陳略，平勁松，李文瀟,3，韓松濤1,，劉慶，陳永強(qiáng)，張建輝，簡(jiǎn)念川

（1.北京航天飛行控制中心，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；3.中國(guó)科學(xué)院 新疆天文臺(tái)，烏魯木齊 830011；4.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安 710043；5.中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030）

0 引 言

“朱諾號(hào)”（Juno）木星探測(cè)器是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）“新疆界計(jì)劃”實(shí)施的第二個(gè)探測(cè)項(xiàng)目。“朱諾號(hào)”由美國(guó)洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin Corp）建造，NASA下屬?lài)姎馔七M(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）負(fù)責(zé)整個(gè)探測(cè)任務(wù)的運(yùn)行，是整個(gè)項(xiàng)目的管理者（Project Manager，PM），美國(guó)西南研究所（SwRI）是整個(gè)探測(cè)項(xiàng)目的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人（Principal Investigator，PI），負(fù)責(zé)相關(guān)科學(xué)研究[1]。“朱諾號(hào)”探測(cè)器通過(guò)“大力神5號(hào)”運(yùn)載火箭于2011年8月5日從美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射，并于2016年7月6日到達(dá)木星捕獲軌道?！爸熘Z號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)是研究并理解木星的起源與進(jìn)化，具體包含以下幾個(gè)方面。①木星系統(tǒng)起源（Origin）：測(cè)量O、N、C、S、Ar、Kr、Xe等元素含量。②木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)（Interior）：探測(cè)木星引力場(chǎng)分布、測(cè)量磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化以用于測(cè)量?jī)?nèi)核表面流動(dòng)模式。③木星大氣層（Atmosphere）：測(cè)量大氣層的成分（例如H、O比例）、溫度、厚度、氣候變化和其他一些特性。④木星磁層（Magnetophere）：探索和研究木星極地的磁層，尤其是木星極光，得出新的關(guān)于巨行星巨大的磁場(chǎng)如何影響其大氣層的結(jié)論[1-3]。行星無(wú)線電科學(xué)載荷是“朱諾號(hào)”29類(lèi)科學(xué)載荷中的重要一項(xiàng)，其主要通過(guò)一個(gè)直徑2.5 m的高增益天線與地面進(jìn)行無(wú)線電測(cè)量與通信，從無(wú)線電信號(hào)特征層面反演木星重力場(chǎng)和大氣等。

中國(guó)深空網(wǎng)于2012年初步建成，佳木斯深空站、喀什深空站投入運(yùn)行，重點(diǎn)支持了“嫦娥3號(hào)”、再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)等深空探測(cè)任務(wù)，南美深空站、納米比亞深空天線于2017年正式完成建設(shè)，正在為我國(guó)后續(xù)的深空探測(cè)任務(wù)進(jìn)行相關(guān)任務(wù)準(zhǔn)備。為驗(yàn)證中國(guó)深空站的跟蹤與測(cè)量數(shù)據(jù)能力，北京航天飛行控制中心于2016年10月—2017年8月期間聯(lián)合佳木斯、喀什深空站對(duì)木星探測(cè)器“朱諾號(hào)”進(jìn)行了開(kāi)環(huán)測(cè)量試驗(yàn)，以便為后續(xù)我國(guó)更遙遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)的實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)。

1 深空開(kāi)環(huán)測(cè)量試驗(yàn)實(shí)施情況

1.1 深空開(kāi)環(huán)測(cè)量原理

深空探測(cè)器搭載高穩(wěn)定度原子鐘為高精度開(kāi)環(huán)測(cè)量提供了最重要的條件之一。深空開(kāi)環(huán)測(cè)量可分為單程開(kāi)環(huán)測(cè)量與三程開(kāi)環(huán)測(cè)量等。本文試驗(yàn)所指的開(kāi)環(huán)測(cè)量為單程開(kāi)環(huán)測(cè)量，即深空探測(cè)器搭載高穩(wěn)原子鐘后單向下行發(fā)送主載波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)星際介質(zhì)、電離層與對(duì)流層傳播后，地面深空站接收探測(cè)器下行信號(hào)，利用信號(hào)處理系統(tǒng)檢測(cè)主載波的相位特征，用以高精度估計(jì)深空站相對(duì)于探測(cè)器的多普勒頻率，獲取探測(cè)器相對(duì)于深空站高精度相對(duì)速度變化關(guān)系。

1.2 下行信號(hào)頻點(diǎn)

基于中國(guó)深空站對(duì)“朱諾號(hào)”探測(cè)器進(jìn)行跟蹤，首先要準(zhǔn)確已知“朱諾號(hào)”的下行頻點(diǎn)分布。從NTRS（NASA Technical Reports Serve）上查閱到“朱諾號(hào)”探測(cè)器的無(wú)線電測(cè)量與通信手冊(cè)，該文件中準(zhǔn)確描述了“朱諾號(hào)”的下行頻點(diǎn)及功率[4]。“朱諾號(hào)”有X/Ka頻段兩個(gè)下行信號(hào)頻段，考慮到中國(guó)深空站尚不完全具備Ka頻段跟蹤測(cè)量能力，試驗(yàn)采用X頻段對(duì)“朱諾號(hào)”進(jìn)行跟蹤?！爸熘Z號(hào)”X頻段主載波理論下行頻點(diǎn)為8 404.135 802 MHz，NASA的35 m深空站標(biāo)稱(chēng)上行頻點(diǎn)為7 153.065 586 MHz，星上的轉(zhuǎn)發(fā)比為880/749。在下行主載波附近調(diào)制兩類(lèi)信號(hào)：①25 kHz或者281.5 kHz的遙測(cè)信號(hào)；②19 MHz的DOR側(cè)音[5]。

1.3 信號(hào)到達(dá)地面測(cè)站功率

為確保深空站準(zhǔn)確捕獲“朱諾號(hào)”下行信號(hào)，需要準(zhǔn)確已知下行信號(hào)到達(dá)地面天線接收機(jī)端的功率?！爸熘Z號(hào)”的X頻段主載波的有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）為87.4 dBm[4]。深空站天線低噪放輸入段功率 = 星上EIRP - 信號(hào)自由空間損耗 + 接收天線增益。

“朱諾號(hào)”探測(cè)器的下行信號(hào)自由空間損耗可由式（1）來(lái)描述

其中：Lf為無(wú)線電波自由空間損耗，單位為dB；d為自由空間的傳播距離，單位為km；f為無(wú)線電波的頻率，單位為MHz。木星質(zhì)心距離地球質(zhì)心的距離為6.3～9.6億km。因此，以6.3億km計(jì)算的空間鏈路損耗為-286.88 dB，以9.6億km計(jì)算的空間鏈路損耗為-290.53 dB。

拋物面測(cè)控天線增益的計(jì)算公式如下

其中：Gr為天線增益，單位為dB；D為天線的口徑，單位為m；λ0為接收無(wú)線電波的波長(zhǎng)，單位為m。

其中：c為光速，單位為m/s；f0為無(wú)線電波頻率，單位為Hz。

利用公式（2）可得，佳木斯深空站天線（66 m）的天線增益估計(jì)值為71.87 dB，喀什深空站天線（35 m）的天線增益估計(jì)值為66.36 dB。

因此，中國(guó)深空站按照探測(cè)器最遠(yuǎn)距離地球測(cè)站9.6億km計(jì)算，在X頻段，到達(dá)天線低噪放輸入端的信號(hào)功率為：佳木斯深空站-131.26 dBm，喀什深空站-136.77 dBm。由于中國(guó)深空站天線低噪放輸入端接收靈敏度指標(biāo)在-160 dBm，因此，佳木斯、喀什深空站均具備對(duì)“朱諾號(hào)”探測(cè)器信號(hào)有效接收能力。

1.4 跟蹤時(shí)刻

中國(guó)深空站的跟蹤時(shí)刻取決于“朱諾號(hào)”下行發(fā)信號(hào)的時(shí)刻。對(duì)“朱諾號(hào)”的跟蹤，美國(guó)NASA采用全球分布的美國(guó)深空網(wǎng)（Deep Space Network）對(duì)其進(jìn)行跟蹤測(cè)量?？紤]我國(guó)佳木斯、喀什深空站介于NASA的澳大利亞堪培拉深空站與西班牙馬德里深空站之間，一方面參考該兩站的跟蹤計(jì)劃，另一方面在DSN now網(wǎng)站（https://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html）上可實(shí)時(shí)查詢(xún)美國(guó)深空網(wǎng)正在跟蹤的目標(biāo)情況，結(jié)合兩方面情況來(lái)確定“朱諾號(hào)”發(fā)送下行信號(hào)的時(shí)刻。

1.5 天線跟蹤引導(dǎo)星歷

基于深空站觀測(cè)“朱諾號(hào)”，對(duì)跟蹤天線的引導(dǎo)也是關(guān)鍵。這里采用兩種引導(dǎo)策略，第一種策略是考慮木星距離地面跟蹤站很遙遠(yuǎn)，當(dāng)“朱諾號(hào)”在近木點(diǎn)附近時(shí)，木星質(zhì)心和探測(cè)器均會(huì)落到深空站天線的同一波束范圍內(nèi)，因此可用木星星歷作為地面天線引導(dǎo)參考；第二種策略是基于“朱諾號(hào)”的軌道預(yù)報(bào)文件，轉(zhuǎn)換為地面測(cè)站所需的天線引導(dǎo)文件。兩種策略均通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的引導(dǎo)程序予以實(shí)現(xiàn)，本文試驗(yàn)基于第一種策略進(jìn)行天線跟蹤。

1.6 跟蹤與信號(hào)采集記錄

基于以上觀測(cè)必備條件，深空站成功開(kāi)展了多次對(duì)“朱諾號(hào)”的跟蹤與測(cè)量。為精細(xì)化后處理分析“朱諾號(hào)”信號(hào)特點(diǎn)與高精度信號(hào)處理，通過(guò)深空站部署的VLBI中頻基帶轉(zhuǎn)換與采集記錄設(shè)備，對(duì)“朱諾號(hào)”的原始下行信號(hào)進(jìn)行采集記錄，采集過(guò)程考慮中心頻率、采樣帶寬、采集通道等參數(shù)設(shè)置。VLBI中頻基帶轉(zhuǎn)換與采集記錄設(shè)備利用1個(gè)通道進(jìn)行采樣，采樣中心頻率為8 404.00 MHz，采樣帶寬為2 MHz，量化位數(shù)為2 bit。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

中國(guó)深空站對(duì)“朱諾號(hào)”探測(cè)器成功進(jìn)行多次跟蹤測(cè)量。由于開(kāi)環(huán)測(cè)量有其自身特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)[5]，本文采用開(kāi)環(huán)測(cè)量方式對(duì)“朱諾號(hào)”進(jìn)行測(cè)量與數(shù)據(jù)處理?！爸熘Z號(hào)”的下行原始信號(hào)經(jīng)采集記錄后傳輸至北京航天飛行控制中心進(jìn)行后處理分析。

本文采用對(duì)快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）、線性調(diào)頻Z變換與信號(hào)本地重構(gòu)相關(guān)的聯(lián)合處理方法，對(duì)“朱諾號(hào)”的下行主載波頻率進(jìn)行高精度提取，進(jìn)而獲得多普勒頻率測(cè)速信息。限于篇幅限制，這里不詳細(xì)介紹信號(hào)處理算法。本文以2017年05月19日喀什深空站對(duì)“朱諾號(hào)”的跟蹤為例，介紹下行主載波頻率的提取結(jié)果。圖1顯示的是基于傅里葉變換方法2017年05月19日11時(shí)37分21秒—2017年05月19日12時(shí)47分6秒（UTC時(shí)間）的主載波頻率，積分時(shí)間為1 s。圖1（a）為基于FFT的主載波提取頻率，圖1（b）為“朱諾號(hào)”多普率頻率，這里假定“朱諾號(hào)”的主載波下行頻率即為理論下行頻率，利用提取的主載波頻率減去主載波理論下行頻率得到多普勒頻率?？梢钥闯?，跟蹤弧段內(nèi)“朱諾號(hào)”的多普勒頻率在-130～-126 kHz范圍內(nèi)變化。

圖1 喀什深空站跟蹤“朱諾號(hào)”的FFT主載波頻率與多普勒頻率Fig.1 Carrier frequency and Doppler frequency of Juno in Kashi deep space station

為評(píng)估基于FFT估計(jì)主載波頻率的噪聲水平，采用多項(xiàng)式擬合的方法，檢測(cè)殘余主載波頻率方法予以估計(jì)。這里需要說(shuō)明的是，主載波頻率或者多普勒頻率的估計(jì)精度須通過(guò)精密軌道予以評(píng)估，由于尚未獲取到該天的精密軌道，無(wú)法對(duì)估計(jì)頻率的精度進(jìn)行評(píng)估，因此選擇評(píng)估頻率估計(jì)的噪聲水平。圖2顯示的是采用10次多項(xiàng)式擬合后的殘余主載波頻率。從圖2中可以明顯看出，殘余頻率有幾個(gè)突變時(shí)刻點(diǎn)，如圖中的1、2、3、4、5所示，經(jīng)確認(rèn)，在這些時(shí)刻是由于上行頻率采用了ramp（斜坡）多普勒加載方式，使得接收時(shí)刻的信號(hào)頻率也發(fā)生了突變，即美國(guó)深空站的上行頻率并非保持不變，而是采用一種ramp上行方式，由地面測(cè)站向探測(cè)器發(fā)送頻率隨時(shí)間變化的上行主載波。因此，估計(jì)主載波頻率的噪聲水平通過(guò)分段估計(jì)，即在兩個(gè)突變點(diǎn)時(shí)刻之間評(píng)估噪聲水平，結(jié)果表明基于FFT的主載波估計(jì)噪聲水平約為200 m Hz水平。

圖2 喀什深空站跟蹤“朱諾號(hào)”的FFT殘余主載波頻率Fig.2 FFT residual carrier frequency of Juno in Kashi deep space station

為進(jìn)行比對(duì)，采用線性調(diào)頻Z變換（Chirp Z Transform，CZT）的方法[6]對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜細(xì)化，獲得更為精確的“朱諾號(hào)”主載波頻率，其殘余主載波頻率如圖3所示。同樣采用10次多項(xiàng)式，6段評(píng)估主載波估計(jì)頻率的噪聲水平分別為51.858 mHz、55.826 mHz、58.459 mHz、58.584 mHz、57.672 mHz、55.729 mHz，約為50 m Hz水平。最后，通過(guò)聯(lián)合FFT、CZT和信號(hào)本地重構(gòu)（re-CONStruction，CONS）相關(guān)方法估計(jì)“朱諾號(hào)”下行主載波頻率，如圖4所示，同樣采用10次多項(xiàng)式，6段評(píng)估主載波估計(jì)頻率的噪聲水平分別為5.232 μHz、50.958 μHz、6.158 μHz、4.859 μHz、10.446 μHz、6.600 μHz，6段平均值為14.04 μHz，即約為10 μHz水平?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)聯(lián)合信號(hào)處理的方法獲得了一個(gè)具有超高精度噪聲水平的主載波估計(jì)頻率。

圖3 喀什深空站跟蹤“朱諾號(hào)”的CZT殘余主載波頻率Fig.3 CZT residual carrier frequency of Juno in Kashi deep space station

圖4 喀什深空站跟蹤“朱諾號(hào)”的FFT + CZT + CONS殘余主載波頻率Fig.4 FFT + CZT + CONS residual carrier frequency of Juno in Kashi deep space station

3 結(jié) 論

本文在分析下行頻點(diǎn)、信號(hào)到達(dá)地面測(cè)站功率、跟蹤時(shí)刻、天線跟蹤引導(dǎo)星歷和信號(hào)采集記錄等觀測(cè)必要條件基礎(chǔ)上，成功進(jìn)行了基于中國(guó)深空站的“朱諾號(hào)”探測(cè)器開(kāi)環(huán)測(cè)量試驗(yàn)，“朱諾號(hào)”下行信號(hào)經(jīng)后處理分析后，主載波多普勒測(cè)量噪聲水平在10 μHz水平，這為后續(xù)我國(guó)更遙遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)準(zhǔn)備與實(shí)施積累了有益經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)。