Alexander Sergeevich KOSOV,Vladimir Michailovich GOTLIB, Vriiy Alexandrovich KOROGOD,Uriiy Alexandrovich NEMLIHER, Dmitriy Petrovich SKULACHEV

(俄羅斯科學院空間研究所,莫斯科117997)

俄月球-全球等探測任務中的無線電科學試驗

Alexander Sergeevich KOSOV,Vladimir Michailovich GOTLIB, Vriiy Alexandrovich KOROGOD,Uriiy Alexandrovich NEMLIHER, Dmitriy Petrovich SKULACHEV

(俄羅斯科學院空間研究所,莫斯科117997)

俄羅斯航天局正在規(guī)劃和推進新的月球探測計劃,包括月球-資源和月球-全球探測任務,它們搭載了3個無線電科學載荷:2個無線電信標機分別安裝在2個著陸器上,1個Ka波段接收機安裝在月球-全球軌道器上。信標機發(fā)射頻率為8.4 GHz和32 GHz。8.4 GHz的微波信號將被發(fā)回地球,利用地面VLBI監(jiān)測網(wǎng)對信號進行測量,其結(jié)果可用于精密的天體力學觀測及導航,還能用于月球天平動研究;32 GHz信號將用于定軌和月球重力場研究。Ka波段信號天線軸指向著陸區(qū)天頂方向,信號由軌道器接收。本文基于對Ka波段信號多普勒頻移的精確測量,通過研究著陸區(qū)附近重力場的微小變化(約3～5 mGal精度),探討月球重力場的不均勻性,其測量數(shù)據(jù)的空間分辨率約為20 km。

空間研究;無線電科學;相干應答器;同波束試驗

0 引 言

截止2020年,俄羅斯有3個計劃中的月球探測任務:2017年發(fā)射的月球-全球著陸器,如圖1; 2018年發(fā)射的月球-全球軌道器,如圖2;2019年發(fā)射的月球-資源著陸器。

月球-全球及月球-資源任務中有兩個不同的無線電科學載荷,分別是著陸器的無線電信標和軌道器的接收機。著陸器的無線電信標將包括一個X波段接收機、一個X波段發(fā)射器和一個Ka波段發(fā)射器。無線電信標有自主工作和相干應答2種工作模式。自主工作模式中信標輻射信號的穩(wěn)定度取決于內(nèi)部參考源的穩(wěn)定度。在相干應答工作模式中發(fā)射機信號鎖相于地球發(fā)出的參考信號。軌道器的接收機工作在Ka波段(32 GHz),將從月球著陸器的無線電信標或者地球的發(fā)射機接收信號,見圖1和圖2。利用著陸器的無線電信標機和軌道器的接收機能夠進行很多有價值的導航和天體力學試驗。

圖1 月球-全球著陸器Fig.1 Luna-Glob lander

圖2 月球-全球軌道器Fig.2 Luna-Glob orbiter

1 著陸器的無線電信標機

1.1 著陸器的無線電信標機原型

著陸器的無線電信標機原型是為福布斯-土壤任務開發(fā)的USO 和為月球-資源任務開發(fā)的非相干無線電信標機,兩者的儀器模型如圖3所示[3]。

圖3 USO及月球無線電信標的合格模型圖Fig.3 Photo of the qualified models of USO and Luna's radio beacon instruments

1.2 相干無線電信標機

新的相干無線電信標機結(jié)構(gòu)如圖4所示。相干無線電信標機是1個重約2 kg、體積約為2 L的盒子。其中有3個天線:X波段頻率為7.2 GHz的接收機微帶天線,X波段頻率為8.4 GHz的發(fā)射機微帶天線和Ka波段頻率為32 GHz的波導天線。X波段天線主波束指向地球方向,Ka波段天線主波束指向天頂方向。接收機7.2 GHz的參考信號被相干轉(zhuǎn)換為8.4 GHz和32 GHz的發(fā)射信號。此類轉(zhuǎn)換可以利用可指定比率的頻率轉(zhuǎn)換前置PLL電路實現(xiàn)。因此內(nèi)置信號參考源的波動將不會影響到發(fā)射信號的頻率。此載荷在每個頻段的輻射功率可達0.5 W。天線為右旋圓極化天線,增益為5～7 dB。此載荷在自主工作模式下不需要地面提供參考信號。在此種模式下,接收機被關(guān)閉,PLL3和PLL5分別調(diào)制在8.4 GHz和32 GHz上,此時信號的頻率穩(wěn)定度取決于內(nèi)置參考晶振。月球無線電信標機的通用參數(shù)見表1所示。

表1 無線電信標機通用參數(shù)表Table 1 Specification of the radio beacon

內(nèi)置參考頻率振蕩源是儀器最重要的一部分,用以保持自主工作模式下的頻率穩(wěn)定性,以及相干工作模式下的信號相位噪聲水平。內(nèi)置參考源計劃采用瑞士Osciloquartz公司生產(chǎn)的OCXO BVA8607晶振。該參考晶振具有優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性,如表1所示;并且在帶寬為1 Hz的情況下,其相位噪聲控制在非常低的水平,具體數(shù)值為:1)頻率為1 Hz時,對應相位噪聲為-130 dBc;2)頻率為10 Hz,對應相位噪聲為-145 d Bc;3)頻率為100 Hz,對應相位噪聲為-153 dBc;4)頻率為1 k Hz,對應相位噪聲為-156 d Bc;5)頻率為10 k Hz,對應相位噪聲為-156 dBc。

圖4 相干無線電信標機結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the coherent raido beacon

OCXO BVA8607晶振優(yōu)異的性能及其低質(zhì)量使得它成為空間頻標的最佳選擇。圖5給出了該參考晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定特性,可以看出在積分時間小于30 s的情況下可以達到7×10-13穩(wěn)定度?？晒┻x擇的另一款晶振PH-Maser的穩(wěn)定特性與OCXO BVA8607可比擬,而且在積分時間大于30 s時表現(xiàn)比OCXO BVA8607更好。但是由于月球無線電信標機的質(zhì)量限制,無法將PH-Maser用作參考源。在相干工作模式下,發(fā)射信號與地面發(fā)射的參考信號同步。相干工作模式用于測量地面接收機和月球無線電信標機之間的相對速度引起多普勒頻移。信號在地月之間往返的時間約3 s,在測量中首要保持的是信號的短期穩(wěn)定度。因此OCXO BVA8607也是地面參考晶振的最佳選擇。

無線電信標機有2個發(fā)射機(X和Ka波段)和1個接收機(X波段),它們的詳細信息如下。

1)信標機X波段發(fā)射機的詳細參數(shù)為,中心頻率:8.4 GHz;輻射功率:0.3 W;波束寬度(G= 0 d B):120°;極化類型:右旋圓極化;調(diào)制類型: QPSK,different Fm;頻率穩(wěn)定度:OCXO BVA8607;載波(副載波)譜寬度:0.01 Hz;自主工作模式相干時間:100 s。

2)Ka波段發(fā)射機的詳細參數(shù)為,中心頻率: 32 GHz;輻射功率:0.3 W;波束寬度(G=0 d B): 120°;極化類型:右旋圓極化;調(diào)制類型:無調(diào)制;頻率穩(wěn)定度:OCXO BVA8607;載波譜寬度:0.04 Hz;自主工作模式相干時間:25 s。

圖5 OCXO BVA8607晶振的頻率穩(wěn)定特性Fig.5 Frequency stability comparison for OCXO standards

3)X波段發(fā)射機的詳細參數(shù)為,中心頻率: 7.2 GHz;噪聲范圍:1.5 dB;主波束方向:地球;波束寬度(G=0 d B):120°;極化類型:右旋圓極化。

4)月球無線電信標機多種工作模式為,32 GHz信號,單一載波;8.4 GHz信號,單一載波;8.4 GHz信號,載波及±3 MHz副載波;8.4 GHz信號,載波及±20 MHz副載波;8.4 GHz信號,載波及± 50 MH副載波。

當信標機采用核電時,進行內(nèi)部循環(huán)作業(yè);對地信息傳輸:對地面30 m天線傳輸速度可達0.1 M/s。

無線電信標能在X波段進行擴頻。此種類型的信號包括主載波和副載波,其頻譜需要利用VLBI觀測網(wǎng)絡來計算不確定度。圖6給出了含20 MHz頻率調(diào)制的信號頻譜。

圖6 8.4 GHz信號頻譜(20 MHz頻率調(diào)制,日期:2010-05-26 22: 00:52)Fig.6 The 8.4 GHz signal spectrum(20 MHz modulation frequency,date:2010-05-26 22:00:52)

如前所述,當有地面提供的參考信號時,無線電信標機可以工作在相干模式下。如果沒有地面提供信號時,無線電信標機將工作在自主模式下。

無線電信標機有兩種天線:X波段發(fā)射機的貼片天線和Ka波段發(fā)射機的波導天線。圖7給出了貼片天線示意圖及其波束方向圖。Ka波段天線示意圖及其波束方向圖見圖8。

1)X波段天線的詳細信息為,頻率:8.4/7.2 GHz;增益:7.1 dB;波束寬度(G=-3 dB):82°;極化信息:右旋圓極化。

2)ka波段天線的詳細信息頻率:3.2 GHz;增益:9.6 d B;波束寬度(G=-3 d B):60°;極化信息:右旋圓極化。

圖7 X波段微帶天線(a)及其波束方向圖(b)Fig.7 X-band antenna(a)and its beam pattern(b)

圖8 波段貼片天線(a)及其波束方向圖(b)Fig.8 Ka-band antenna(a)and its beam pattern(b)

1.3 月球-全球軌道器和Ka波段接收機

Ka波段接收機是月球-全球軌道器的科學載荷之一。軌道器結(jié)構(gòu)圖和Ka波段接收機如圖9所示。

圖9 月球-全球軌道器和Ka波段接收機Fig.9 The Luna-Glob orbiter and Ka-band receiver

Ka波段接收機設計用來接收月球信標機信號并精確測量多普勒頻移和相對速度。圖10給出了測量多普勒頻移的經(jīng)過。輸入的32 GHz信號經(jīng)過降頻和數(shù)字化后計算頻率漂移。

Ka波段接收機由OCXO BVA8607參考晶振、波導天線、低噪聲放大器、頻率轉(zhuǎn)換器、數(shù)字單元和供能單元組成。詳細信息為:中心頻率:32 GHz;噪聲溫度:≤150 K;波束寬度:120°;極化類型:右旋圓極化;帶寬:0.5 MHz;信噪比(PTX=5 W,1 Hz, 500 km):40 dB;速度變化量的測量精度:3 m Gal。

本地晶振(OCXO BVA8607)的頻率穩(wěn)定度為: 1)積分時間為3～30 s時,對應阿蘭方差為8× 10-14;2)積分時間為1～300 s時,對應阿蘭方差為1×10-13;3)積分時間為1～10 000 s時,對應阿蘭方差為1×10-12;4)積分時間為24 h時,對應阿蘭方差為5×10-12;5)積分時間為1 a時,對應阿蘭方差為2×10-9。

圖10 多普勒測量圖示Fig.10 The chart of Doppler shift measurement

2 利用著陸器和軌道器進行無線電科學試驗

利用著陸器信標機和軌道器接收機可以進行很多有價值的無線電科學試驗。第1組是導航任務。通過接收地面VLBI網(wǎng)的X波段信號,可以開展著陸器精確位置測定工作(精度可達10 cm)。圖11給出了同波束定位導航試驗的示意圖。

圖11 利用月球無線電信標開展同波束導航試驗Fig.11 Chart of navigation experiments with Luna's radio beacons

另一個導航任務是精確測量月球全球軌道器的軌道參數(shù)。在此任務中,將會使用無線電信標機Ka波段信號和軌道器接收機的數(shù)據(jù)。該任務的示意圖見圖12。

第2組是科學試驗。軌道器Ka波段接收機能夠?qū)ζ浼铀俣茸龈呔葴y量。而軌道器的加速度變化與月球重力場變化相關(guān)。月球的非均勻重力場研究(investigation of non-uniformity of gravy field of luna,INGL)試驗的目的是測量著陸器附近的月球重力場變化。此測量的精度與GRAIL數(shù)據(jù)精度是可比擬的。表2對GRAIL和INGL進行了對比。

第3種科學試驗是同波束干涉測量(same beam interferometer,SBI)試驗。在此試驗中,月面的幾個無線電信標機應當同時工作,信號被地面同一個站接收。SBI的位置測量精度可達0.1 mm。誤差源及誤差值的實驗估計值如表3所示[1]。

表2 GRAIL和INGL特性對比Table 2 INGL features in comparison with GRAIL

表3 SBI實驗誤差源及估計值Table 3 Sources and values on SBI measurement errors

3 結(jié)束語

俄羅斯月球資源和月球全球探測任務中的月球無線電科學試驗,將搭載OCXO BVA8607超穩(wěn)定晶振為無線電發(fā)射機提供頻率參考。利用這兩個探測計劃在X波段和Ka波段開展的無線電科學試驗。實驗將使用地面VLBI監(jiān)測網(wǎng)對信號進行測量,其結(jié)果可用于精密的天體力學觀測及導航,還能用于月球天平動研究。著陸器無線電信標機和軌道器接收機還將用于衛(wèi)星導航和通訊。進一步利用無線電科學方法可以在以下可能的科學方向上有所建樹:

圖12 軌道參數(shù)測量示意圖Fig.12 Chart of orbit parameters measurements

1)地球參考架的改進。

2)月球內(nèi)部動力學機制,特別通過確定月球主轉(zhuǎn)動慣量、月核扁率、月球自轉(zhuǎn)的自由和受迫天平動、潮汐及其耗散,更好地確定核半徑及內(nèi)核的可能組成,對月球演化理論給出約束。

3)更好地確定廣義相對論的參數(shù),通過PPN參數(shù)值測量或者測試背離廣義相對論的現(xiàn)象來尋找更普適的引力理論。

4)進一步優(yōu)化月球自轉(zhuǎn)動力學、月球軌道、月球歷表及更多的牛頓力學變化量的觀測。

這兩個探測計劃中無線電科學實驗的成功實施將擴展我們對月球內(nèi)部、軌道動力學、重力場結(jié)構(gòu)、廣義相對論以及月球歷史等的認識。

致謝

作者感謝中科院國家天文臺王明遠博士將本文由英文翻譯成中文。

[1]Gregnanin M,Bertotti B,Chersich M,et al.Same beam interferometry as a tool for the investigation of the lunar interior[J].Planetary and Space Science,2012(74):194-201.

[2]Dehant V,Oberst J,Nadalini R,et al.Geodesy instrument package on the Moon for improving our knowledge of the Moon and the realization of reference frames[J].Planetary and Space Science,2012(68):94-104.

[3]Kosov A S,Gotlib V M,Vald-Perlov V M,et al.Ultra stable millimeter wave oscillator intended for space project Phobos-Grunt[C]∥Global Symposium on Millimeter Waves Proceeding.Nanjing,China,21-24 April 2008.

Alexander Sergeevich KOSOV(1949—),男,教授,博士生導師,主要研究方向:衛(wèi)星無線電通信,衛(wèi)星空間探測技術(shù)。

通信地址:俄羅斯科學院空間研究所,莫斯科(117997)

電話:+7(495)333-52-12

E-mail:akosov@iki.rssi.ru

[責任編輯:高莎]

Radio Science Experiments in Russian“Luna-Recourse”“Luna-Glob”Projects

Alexander Sergeevich KOSOV,Vladimir Michailovich GOTLIB, Vriiy Alexandrovich KOROGOD,Uriiy Alexandrovich NEMLIHER, Dmitriy Petrovich SKULACHEV
(Space Research Institute,Russian Academy of Sciences,Moscow 117997,Russia)

These years,the Russia Space Agency is planning a couple of new lunar orbiting and landing explorations,the luna-resource and luna-glob projects.Three kinds of radio scientific payloads will be installed on them:two radio beacons,installed on Luna-Resource and Luna-Glob Landers separately,and a Ka-band receiver installed on Luna-Glob orbiter.The beacons will irradiate signals at two radio frequency bands of 8.4 GHz and 32 GHz.The 8.4 GHz signals will be transmitted to the Earth,where the VLBI ground based network will be used for celestial mechanics experiments and as a navigation tool.It will be possible to measure the beacon's positions with accuracy about 1 cm and to register Moon's libration.The 32 GHz band will be used as a kind of orbiter navigation tool and for lunar gravity field investigation.The Ka band signal will be directed to local zenith and will be received by orbiter's receiver.Investigation of non-uniformity of lunar gravity field(experiment INGL)will be performed in vicinity of landing regions with accuracy 3～5 m Gal.The spatial resolution will be about 20 km.The experiment is based on precise Doppler shift measurement.

space research;radio science;coherent transponder;same beam experiment

P228

:A

:2095-7777(2014)03-0181-06

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.03.003

2014-07-28

2014-08-15

俄羅斯航天局探月專項