒測(cè)速技術(shù)。這兩種無(wú)線電技術(shù)可直接測(cè)量飛行器相對(duì)于觀測(cè)站在視線方向的距離和速度，但對(duì)垂直于視線方向的飛行器位置和速度不敏感。隨著飛行器距離的增加，測(cè)量的信噪比逐漸降低、測(cè)量誤差逐漸增大，參數(shù)的相關(guān)性也逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致定軌定位精度會(huì)越來(lái)越差。對(duì)那些飛向目標(biāo)大行星的探測(cè)器“打靶”軌道測(cè)控而言，單純依靠測(cè)距測(cè)速類(lèi)觀測(cè)，因?yàn)槊闇?zhǔn)距很大而增加了工程的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)距離測(cè)量和多普勒測(cè)速的固有局限性，促成了甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)［1］被引入深空跟蹤觀測(cè)之中。

VLBI技術(shù)應(yīng)用于航天器跟蹤可追溯到20 世紀(jì)70年代中后期，如海盜號(hào)（Viking）火星探測(cè)器和先驅(qū)者號(hào)（Pioneer）金星探測(cè)器跟蹤［2］。70年代后期 將 雙 差 單 程 測(cè) 距（Delta Differential One-way Ranging，△DOR），亦稱(chēng)寬帶差分VLBI技術(shù)，用于旅行者-1、2（Voyager-1、2）探測(cè)器巡航階段的跟蹤測(cè)量［3］，相對(duì)于河外射電源的角距測(cè)量精度達(dá)到100nrad，90年代測(cè)量精度提高至30nrad，并用于支持多個(gè)行星際探測(cè)器跟蹤，如對(duì)麥哲倫（Magellan）金星軌道器的跟蹤，將太陽(yáng)系行星歷表與天球參考架的連接精度提高至5nrad水平。1998年“火星氣候軌道器”（MCO）的失敗，表明了寬帶差分VLBI技術(shù)對(duì)于深空探測(cè)器跟蹤測(cè)量的重要意義，由于未使用VLBI技術(shù)，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)切平面誤差增大的致命缺陷，最終導(dǎo)致悲劇性結(jié)局。此事件直接促成了△DOR 成為一種測(cè)距測(cè)速之外的行星際探測(cè)器常規(guī)跟蹤技術(shù)，并成功支持了2001年的奧德賽（Odyssey）火星探測(cè)任務(wù)。至“火星探測(cè)巡視器”（MER）、“火星勘測(cè)軌道器”（MRO）等任務(wù)，精度進(jìn)一步提高至2nrad水平。

VLBI技術(shù)通過(guò)（準(zhǔn)）同時(shí)跟蹤一個(gè)以上目標(biāo)，經(jīng)互相關(guān)處理獲得時(shí)延、時(shí)延率，經(jīng)兩目標(biāo)之間觀測(cè)量的差分去除共同誤差因素影響，進(jìn)而用于精確測(cè)定目標(biāo)之間的角距或相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與視線方向的測(cè)距測(cè)速技術(shù)形成良好互補(bǔ)。相比于測(cè)距測(cè)速技術(shù)，VLBI技術(shù)具有顯著特點(diǎn)：①只觀測(cè)下行信號(hào)，無(wú)需關(guān)注上行信號(hào)，也不需要對(duì)信號(hào)往返過(guò)程中測(cè)站的時(shí)間模型和頻率漂移等進(jìn)行校準(zhǔn)；②只需數(shù)分鐘便可得到足夠信噪比的觀測(cè)量，相比于雙程測(cè)距測(cè)速技術(shù)，對(duì)于行星距離目標(biāo)大大縮短了觀測(cè)周期；③利用兩條近似正交的基線同步觀測(cè)，由數(shù)分鐘的時(shí)延、時(shí)延率資料即可解算得到飛行器在天球上的兩維投影位置和速度分量；④通過(guò)飛行器與河外射電源的VLBI測(cè)量，能夠相對(duì)于河外參考架改進(jìn)歷表的精度，縮短巡航階段跟蹤測(cè)量弧段的長(zhǎng)度、提高導(dǎo)航的精度、捕獲入軌精度以及規(guī)避撞擊和逃逸等的風(fēng)險(xiǎn)；⑤VLBI技術(shù)的幾何測(cè)量性質(zhì)不受動(dòng)力學(xué)模型缺陷的影響［4］，對(duì)于巡航中的軌道修正、捕獲入軌等關(guān)鍵弧段測(cè)量，以及大氣層中的飛行、軟或硬著陸、表面行走等非動(dòng)力學(xué)段的軌跡測(cè)定，是不可或缺的，并直接關(guān)系到任務(wù)的成敗。由于VLBI技術(shù)的上述特點(diǎn)，使得其在深空跟蹤領(lǐng)域得到普遍重視。目前多數(shù)行星際探測(cè)器的無(wú)線電跟蹤觀測(cè)，均綜合利用測(cè)距測(cè)速和VLBI技術(shù)，以精確測(cè)定飛行器在空間的三維位置與速度。

本文討論河外射電源與空間飛行器VLBI觀測(cè)與資料解析的主要區(qū)別，介紹差分VLBI技術(shù)原理，分析應(yīng)用于深空探測(cè)的多種（差分）VLBI技術(shù)表現(xiàn)形式，可作為VLBI技術(shù)在我國(guó)深空探測(cè)應(yīng)用中技術(shù)設(shè)計(jì)與資料解析的參考。

2 河外射電源和空間飛行器VLBI跟蹤與資料解析的差異

由于距離遙遠(yuǎn)，河外射電源的信號(hào)波前可視為平面波，因而在測(cè)量模型上表現(xiàn)為形式簡(jiǎn)單和精度高，僅涉及被測(cè)目標(biāo)的方向，不涉及距離。對(duì)于近距天體，尤其是太陽(yáng)系中的探測(cè)器，VLBI測(cè)量模型必須包括測(cè)量目標(biāo)的三維坐標(biāo)，即考慮信號(hào)的球面波前，否則將難以保證模型的精度。

河外射電源具有寬廣的信號(hào)輻射頻帶，常規(guī)天體測(cè)量與大地測(cè)量觀測(cè)中，一般選取平譜或者輻射強(qiáng)度隨頻率單調(diào)變化的目標(biāo)，采用多通道、寬頻帶觀測(cè)模式，消除模糊度、提高觀測(cè)量的測(cè)量精度，并采用S／X等雙頻段觀測(cè)以消除電離層的影響。對(duì)于空間飛行器，由于受到能量供給、載荷空間和重量等技術(shù)限制以及國(guó)際電聯(lián)（ITU）無(wú)線電頻率資源分配限制，很難保證類(lèi)似于河外射電源形式的多通道、寬頻帶、多頻率的觀測(cè)模式，往往只有窄帶甚至單一點(diǎn)頻信號(hào)。信號(hào)特征上的區(qū)別，也導(dǎo)致了河外射電源與空間飛行器VLBI跟蹤與資料解析模式上的差異。

在跟蹤資料誤差修正方面，根據(jù)測(cè)量目的，通過(guò)觀測(cè)一組時(shí)間（24h）和空間（全方位）廣泛分布的河外射電源，能夠在保證源和站的坐標(biāo)以及地球定向參數(shù)（EOP）等主要測(cè)量參數(shù)解算精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)誤差的直接模制和參數(shù)化解算。與此相對(duì)應(yīng)，空間飛行器的VLBI跟蹤資料解析中，往往僅涉及單一觀測(cè)目標(biāo)，跟蹤時(shí)間一般為數(shù)小時(shí)，觀測(cè)資料的空間分布局限于目標(biāo)運(yùn)行軌跡，因而可解算的參數(shù)有限，通常將站坐標(biāo)和EOP 等參數(shù)作為準(zhǔn)確已知，而且須借助于其它手段修正各項(xiàng)誤差，比如利用GPS觀測(cè)修正傳輸介質(zhì)誤差，利用坐標(biāo)精確已知的河外射電源的觀測(cè)修正鐘差、儀器差等。

在資料處理的時(shí)間延遲方面，常規(guī)天體測(cè)量與大地測(cè)量VLBI資料解算，目前最快的模式是EOP加密觀測(cè)，要求從觀測(cè)開(kāi)始一周內(nèi)給出解算結(jié)果。其它的解算模式還有季度解、每年一次的綜合解以及不定期的針對(duì)某特定科研項(xiàng)目而開(kāi)展的倡議解等。在空間飛行器的VLBI跟蹤資料解析方面，主要的工程性需求是快速和實(shí)時(shí)性，要求在調(diào)相、巡航、捕獲等變軌前、中、后各階段能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別軌道。與常規(guī)解算方式相比，在資料處理的方式方法上對(duì)實(shí)用軟件系統(tǒng)提出了更高要求和新的挑戰(zhàn)。

可見(jiàn)，在河外射電源與空間飛行器的VLBI跟蹤與資料解析中，從信號(hào)波前形式、頻譜特征，到誤差修正方式、解算參數(shù)類(lèi)型和軟件實(shí)時(shí)性需求等方面均存在重要差別。尤其是對(duì)于觀測(cè)量的誤差修正，河外射電源一般采用參數(shù)化處理并直接求解，空間飛行器往往采用與鄰近河外射電源觀測(cè)的差分，這也是將深空探測(cè)中的VLBI技術(shù)通常稱(chēng)作“差分”VLBI的原因所在。

3 差分VLBI技術(shù)原理

一般將VLBI觀測(cè)時(shí)延定性描述為

式中：τg為幾何時(shí)延，由觀測(cè)目標(biāo)和測(cè)站坐標(biāo)以及地球定向參數(shù)計(jì)算得到，是觀測(cè)量的主要部分；Δτg是由于各參數(shù)采用值的偏差所致的偏差；τerr為非幾何時(shí)延，是觀測(cè)量中各種系統(tǒng)差和隨機(jī)差的總和，包括電離層時(shí)延、中性大氣時(shí)延、鐘差、儀器時(shí)延、觀測(cè)噪聲等。在常規(guī)天體測(cè)量與大地測(cè)量觀測(cè)中，VLBI網(wǎng)持續(xù)觀測(cè)在空間廣泛分布的一組河外射電源，可以同時(shí)解算出測(cè)站坐標(biāo)、源坐標(biāo)、EOP 等，以及各種非幾何時(shí)延的模型化參數(shù)。對(duì)于其它觀測(cè)，則假設(shè)測(cè)站坐標(biāo)、源坐標(biāo)和EOP 等均精確已知，即Δτg＝0，τ＝τg＋τerr。

所謂差分VLBI，即利用VLBI技術(shù)交替觀測(cè)兩個(gè)方向很接近的目標(biāo)天體，其中之一的位置精確已知，作為參考天體，用于觀測(cè)量校準(zhǔn)；另一個(gè)作為待測(cè)天體。一般在對(duì)空間飛行器（SC）進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，將它附近的一個(gè)強(qiáng)致密射電源（ERS）作為觀測(cè)量校準(zhǔn)源進(jìn)行準(zhǔn)同時(shí)觀測(cè)，用τSC和τERS分別表示兩者的觀測(cè)時(shí)延，即

由于SC和ERS是準(zhǔn)同時(shí)觀測(cè)，兩者的非幾何時(shí)延中有一些成分幾乎是相同的，如鐘差、儀器時(shí)延等。另一些有關(guān)于天體空間方向的成分，如電離層時(shí)延和中性大氣時(shí)延等，在SC和ERS的方向很接近時(shí)也可以近似認(rèn)為是相同的，于是。由（2）式可得

可由已知參數(shù)和理論模型計(jì)算得到［1］。利用4個(gè)以上測(cè)站同時(shí)觀測(cè)，便可由（3）式得到3個(gè)獨(dú)立的SC空間坐標(biāo)分量。利用時(shí)延率進(jìn)行差分VLBI測(cè)量的原理與此類(lèi)似，以獲得SC速度。

差分VLBI方法一方面可以累積目標(biāo)源的觀測(cè)流量，對(duì)弱河外射電源進(jìn)行觀測(cè)研究，如相位參考技術(shù)；另一方面可以從觀測(cè)量中扣除對(duì)兩目標(biāo)有共同影響的誤差，精確測(cè)定二者的相對(duì)位置或角距。在差分VLBI觀測(cè)時(shí)，由于兩目標(biāo)方向很近（一般要求單頻觀測(cè)角距≤1°，雙頻觀測(cè)角距≤5°），并且相鄰觀測(cè)間隔很短，一般只有幾分鐘，在差分觀測(cè)量中很大程度上消除了大氣傳輸誤差、鐘差及儀器時(shí)延等的影響，因而相對(duì)定位精度很高，并已在深空探測(cè)中獲得重要應(yīng)用，但在具體應(yīng)用的表現(xiàn)形式上具有多樣性。

4 深空探測(cè)中的差分VLBI技術(shù)

在深空探測(cè)的導(dǎo)航應(yīng)用中，根據(jù)目標(biāo)發(fā)射信號(hào)的頻譜形式和地面接收機(jī)帶寬，差分VLBI技術(shù)按其測(cè)量元素可分為寬帶差分VLBI技術(shù)和窄帶差分VLBI技術(shù)（△DOD）兩類(lèi)［5］。

4．1 寬帶差分VLBI方法

VLBI觀測(cè)系統(tǒng)可以在很寬的頻帶范圍內(nèi)記錄自然源的信號(hào)，經(jīng)相關(guān)處理后用同一頻段所有通道的條紋相位和條紋率觀測(cè)量解析出群時(shí)延τ。設(shè)在S頻段觀測(cè)某ERS，相應(yīng)于高頻段（ωA）和低頻段（ωB）的條紋相位分別為φA、φB，則時(shí)延τERS為

與河外射電源發(fā)出的噪聲信號(hào)不同，人造航天器發(fā)出的射電信號(hào)通常是規(guī)則的正弦波或脈沖信號(hào)。假定SC 信號(hào)由t0時(shí)刻發(fā)出，t1時(shí)刻被測(cè)站接收，則ωB與ωA頻段信號(hào)的相位差Δφ為

用ρiSC 表示SC到第i個(gè)測(cè)站的距離（以光速為單位），tR表示信號(hào)到達(dá)地心的時(shí)刻，則

兩測(cè)站在參考時(shí)刻的相位差為

從而SC的時(shí)延τSC表示為

一般情況下，要求（）在考慮了信號(hào)的多普勒頻移后與ωB（ωA）很接近，這樣方能與ERS在、的觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，以便最大限度地扣除誤差效應(yīng)。τSC實(shí)質(zhì)上是兩測(cè)站單向測(cè)距之差（DOR），這種利用觀測(cè)量τEGRS、τSC解算SC位置和軌道的技術(shù)稱(chēng)為雙差單程測(cè)距技術(shù)。由于該方法與VLBI群時(shí)延觀測(cè)技術(shù)相仿，通常在2～100MHz范圍內(nèi)很寬的頻帶上進(jìn)行，所以又稱(chēng)為寬帶VLBI方法。

需要提及的是，若對(duì)兩測(cè)站記錄到的SC 信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理，觀測(cè)量針對(duì)同一信號(hào)波前，此為（傳統(tǒng)）VLBI模式的DOR 測(cè)量。若各測(cè)站記錄信號(hào)分別與各自的標(biāo)準(zhǔn)模型相關(guān)并獲得相位信息，再將不同測(cè)站同一時(shí)刻的相位作差，此時(shí)的DOR 觀測(cè)量針對(duì)不同信號(hào)波前。這兩種DOR 觀測(cè)量顯然是不同的，但是信號(hào)發(fā)出時(shí)刻SC 的位置均位于同一軌道，因而借助于狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行定軌計(jì)算時(shí)，在原理上和實(shí)現(xiàn)形式上并無(wú)顯著差異。若用于SC的定位計(jì)算，VLBI模式的觀測(cè)量相對(duì)較為直接，另一種時(shí)則需要較復(fù)雜的迭代過(guò)程。

4．2 窄帶差分VLBI方法

與△DOR相類(lèi)似，某一頻道上對(duì)同一個(gè)SC的兩測(cè)站同步多普勒測(cè)速觀測(cè)量也可以相比較，構(gòu)成差分單程多普勒測(cè)速（DOD）觀測(cè)量，即時(shí)延率觀測(cè)量τSC。

再與源的觀測(cè)時(shí)延率做差，即構(gòu)成雙差單程測(cè)速（△DOD）觀測(cè)量，結(jié)合多普勒測(cè)速觀測(cè)，可同時(shí)得到SC 在空間3 個(gè)正交方向的運(yùn)動(dòng)速度。與△DOR 觀測(cè)不同的是，△DOD 觀測(cè)數(shù)據(jù)是由單一頻率觀測(cè)給出，所以又稱(chēng)為窄帶VLBI方法［6-7］。

4．3 同波束差分VLBI方法

從地球上的觀測(cè)者看去，有時(shí)兩個(gè)SC 會(huì)同時(shí)進(jìn)入一個(gè)地面天線的方向束內(nèi)，信號(hào)可以被這一天線同時(shí)接收下來(lái)。由于不需要在兩觀測(cè)目標(biāo)間轉(zhuǎn)換天線指向，可以在更大程度上消除兩個(gè)SC 觀測(cè)量中的相同誤差源，此即同波束VLBI 方法（Same Beam Interferometry，SBI）［8-14］。由于記錄信號(hào)為連續(xù)的相時(shí)延觀測(cè)量，比利用群時(shí)延或群時(shí)延率解算位置和速度的精度更高。因而同其它差分VLBI方法相比較，雙SC同波束差分VLBI方法具有更明顯的提高觀測(cè)量精度的優(yōu)勢(shì)。

早在先驅(qū)者-12金星探測(cè)任務(wù)期間，SBI方法便用于測(cè)量軌道器及其所釋放的4個(gè)探測(cè)器之間的角距，以測(cè)定金星大氣的風(fēng)速與風(fēng)向［8］；用于測(cè)量織女號(hào)（Vega）探測(cè)器及其投放出的氣球［9］。此技術(shù)已用于測(cè)量阿波羅-16飛船巡視器相對(duì)于著陸器的距離［10］，以及通過(guò)測(cè)量“阿波羅月面實(shí)驗(yàn)裝置”（ALSEP）信號(hào)研究月球天平動(dòng)［11］。

同波束測(cè)量中，

式中：λ為信號(hào)波長(zhǎng)；Δφ為雙差測(cè)量相位；B為基線長(zhǎng)度；θ為基線與目標(biāo)方向間的夾角；Δθ為兩SC間的夾角。于是，對(duì)于S頻段毫周相位測(cè)量精度、洲際基線長(zhǎng)度、天文單位距離的SC，不難估計(jì)SBI技術(shù)切向位置測(cè)量精度約15m。多普勒與SBI測(cè)量資料的綜合利用相比較于僅用多普勒資料的定軌精度將存在量級(jí)的提高。當(dāng)然，只能在兩個(gè)或多個(gè)探測(cè)器同時(shí)進(jìn)入天線波束之時(shí)方可進(jìn)行SBI測(cè)量，因而應(yīng)用條件相對(duì)苛刻。而且雙差測(cè)量相位存在整周模糊度問(wèn)題，需要研究解決。

4．4 多頻點(diǎn)相時(shí)延觀測(cè)技術(shù)

SBI技術(shù)通過(guò)雙目標(biāo)觀測(cè)量的再次差分，由于信號(hào)傳輸路徑相近、且測(cè)量時(shí)間相同，幾乎可以消除電離層、中性大氣、鐘差、儀器延遲等絕大部分誤差因素的影響。但是差分條紋相位存在整周模糊度，無(wú)論觀測(cè)量為群時(shí)延或相時(shí)延都必須設(shè)法去除此模糊度，比如利用測(cè)距測(cè)速技術(shù)盡量提高初軌的精度，經(jīng)替代計(jì)算消除此模糊度并進(jìn)一步提高定軌精度。

日本月亮女神探月計(jì)劃期間，提出了多頻點(diǎn)消除模糊度的方法［15-16］。兩個(gè)飛行器分別發(fā)送3個(gè)S頻段點(diǎn)頻和1個(gè)X 頻段點(diǎn)頻，記作fi，i＝1，2，3，4。對(duì)兩測(cè)站接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理，并將條紋相位對(duì)兩飛行器做差，得到4個(gè)差分條紋相位φi。

式中：Δτ為兩飛行器預(yù)測(cè)時(shí)延偏差之差或殘余時(shí)延之差，含幾何時(shí)延、鐘差、儀器、大氣等殘余值之差；Ni為相位的整周模糊度；σ為條紋相位測(cè)量噪聲，當(dāng)假設(shè)其與頻率無(wú)關(guān)時(shí)，相時(shí)延精度與頻率成正比（τ＝φ／2πf），因而X 頻段相時(shí)延精度將優(yōu)于S頻段。強(qiáng)調(diào)3個(gè)S頻段點(diǎn)頻的目的，即是用于確定X頻段相時(shí)延整周模糊度，依次按如下步驟進(jìn)行：①確定1、2頻點(diǎn)群延遲模糊度；②確定1、3頻點(diǎn)群延遲模糊度；③確定1頻點(diǎn)相時(shí)延模糊度；④確定4頻點(diǎn)（X 頻段頻點(diǎn)）相時(shí)延模糊度。

若4個(gè)頻點(diǎn)分別為2 212 MHz、2 218 MHz、2 287 MHz和8 456 MHz，理論延遲預(yù)測(cè)誤差應(yīng)小于83ns，對(duì)于上海至烏魯木齊約3 200km 基線在月球距離的誤差約為3km，聯(lián)合測(cè)距測(cè)速技術(shù)容易滿(mǎn)足此定軌精度需求。另外，4個(gè)頻點(diǎn)條紋相位測(cè)量噪聲σ應(yīng)分別小于127．3°、10．1°、4．3°、45．6°，最小值為4．3°。日本月亮女神探測(cè)器工程期間的多頻點(diǎn)觀測(cè)實(shí)踐表明，當(dāng)以2min的弧段交替跟蹤兩SC時(shí)，由于各探測(cè)器的相關(guān)相位不再連續(xù)，電離層和中性大氣短周期（小于幾分鐘）擾動(dòng)影響了差分相時(shí)延的提取，條紋相位測(cè)量誤差小于4．3°的條件并非容易滿(mǎn)足。只有在同波束觀測(cè)條件下，傳播路徑、觀測(cè)裝置等共同誤差因素被基本扣除時(shí)，才保證了85%的觀測(cè)可以成功提取出差分相時(shí)延，測(cè)量精度在X頻點(diǎn)約0．15mm（0．5ps）、S頻點(diǎn)約3mm（10ps）。相比于僅利用測(cè)距測(cè)速資料，聯(lián)合了多頻點(diǎn)同波束VLBI資料時(shí)的定軌精度從百米水平提高至十米水平［17］。

4．5 多基線相位參考技術(shù)

通過(guò)相位參考技術(shù)對(duì)河外源成圖，是美國(guó)甚大基線陣（VLBA）的日常科研工作之一。該陣由10面25m 口徑天線構(gòu)成，形成了多種長(zhǎng)度和定向的觀測(cè)基線，用于消除相位時(shí)延的整周模糊度。在波長(zhǎng)和基線給定時(shí)，相時(shí)延精度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于群時(shí)延，因而VLBA 相位參考技術(shù)具有支持深空跟蹤的巨大潛力。但是，VLBA 在數(shù)據(jù)記錄格式、傳輸體制等方面并非完全滿(mǎn)足深空探測(cè)的應(yīng)用需求，尤其是在快速觀測(cè)數(shù)據(jù)、及時(shí)傳輸方面存在不足。作為一項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證是有意義的。

△DOR 測(cè)量的必要條件是載波調(diào)制有測(cè)距側(cè)音信號(hào)，這往往與遙測(cè)信號(hào)的發(fā)送存在沖突，造成跟蹤數(shù)據(jù)間斷。與此對(duì)應(yīng)，VLBA 適合觀測(cè)各種SC信號(hào)，對(duì)星載發(fā)射設(shè)備無(wú)特殊要求。VLBA 能夠觀測(cè)弱源，因而更容易找到角距更近的參考源，以減小傳輸路徑誤差的影響。可見(jiàn)VLBA 相位參考技術(shù)與△DOR 技術(shù)是存在顯著區(qū)別的。

通過(guò)相位參考技術(shù)確定SC 相對(duì)于河外射電源的角位置，其最大挑戰(zhàn)是獲得連續(xù)干涉相位，即去除干涉相位的整周模糊度。多基線組合去除模糊度的基本原理為，不同長(zhǎng)度的基線其條紋的一個(gè)整周所對(duì)應(yīng)的空間角距離不同，基線定向不同時(shí)對(duì)空間角距的方向分辨也不同。于是利用不同方向、不同長(zhǎng)度的多基線組合，有望確定出各基線相關(guān)相位的整周模糊度。以簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)為例，對(duì)月球距離目標(biāo)，若其預(yù)報(bào)軌道誤差為200 m，對(duì)于600km、2 600km、4 600km的基線，整周模糊度數(shù)分別為2、10、18，相關(guān)相位為155°、150°、249°。VLBA 的10 站共構(gòu)成45條基線，因而不難由相關(guān)相位測(cè)量值反推出各自的整周模糊度。

相位參考技術(shù)應(yīng)用于深空跟蹤的驗(yàn)證實(shí)例表明［18］，僅利用深空網(wǎng)（DSN）的測(cè)距、測(cè)速和△DOR數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)飛行器定軌的誤差橢圓，相對(duì)于綜合DSN 與VLBA 數(shù)據(jù)的誤差橢圓存在約300 m 偏差，但位于誤差橢圓之內(nèi)，說(shuō)明結(jié)果是相互符合的。后者的不確定范圍明顯小于前者，因而VLBA 數(shù)據(jù)類(lèi)型的作用是明顯的。系列數(shù)據(jù)分析表明，該次實(shí)驗(yàn)的VLBA 數(shù)據(jù)與△DOR 是相互符合的，且VLBA（最長(zhǎng)基線約4 000km）相位參考技術(shù)下的相時(shí)延精度略高于DSN（最長(zhǎng)基線約10 000km）△DOR技術(shù)下的群時(shí)延精度。

4．6 短基線連線干涉儀和局部參考架差分VLBI技術(shù)

VLBI在數(shù)十年的應(yīng)用中，無(wú)論在天文領(lǐng)域還是在深空探測(cè)領(lǐng)域都取得了很大的成功。然而，傳統(tǒng)的VLBI測(cè)量系統(tǒng)在多項(xiàng)技術(shù)方面具有復(fù)雜性和難以簡(jiǎn)單突破性，如海量記錄數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和處理、非相干獨(dú)立本振的穩(wěn)定性和同步的維持、各臺(tái)站上空大氣等傳播介質(zhì)的差異、觀測(cè)目標(biāo)共視時(shí)地平高度角的局限等。短基線連線干涉儀（CEI）技術(shù)的本質(zhì)特點(diǎn)，是可以進(jìn)行全狀態(tài)的相位時(shí)延觀測(cè)，進(jìn)而得到更高的測(cè)量精度。在短基線干涉測(cè)量系統(tǒng)中，通常利用光纖網(wǎng)絡(luò)把相距數(shù)十到數(shù)百千米的天線連接起來(lái)，在測(cè)站之間實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和分析處理；還可以把完全相同的本振時(shí)間頻率信息發(fā)送到不同臺(tái)站，以排除VLBI中不同本振帶來(lái)的穩(wěn)定性和時(shí)間同步的問(wèn)題；由于臺(tái)站間距離短，短基線干涉測(cè)量系統(tǒng)上空的大氣效應(yīng)具有強(qiáng)相干性，同時(shí)觀測(cè)目標(biāo)的共視地平高度，可以在較長(zhǎng)的時(shí)間一直維持在較高的水平上，進(jìn)而能以好于50nrad的精度測(cè)量深空探測(cè)器的角位置。

在借助于源的觀測(cè)對(duì)飛行器非幾何時(shí)延進(jìn)行修正時(shí)，由于不一定存在方向很近且強(qiáng)度足夠的參考源，也有觀測(cè)探測(cè)器周?chē)囝w參考源的先例，通過(guò)內(nèi)插得出探測(cè)器所在方向的非幾何時(shí)延修正，即所謂局部參考架差分VLBI技術(shù)。行星際巡航階段，飛行器相對(duì)于背景天體的方向變化較小，因而可應(yīng)用本地參考架技術(shù)，通過(guò)多顆源的測(cè)量，以壓縮噪聲影響、提高非幾何時(shí)延的修正精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

VLBI技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于我國(guó)探月衛(wèi)星跟蹤，但是在嫦娥一號(hào)任務(wù)中，由于互相關(guān)處理的某些具體技術(shù)限制，只能觀測(cè)處理約10顆致密的強(qiáng)源。有時(shí)參考源與飛行器之間的角距達(dá)數(shù)十度，僅可用于確定鐘差和儀器差，必須進(jìn)一步利用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行介質(zhì)誤差修正。而且VLBI信標(biāo)僅為2頻點(diǎn)，不利于實(shí)時(shí)解算觀測(cè)量的模糊度。嫦娥二號(hào)任務(wù)已經(jīng)進(jìn)行了△DOR 技術(shù)驗(yàn)證，在實(shí)時(shí)互相關(guān)處理、時(shí)延模糊度確定、閉合差扣除［19］等方面尚待改進(jìn)。

VLBI擁有觀測(cè)頻帶越寬則測(cè)量精度越高的技術(shù)特點(diǎn)，消除觀測(cè)量的模糊度至少需要3個(gè)以上的測(cè)量頻帶。SBI技術(shù)可以差分去除多種誤差源的影響，但由于要求多個(gè)目標(biāo)必須位于天線主波束之內(nèi)，因而應(yīng)用條件相對(duì)受限。嫦娥三號(hào)任務(wù)將實(shí)現(xiàn)月球著陸巡視勘測(cè)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)，著陸器、巡視器適用于SBI測(cè)量。但是由于巡視器只發(fā)送窄帶（4kHz）遙測(cè)信號(hào)，僅依據(jù)數(shù)據(jù)解析方法精確扣除模糊度的可能性極小，且只能事后分析而無(wú)法滿(mǎn)足工程實(shí)時(shí)性需求。關(guān)于今后探測(cè)器的信標(biāo)設(shè)計(jì)，建議強(qiáng)調(diào)與理論分析的有機(jī)配合，以降低跟蹤測(cè)量的成本和提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。多頻點(diǎn)相時(shí)延技術(shù)的測(cè)量精度高，對(duì)星上信標(biāo)設(shè)置的技術(shù)難度不大，在后續(xù)月球采樣返回和載人登月探測(cè)中建議特別予以關(guān)注。多基線相位參考技術(shù)要求合理配置各天線的相對(duì)位置和距離以構(gòu)成天線陣列，我國(guó)新建VLBI天線時(shí)值得考慮。短基線連線干涉儀對(duì)于人造天體跟蹤相對(duì)較有優(yōu)勢(shì)，技術(shù)難度不大、數(shù)據(jù)解析不甚復(fù)雜。局部參考架主要適用于行星際巡航階段的測(cè)量誤差修正，在我國(guó)自主火星、金星探測(cè)中值得關(guān)注。但是需依據(jù)軌道設(shè)計(jì)，預(yù)先整理或補(bǔ)充觀測(cè)參考射電源的表列，包括位置精度、射電流量、源的結(jié)構(gòu)等關(guān)聯(lián)參數(shù)。

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