王美，陳略，韓松濤，路偉濤，段建鋒，任天鵬，李黎

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

引 言

按照探月工程任務(wù)規(guī)劃，“嫦娥4號”將首次實(shí)現(xiàn)我國月球背面軟著陸及巡視勘察。任務(wù)分為兩個階段，分別為發(fā)射“鵲橋”中繼衛(wèi)星階段和發(fā)射著陸器及巡視器組合體階段。2018年5月21日，利用“長征4號”丙遙27運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了“鵲橋”，著陸器及巡視器組合體于12月8日凌晨發(fā)射，首次實(shí)現(xiàn)了利用地月L2點(diǎn)中繼星對月球背面的目標(biāo)測控?！谤o橋”在地面控制下，經(jīng)歷了地月轉(zhuǎn)移段、近月制動段后飛向了地月L2點(diǎn)，已運(yùn)行于L2點(diǎn)Halo軌道?！谤o橋”為著巡組合體動力下降和兩器分離提供中繼測控支持，為著陸器的月面工作以及巡視器的遙操作提供中繼服務(wù)。

射電干涉測量技術(shù)是目前分辨率最高的天文觀測技術(shù)，能獲得亞毫角秒量級的極高空間分辨率，相當(dāng)于在地球上能分辨出月球上籃球大小的面積，也能夠以毫米的精度測量上千千米的基線長度。在天體物理、大地測量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。也由于其高測量精度和高分辨率，很早就被應(yīng)用于空間探測器，特別是深空探測器的定位導(dǎo)航，對傳統(tǒng)測距、測速技術(shù)形成了有效補(bǔ)充[1-4]。

各個國家的航天機(jī)構(gòu)都對干涉測量技術(shù)進(jìn)行了研究及應(yīng)用，美國深空網(wǎng)利用干涉測量技術(shù)有力地支撐了其空間探測任務(wù)，如“阿波羅”系列任務(wù)、“奧德賽”火星探測任務(wù)、“機(jī)遇號”及“勇氣號”等都有應(yīng)用。歐洲也建立了自己的VLBI（Very Long Baseline Interferometry）網(wǎng)EVN（European VLBI Network），并將該技術(shù)應(yīng)用于諸如“金星快車”等任務(wù)，俄羅斯早期利用該技術(shù)基于“韋加號”飛船探測了金星大氣，日本也成功地將該技術(shù)應(yīng)用于SELENE（SELenological and Engineering Explore）等任務(wù)。

以中科院上海天文臺為代表的科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了VLBI技術(shù)研究，依托中國VLBI網(wǎng)，有力地支持了我國歷次探月任務(wù)。隨著我國深空探測任務(wù)的逐步展開，對測控精度提出了更高要求，中國深空網(wǎng)的建設(shè)步伐也在不斷加快。2013年，佳木斯及喀什深空站初步建成，配備了干涉測量設(shè)備，我國測控網(wǎng)初步具備了干涉測量能力[5]。后期，南美深空站和納米比亞站干涉測量系統(tǒng)將陸續(xù)入網(wǎng)參加干涉測量任務(wù)，使我國具備全時段深空干涉測量覆蓋能力，預(yù)期我國測控網(wǎng)在未來的深空探測任務(wù)中將發(fā)揮越來越大的作用[6]。本文主要論述深空測控網(wǎng)在“鵲橋”中繼星任務(wù)中的應(yīng)用。

1 差分干涉測量原理

甚長基線干涉測量的基本原理是利用兩測站同時接收目標(biāo)航天器或射電源的下行信號，對兩測站接收的同源信號進(jìn)行相關(guān)處理，利用得到的相關(guān)相位信息提取同源信號到達(dá)兩測站的時延差，進(jìn)而得到目標(biāo)相對于測站的角位置信息[7]，具體如圖1所示。

兩測站接收同源信號到達(dá)兩站的時延差為

圖1 干涉測量原理圖Fig.1 Principle of VLBI

其中:c表示光速；d表示兩測站的基線長度信息。

由式（1）可知角度測量量與基線長度成反比，基線越長所測量的角度精度越高，地球上的最長基線為地球直徑，但是基線越長同樣限制了對目標(biāo)的觀測共視時長。

理論上，干涉測量的時延結(jié)果僅與探測器及測站位置有關(guān)，實(shí)際的測量過程中會引入傳播介質(zhì)時延（對流層、電離層、行星際介質(zhì)）、測站設(shè)備時延、測站鐘差、鏈路時延等因素引起的誤差[5]，也即

其中:τ表示總的時延觀測量；τg表示幾何構(gòu)型時的時延值；τc表示測站鐘差引入的測量誤差；τs表示傳播介質(zhì)引入的測量誤差；τeq表示測站設(shè)備鏈路引入的測量誤差。

為消除上述測量誤差，一般在觀測過程中采用分時交替觀測航天器及射電源的模式，即:以對天球上位置精確已知的射電源進(jìn)行干涉測量觀測用以獲得各項(xiàng)誤差的總和，進(jìn)而內(nèi)插出航天器觀測時刻的系統(tǒng)誤差，最終得到消除各項(xiàng)誤差后的航天器觀測量信息，提高航天器的干涉測量觀測精度。圖2為差分干涉測量原理圖。值得注意的是為了更好地消除傳播介質(zhì)引入的誤差一般要求觀測射電源與航天器的角距較近。

2 測控網(wǎng)干涉測量在中繼星任務(wù)中的標(biāo)校方法

我國的深空網(wǎng)由佳木斯深空站、喀什深空站以及南美深空站組成，3個深空站及納米比亞站均配備了干涉測量設(shè)備，在“鵲橋”任務(wù)中利用佳木斯及喀什深空站開展了干涉測量觀測。

由于測控網(wǎng)深空站肩負(fù)著中繼星的測距、測速、遙控、遙測、數(shù)傳信號接收等任務(wù)，為最大限度的保證航天器的安全，測控網(wǎng)干涉測量無法利用常規(guī)的短時交替方法觀測射電源及航天器以標(biāo)校系統(tǒng)差。結(jié)合實(shí)際情況，任務(wù)中采用了站外標(biāo)校即稀疏標(biāo)校模式，也即在第1個深空站進(jìn)站前觀測強(qiáng)源以標(biāo)校系統(tǒng)差，在第2個深空站出站之后觀測第2個強(qiáng)源標(biāo)校系統(tǒng)差，中間兩深空站共視情況下連續(xù)數(shù)小時對航天器進(jìn)行跟蹤[8-9]。

上述模式下，由于前后強(qiáng)源標(biāo)校與航天器的觀測時間間隔長，角距大，系統(tǒng)引入了高精度的鐘差誤差修正、傳播介質(zhì)誤差修正用以輔助長時射電源標(biāo)校模式，主要有下列兩種修正模式。

1）測站鐘差修正

利用GPS（Global Positioning System）共視法修正測站鐘誤差，測站連續(xù)記錄測站鐘與GPS時鐘的差異，構(gòu)造鐘差隨時間的變化模型，在系統(tǒng)中鐘差采用線性模型。

2）傳播介質(zhì)誤差修正

在傳播介質(zhì)誤差修正方面，系統(tǒng)引入了對流層誤差修正模型，實(shí)時用以對航天器觀測量的誤差修正。事后模式下，利用測站配備的水汽微波輻射計、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）雙頻接收機(jī)、氣象儀等環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備，測量本地對流層、電離層等傳播介質(zhì)誤差項(xiàng)。

圖2 差分干涉測量原理圖Fig.2 Principle of Delta-VLBI

3 干涉測量與定軌結(jié)果精度分析

“鵲橋”于2018年5月21日5點(diǎn)28分發(fā)射升空，在整個飛行期間，星上下行發(fā)射S波段干涉單向距離測量（Differential One-way Range，DOR）側(cè)音信號。最大帶寬為7.5 MHz，對干涉測量的指標(biāo)要求為5 ns。中國深空網(wǎng)在地月轉(zhuǎn)移段、月球至L2點(diǎn)轉(zhuǎn)移段進(jìn)行了多次△DOR（Delta Differential One-Way Range，DOR）測量跟蹤。數(shù)據(jù)采集格式為VLBI標(biāo)準(zhǔn)接口VSI（VLBI stander Interface）格式，采樣率為4 MHz，利用2 bit量化模式，通道數(shù)為8，覆蓋了兩個點(diǎn)頻的DOR音，增加了應(yīng)急數(shù)傳頻點(diǎn)。

3.1 鐘差建模結(jié)果

在任務(wù)中對測站的鐘差進(jìn)行了一次項(xiàng)建模作為模型項(xiàng)的一部分，任務(wù)中通過測站的本地鐘與GPS系統(tǒng)32顆星的時間比對統(tǒng)計完成兩測站的鐘差建模，處理結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，兩測站鐘差呈現(xiàn)較好的一次項(xiàng)特性，在任務(wù)期間沒有發(fā)生鐘跳等現(xiàn)象。一次項(xiàng)建?？梢院芎玫孛枋鰷y站鐘差變化。

圖3 佳木斯及喀什深空站5月21日至6月2日鐘差Fig.3 Clock Error of Jiamusi and Kashi station between May 21st and Jun 2nd

3.2 環(huán)境參數(shù)時延校正

任務(wù)中，事后模式下，兩測站的環(huán)境參數(shù)采用實(shí)測值進(jìn)行誤差項(xiàng)扣除，圖4為兩站其中一天的環(huán)境參數(shù)情況。

圖4 兩測站環(huán)境參數(shù)在任務(wù)中的變化情況Fig.4 Variety of environmental parameters for two stations

由圖4可以看出，環(huán)境參數(shù)在射電源觀測弧段與航天器觀測弧段相比變化較大，同時，電離層高頻項(xiàng)明顯。

3.3 時延差結(jié)果分析

深空干涉測量系統(tǒng)所得干涉測量結(jié)果參與了中繼星任務(wù)的聯(lián)合定軌。佳木斯－喀什深空站基線與CVN（Chinese VLBI Network）的北京－烏魯木齊基線在構(gòu)型上相似，因此下面將利用5月27日的定軌殘差數(shù)據(jù)對兩基線進(jìn)行比對。

圖5為兩深空站時延殘差測量結(jié)果圖，由圖中可以看出，相同的觀測弧段下，兩條基線的觀測精度相當(dāng)，深空干涉測量系統(tǒng)與標(biāo)稱軌道的偏差在1 ns之內(nèi)，有相同的變化趨勢，但是仍然存在0.4 m的系統(tǒng)差，整個“鵲橋”任務(wù)期間的與標(biāo)稱軌道偏差小于3 ns。任務(wù)中，CVN采用交替觀測模式，深空網(wǎng)采用長時稀疏標(biāo)校模式，上述結(jié)果再次表明測控網(wǎng)稀疏模式標(biāo)校的有效性，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以用于中繼星任務(wù)的聯(lián)合定軌。

圖5 兩基線定軌殘差結(jié)果對比圖Fig.5 Comparison of delay-difference for two similar baseline

4 結(jié) 論

深空網(wǎng)干涉測量技術(shù)已成功應(yīng)用于“嫦娥3號”任務(wù)、再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)、此次又成功應(yīng)用于“鵲橋”中繼星任務(wù)，標(biāo)志著我國測控網(wǎng)干涉測量系統(tǒng)已具備開展高精度干涉測量的能力，隨著后續(xù)南美深空站及納米比亞站的加入，我國測控網(wǎng)的干涉測量能力將進(jìn)一步提升，為我國未來的深空探測任務(wù)提供進(jìn)一步支持。