洪曉瑜，張秀忠，鄭為民，王廣利，劉慶會，王 娜，張洪波，汪 敏，舒逢春

（1.中國科學院 上海天文臺，上海 200030；2.上海市導航定位重點實驗室，上海 200030；3.中國科學院 新疆天文臺，烏魯木齊 830011；4.中國科學院 國家天文臺，北京 100101；5.中國科學院 云南天文臺，昆明 650216）

引 言

甚長基線干涉測量（Very Long Base Interferometry，VLBI）技術是空間分辨率最高的現代天文觀測手段，在天體物理和天體測量的研究有很多重要的成果，同時在對航天器進行精密測量方面也得到了廣泛應用。一個VLBI系統通常由若干個觀測站和一個數據相關處理中心組成，觀測站由大口徑射電望遠鏡、低噪聲接收機、高速數據采集和高穩(wěn)定度原子頻標系統等組成；數據相關處理中心由高速大容量相關處理機和高速數據回放等系統組成，相關處理后的數據提供給用戶進行后續(xù)數據的科學分析研究。VLBI采用獨立本振和數據記錄，使得望遠鏡間的基線長度理論上不受限制，地面的VLBI基線達近萬千米，空間VLBI基線達到了35萬km，極大提高了觀測空間分辨率和測量精度。

在“嫦娥1號”工程[1-3]立項時，當時已有的S頻段統一測控系統（Unified S-Band，USB）主要是針對地球軌道衛(wèi)星設計和建設的[4]，可實現的最遠測控距離約為8萬km?！版隙?號”衛(wèi)星進入繞月軌道后，最遠距離達40萬km，需要實現對軌道衛(wèi)星進行高精度的測定軌。雖然USB有精準的測距和測速能力，但對于40萬km遠的軌道，其測角精度相當于100多km的空間位置誤差，無法滿足工程要求[5]。另外，當時主要的測控設施均在境內，輔以遠洋測控船，并不具備全球跟蹤能力，特別缺乏的是在短弧的高精度測定軌，即在衛(wèi)星過境期間進行高精度測定軌及預報能力。而短弧測定軌必須有角度的測量信息，才能結合距離信息實現對衛(wèi)星空間位置的精準確定。

VLBI天文觀測系統具有非常高的空間角分辨率測量能力，能夠對河外射電源的方位信息實現毫角秒測角精度，但無法獲得空間目標精準的距離信息，不能獨立測定其三維的空間位置[6]。為了實現突破我國測控能力從8～40萬km飛躍，需要在已有設備基礎上進行技術挖潛和創(chuàng)新設計，來實現對40萬km的遠距離測控進而完成探月軌道衛(wèi)星的高精度測軌和定軌等任務。經過充分論證，將具有測距、測速能力的USB系統和具有高精度測角能力的VLBI系統結合起來共同承擔探月任務的測定軌任務。通過USB與VLBI測量數據的融合處理和分析，實現了對探測器在地月轉移段，月球捕獲段的快速定軌和繞月段的高精度定軌等[5]。

1 VLBI技術發(fā)展歷程

VLBI技術是在綜合孔徑射電望遠鏡基礎上，為獲得更高的空間分辨率，需要更長的基線而發(fā)展起來。20世紀60年代，前蘇聯科學院列比捷夫物理研究所的天文學家首次正式發(fā)表關于“獨立本振和磁帶記錄”長基線干涉儀的VLBI概念[7]。獨立本振早期采用銣鐘，隨著技術的發(fā)展，為了提高精度，現在主要采用高精度的氫原子鐘。最初的數據主要是采用磁帶記錄，后來為了提高記錄帶寬，降低成本，采用硬盤記錄，隨著互聯網的發(fā)展，現在也通過光纖實時傳輸觀測數據。

1967年3月，美國和加拿大的射電天文學家分別在18 cm和49 cm波段，采用銣原子鐘作為頻率源，成功進行了VLBI試觀測。由此，開創(chuàng)了射電天文超高分辨率和超高定位精度的VLBI時代[8-9]，VLBI技術經過半個多世紀的發(fā)展，形成了幾個常規(guī)運行地面的VLBI網，也開展了兩個空間VLBI項目，在天文研究領域及深空探測中得到很好的應用。

1.1 國際地面VLBI網

國際上常規(guī)運行的VLBI網主要有：歐洲VLBI網絡（The European VLBI Network，EVN）、美國長基線陣（Very Long Baseline Array，VLBA）、國際測地學和天體測量VLBI網（International VLBI Service for Geodesy and Astrometry，IVS）、東亞VLBI網（East Asian VLBI Network，EAVN）、事件視界望遠鏡（The Event Horizon Telescope，EHT）等。

早在1980年，EVN由歐洲（德國、英國、荷蘭、意大利、瑞典）的5臺大型射電望遠鏡組成，后擴展到歐洲大部分地區(qū)和亞洲的射電望遠鏡網絡，以及在南非和波多黎各的天線，目前共由28個臺站的射電望遠鏡組成，用于對宇宙射電源進行高空間分辨率的觀測，主要從事天體物理研究，工作頻率有1.4、1.7、2.3、5、6、8.3、15、22 GHz，數據記錄速率最高可以達2 Gbit/s。EVN是目前世界上最靈敏的VLBI陣列，也是唯一具有實時天文觀測能力的國際VLBI陣列。我國上海佘山25 m射電望遠鏡和新疆南山25 m射電望遠鏡在20世紀90年度初加入EVN，上海天馬65 m射電望遠鏡和云南昆明40 m射電望遠鏡也在2013年加入EVN。中國的射電望遠鏡對提高EVN在天文觀測和研究中的空間分辨率發(fā)揮了非常重要的作用。

VLBA是在美國各地專門建設的10個口徑25 m的射電望遠鏡組成的網絡，形成了世界上的專用VLBI陣列，主要開展天體物理和天體測量觀測研究，觀測頻率覆蓋0.3～96 GHz，最高數據記錄速率為2 Gbit/s。

IVS由17個國家32個研究機構的望遠鏡和7個數據處理中心組成，主要從事空間大地測量和天體測量研究和業(yè)務活動。上海和烏魯木齊射電望遠鏡是IVS觀測網核心站，上海天文臺還是IVS的一個數據處理中心，開展相關處理、后處理和分析工作。

EAVN是東亞地區(qū)的一個合作項目。目前，由中國、日本和韓國的21個射電望遠鏡組成，可以靈活采用子陣列方式開展特定目標的科學項目。EAVN在22 GHz頻率上可以獲得的最高分辨率為0.5 mas，可對活動星系核中的噴流進行精細成像，對脈澤和脈沖星進行高精度的天體測量。

EHT是近幾年發(fā)展起來的一個國際合作項目，已經形成并繼續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，提高了VLBI在短波長的能力，以追求最高分辨率的目標。EHT由國際上8臺具有亞毫米波觀測能力的射電望遠鏡組成，觀測頻率是230 GHz和345 GHz，數據速率為16 Gbit/s。EHT致力于測量活動星系核發(fā)射區(qū)域的兩個超大質量黑洞最大表觀視界銀河系的中心SgrA *和一個星系M87中心，并已在M87黑洞觀測研究中發(fā)揮了巨大作用。

1.2 空間VLBI項目

VSOP[10]是由日本的空間和航天科學研究所牽頭，與日本國家天文臺合作的項目。VSOP衛(wèi)星于1997年2月12日在鹿兒島航天中心新型ISAS MV火箭上成功發(fā)射。衛(wèi)星在成功發(fā)射后更名為通信與天文高級實驗室（HALCA），于1997年2月27日和28日成功地在軌道上部署了直徑為8 m的射電望遠鏡。HALCA是地球橢圓軌道衛(wèi)星，赤道傾角31°，遠地點高度2.1萬km，近地點高度560 km，繞地周期6.3 h，衛(wèi)星上的天線與地面上的天線組成的最長基線可達地球上可觀測基線長度的3倍，設置的觀測波段有1.6 GHz（18 cm）、5 GHz（6 cm）和22 GHz（1.3 cm）。由于22 GHz的接收機出現了故障，系統噪聲溫度太高，無法用于天文研究。實際的觀測頻率只有1.6 GHz和5 GHz，分辨率也無法達到HALCA最初的預期。設計壽命是3年，但實際工作到2003年10月，最后由于無法控制衛(wèi)星指向，失去了天文觀測能力。

RadioAstron[11]是由俄羅斯位于莫斯科的列別捷夫物理研究所的Astro航天中心領導的國際空間VLBI項目。俄羅斯2011年7月18日在Baykonur發(fā)射了衛(wèi)星（Spektr-R），攜帶著一個直徑為10 m的射電望遠鏡，繞著地球作橢圓軌道運動，軌道傾角51°，近地點7 000～80 000 km，遠地點27～37萬km，軌道周期8～9 d。RadioAstron的觀測頻率300 MHz（92 cm）、1.6 GHz（18 cm）、5 GHz（6.2 cm）和22 GHz（1.19～1.63 cm），RadioAstron用于空間VLBI在22 GHz上的最長基線分辨率是7 μas。RadioAstron的預計壽命是5年，由于其良好的性能，持續(xù)運轉到2019年才結束。上海和烏魯木齊射電望遠鏡參加了VSOP和Radioastron的VLBI的大量觀測，對其科學目標的實現發(fā)揮了重要作用。

1.3 VLBI技術在天文研究領域的應用

VLBI觀測的對象為宇宙中具有射電波段輻射的自然天體（如類星體、射電星系和脈沖星等）。在VLBI觀測時，各觀測站的天線同時跟蹤同一目標，將接收到的信號記錄在磁盤上，然后送到VLBI數據處理中心，再進行數據回放和互相關計算，獲得該VLBI系統各條基線的干涉條紋，進而計算得到VLBI觀測值，即干涉條紋的幅度和相位、射電源輻射的電磁波的同一波前到達基線兩端的時間差（簡稱時延）及其變化率（簡稱時延率）等。干涉條紋的幅度和相位提供有關射電源亮度分布的信息，可以開展天體物理領域的研究，如：活動星系核致密結構及其偏振成像[12-14]、黑洞周邊輻射區(qū)的直接成像（如第一張黑洞圖像）[15]、銀河系脈澤源和河外星系超脈澤源[16-18]等等。VLBI時延和時延率提供有關基線矢量（長度和方向）和射電源位置（赤經和赤緯）的信息，可以開展測地學和天體測量研究，如：天球參考架[19-20]和地球自轉變化（△UT1）[21-23]等研究。VLBI在天體物理和天體測量領域的研究，對實時性沒有要求，有時科學家在觀測后數月才能獲得相關處理后的干涉數據進行科學研究。

1.4 VLBI技術在深空探測器中的應用

由于VLBI技術具有很高的測角精度，自20世紀70年代起，也逐步應用到深空探測領域中。在美國的“阿波羅”登月計劃中，運用同波束VLBI技術確定了月球車相對于登月艙的運動軌跡，其橫向位置測量精度達到了數米[24]；在20世紀80年代美國和前蘇聯分別實施的金星大氣風速測量中，均使用了VLBI技術，風速測量精度達到了幾十cm/s[25]；2011年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）成功發(fā)射的“好奇號”（Curiosity）火星車，利用測速測距和△DOR數據，在2億km遠的火星捕獲段，其約束能力達到400 m左右，實現了火星探測器高精度的測定軌精度[26]。日本的“月亮女神”探測器（SELenological and ENgineering Explorer，SELENE）項目中，利用多頻點同波束VLBI技術獲得了對Rstar和Vstar兩個小探測器的皮秒量級的差分相時延數據與測速數據相結合，得到10 m左右的測定軌精度，并改進了月球重力場模型[27]。

中國科學院上海天文臺自20世紀90年代起，也開始了VLBI應用于深空探測的研究，并多次參加了國際合作的深空探測VLBI觀測，如：美國“火星環(huán)球勘測號”（Mars Global Surveyor，MGS）入軌段的VLBI測量；中－俄合作火星和金星雷達回波的VLBI測量；歐洲航天局（European Space Agency，ESA）“惠更斯”（Huygens）探測器與“卡西尼”（Cassini）宇宙飛船分離后飛向“土衛(wèi)6”過程的VLBI測量等，這些觀測主要是采用事后處理模式。

2 VLBI測軌的關鍵技術

我國探月工程VLBI測軌與傳統的VLBI天文觀測研究不同，對測量結果的實時性、可靠性和穩(wěn)定性，以及測量精度方面有明確的要求，而且觀測和數據處理模式也有很大的不同。因此需要建立一個滿足航天工程需求的實時VLBI測量系統。

測軌分系統由上海、北京、昆明、烏魯木齊等4個VLBI測控站組成，分系統的工作流程如圖1所示。VLBI分系統接受北京指揮控制中心的指揮（簡稱“北京中心”）和調度，VLBI中心安排臺站觀測、數據實時傳輸、數據實時處理。

圖1 VLBI測軌分系統工作流程Fig.1 The working process of track subsystem of VLBI

VLBI中心的數據處理流程，主要包括數據的接收和回放、互相關計算、時延和時延率計算、誤差修正，以及衛(wèi)星軌道參數計算和衛(wèi)星赤經和赤緯計算等，如圖2所示。

VLBI系統任務特點：①可靠性要求高，有連續(xù)跟蹤測軌的能力；②實時性要求高，“嫦娥1號”任務要求在準實時工作模式時，從接收到數據，隨后進行各項數據處理，到最后送出測量結果的全部時間不超過10 min；③距離近、軌道變化多，目標的角速度大且變化快。因此在執(zhí)行任務前需要解決一些關鍵技術，以確保任務的順利實施。

圖2 VLBI中心的數據處理流程Fig.2 Data processing flow of VLBI center

2.1 實時VLBI技術（e-VLBI）

隨著高性能計算機與高速網絡通信等技術的不斷發(fā)展，電子化VLBI（e-VLBI）技術也得到不斷的發(fā)展，VLBI觀測數據通過網絡傳輸到數據處理中心進行實時處理，這使得VLBI技術在航天工程的實時應用成為可能。

為滿足探月工程實時VLBI測量要求，首先需要建立臺站端和數據中心端都具備實時e-VLBI能力。臺站VLBI數據終端的作用是將射電望遠鏡接收機輸出的中頻信號轉換為基帶信號，并由數據采集設備按照固定格式進行傳輸。數據中心端是接收到網絡傳輸來的數據流進行本地存儲并復制轉發(fā)到后續(xù)的軟件和硬件相關處理機。

自主開發(fā)VLBI系統數據收發(fā)系統和相關軟件，實現了控制采集4個觀測站的VLBI原始觀測數據并通過網絡實時傳送至VLBI數據處理中心，然后發(fā)給軟硬件處理機進行相關處理。在“嫦娥1號”任務實時性指標要求為10 min，4個VLBI測站的觀測數據通過光纜，以16 Mbps傳送到VLBI中心后，傳輸時間僅用15 s。為了確?？煽啃?，每個臺站都使用兩路獨立的光纜傳輸數據，互為備份。

從探月工程二期“嫦娥3號”任務開始，VLBI系統實時性指標提升至1 min。為此進行了全新研發(fā)和系統建設，傳輸時間僅用1 s，并且具備了冗余保護能力，實現不間斷的數據流。該系統也在“嫦娥5號”飛行試驗器和“嫦娥4號”任務中表現優(yōu)異。在“嫦娥3號”和“嫦娥4號”任務中，數據的傳輸速率也分別提高到64 Mpbs和128 Mpbs。數據傳輸速率的提高，不僅能夠更好地傳輸衛(wèi)星信號數據，還可以采用更寬帶寬觀測校準射電源，以提高觀測精度。

2.2 差分測距技術ΔDOR

VLBI觀測探測器發(fā)送的寬帶信號或多頻點信號采用ΔDOR[28]（Delta-differential One-Way Ranging）帶寬綜合技術，得到高精度時延觀測量，并通過與射電源交替觀測修正設備及傳播介質誤差。相對于窄帶測量技術，因為ΔDOR有更寬的信號帶寬可以實現更高的測量精度，目前成為航天領域廣泛采用的測量技術。

對于X波段觀測，現在常用的為在下行的載波信號上用不同頻率的兩個正弦波信號調制產生兩對DOR信號，它們與載波的頻率間隔為 ± 3.8 MHz和± 19.2 MHz，所以DOR信號的最大頻率間距為38.4 MHz。

對于S波段觀測，在下行的載波信號上用不同頻率（2 235 MHz和2 245 MHz）的兩個正弦波信號調制產生兩對DOR信號，左右兩個側音與載波的頻率間隔為± 3.7 MHz。DOR信號的最大頻率間距為7.4 MHz，實現中繼星S波段ΔDOR技術相對于X波段ΔDOR需要解決3個方面的問題：S波段測站環(huán)境干擾信號抑制、S波段電離層測量誤差修正技術、S波段ΔDOR算法實現，重點是模糊度消除。

在實時模式工作時，要求探測器觀測完成后最快在1 min內提供?DOR觀測結果，只能由外推方法得到探測器時延的修正值。所謂修正就是通過射電源觀測得到臺站設備系統誤差、臺站氫鐘鐘差、電離層和中性大氣對時延值的綜合影響，然后在探測器的時延觀測量中扣除。經過這些修正后，就大大減小了探測器時延觀測量中的系統誤差；同時，還利用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）和水汽輻射計等來改正大氣和電離層延遲。至此，經過系統誤差修正后的探測器時延觀測量，可以獲得更高精度的探測器和軌道位置。

2.3 同波束技術

對于多個探測器測定軌，當他們空間的角距離較近時，信號可以同時被地面每個VLBI測站同時接收時，更適用的同波束VLBI技術。同波束VLBI技術可以同時得到兩個探測器信號的相關相位，并通過探測器間差分，消除電離層、中性大氣及觀測裝置的絕大部分影響，最終得到超高精度的差分相時延數據。差分相時延數據能準確反映2個探測器相對位置及其變化，可同時提高2個探測器的絕對和相對定軌定位精度。

在“嫦娥3號”實時任務期間，采用同波束VLBI技術，求取月球車和著陸器間的差分群時延，獲得了100 m的相對定位精度。在事后處理階段，采用1 h左右的月球車和著陸器間的隨機誤差1 ps的差分相時延數據[29]，并在定位時對整周模糊度進行解算，將月球車的相對定位精度提高至1 m左右，并以數厘米的靈敏度監(jiān)測出月球車的移動轉彎等動作，利用相位參考成圖方法，同樣把月球車的相對定位精度提高至1 m左右[30]。

2.4 寬帶VLBI數字基帶轉換器技術

VLBI數據記錄是系統非常重要的專用設備，由基帶轉換器（Base Band Converter，BBC）和記錄介質（磁帶或硬盤）組成。對于固有的射電望遠鏡，其提高的靈敏度往往是通過增加觀測帶寬以及增加積分時間來實現，而增加帶寬需要更高的數據記錄速率。基帶轉換器傳統上使用的是模擬的基帶轉換器，通過分立單元，從寬帶中頻信號提取所需的窄帶信號，轉移到基頻。

VLBI測軌分系統成功應用于“嫦娥1號”任務后，2007年開始自主研發(fā)VLBI數字終端，2009年成功研制第一代VLBI數字終端，CDAS[31]（Chinese VLBI Data Acquisition System），并配備在VLBI測軌分系統的4個臺站，從“嫦娥2號”開始應用VLBI數據采集工作。2017年成功研制了第二代VLBI數字終端（CDAS2-D），其數字終端基于模數轉換器 (Analog-to-Digital Converter，ADC）+現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）構架，由信號處理、頻率綜合、信號采樣、數字信號處理和總控制器等幾個部分組成，減小了體積，提高了設備的集成度和自動化程度，CDAS2-D在數據記錄、通道時延和量化模式上，有了新的突破。在對“嫦娥4號”中繼星和探測器進行VLBI實時測定軌任務中，CDAS2-D具備采集、記錄、傳輸一體化和多比特量化功能，提升了性能，替代了進口的Mark5B終端，極大地提高了VLBI測站的系統可靠性。

3 VLBI測軌在探月工程中的應用

3.1 VLBI測站設備

VLBI測站的基本設備包括：大口徑射電天線、S/X雙頻致冷低噪聲接收機、VLBI高速數據采集系統（終端和數據記錄）、高穩(wěn)定度氫原子鐘及時間和頻率比對系統等，設備組成框圖如圖3所示。

圖3 VLBI臺站設備組成框圖Fig.3 Block diagram of station equipment

大型射電天線是用于射電天文研究和深空探測最重要的關鍵設備。天線的總體指標為天線系統靈敏度和系統噪聲溫度，分項關鍵指標包括天線的口徑、效率、工作波段、指向精度、跟蹤速度、面形精度等。系統噪聲溫度主要包含天空大氣輻射噪聲、天線、饋源、接收機的噪聲貢獻，以及地面輻射泄漏噪聲。天線的口徑越大，收集信號的面積就越大，對系統靈敏度的貢獻也就越大。工作波段即天線能夠接收的頻率范圍，在探月工程中，主要采用的是S（2.2 GHz）和X（8.4 GHz）波段，今后將會向更高頻率的Ka（32 GHz）波段發(fā)展。天線的指向精度與天線的波束寬度有關，一般要求指向精度好于1/10波束寬度。天線的面形精度與天線的工作頻率和天線效率直接相關，面形精度越高，天線能夠工作的頻率就越高，天線效率也相應提高，一般要求面形精度好于工作波長1/20。

VLBI測軌分系統5臺大型射電望遠鏡分別是1987年建成的佘山25 m射電望遠鏡、1993年建成的烏魯木齊25 m射電望遠鏡、2006年建成的北京密云50 m射電望遠鏡和昆明40 m射電望遠鏡，以及2012年建成的上海天馬65 m望遠鏡。它們在S和X波段上的系統靈敏度和系統噪聲溫度如表1所示。

表1 VLBI測軌分系統臺站的系統靈敏度和系統噪聲溫度Table 1 The sensitivities and the system temperatures of the 5 stations of VLBI tracking system

高靈敏度致冷接收機是VLBI觀測研究的關鍵設備，主要用于接收月球探測器信標和標校天體射電源信號，并將其低噪聲放大和鎖相變頻到適合VLBI數字終端接口電平要求的中頻信號。致冷接收機的低噪聲放大器等核心前級器件工作在15 K溫度環(huán)境中（約?258 ℃），等效噪聲溫度相對比傳統常溫設備降低一個量級，大幅度提升了接收靈敏度。在“嫦娥1號”工程中，VLBI測軌分系統為在4個測站配備了新的國產S/X雙頻致冷接收機，并在后續(xù)任務中進行升級。自主研發(fā)的S/X致冷接收機采用了雙頻饋源網絡、致冷極化器、HEMT（High Electron Mobility Transistor）致冷低噪聲放大器、超導濾波器等核心技術，實現了S/X雙頻信號的同時同目標高靈敏度接收。

VLBI臺站采用的獨立本振信號，由氫原子鐘提供，為采集和接收數據提供高穩(wěn)定度的頻率基準信號，其頻率穩(wěn)定度將直接影響觀測的靈敏度和測量精度。而各臺站之間的時間頻率信號同步性能也直接由氫原子鐘的性能決定。上海天文臺自20世紀70年代開始研制氫原子鐘，其研制的SOHM-3型氫原子鐘自1994年開始就配置于我國VLBI網，2010年在北京密云測站、云南昆明測站、新疆烏魯木齊測站和上海佘山測站安裝了升級的SOHM-4型氫原子鐘，圓滿完成了探月工程的觀測任務。目前新型的SOHM-4A型氫原子鐘于2020年開始安裝在VLBI測站，正在參加火星探測任務，并將參與在2020年年底發(fā)射的“嫦娥5號”采樣返回任務。VLBI測軌分系統所用的各型號氫原子鐘典型性能指標對比如表2所示。新型SOHM-4A型氫鐘無論是電性能指標還是可靠性指標，較探月前期使用的SOHM-4型氫鐘都有了顯著提高，天穩(wěn)定度由7 ×10?15提高到2 × 10?15，平均無故障時間（Mean Time Between Failure，MTBF）由5 000 h提高到1萬h以上。

表2 上海天文臺各型號氫原子鐘典型性能指標對比Table 2 Comparison of typical performance indexes of each type of hydrogen maser of Shanghai Astronomical Observatory

3.2 VLBI數據實時處理系統

VLBI系統數據收發(fā)系統和相關軟件實現了控制采集4個觀測站的VLBI原始觀測數據并通過網絡實時傳送至VLBI數據處理中心。

VLBI數據處理中心由通信接口、相關處理機（包括硬件相關和軟件相關）、相關后處理、誤差修正、角度計算、軌道計算、觀測綱要計算和系統狀態(tài)監(jiān)測、管理等部分組成。為了保證可靠性和穩(wěn)定性，所有軟件將在主備互為熱備份的硬件系統上運行以增強系統可靠性。VLBI中心除設備機房外，還有指揮控制大廳，用于對分系統的狀態(tài)監(jiān)測和指揮調度，VLBI中心具有接受北京中心的調度指揮和與北京中心的數據通信功能，VLBI中心功能如圖4所示。

圖4 VLBI中心數據處理流程框架Fig.4 The data processing process framework in Shanghai VLBI center

3.2.1 數據相關處理

相關處理機系統是VLBI數據處理系統的核心設備，具有數據及計算密集的特點。為了滿足對探月工程對實時性、可靠性高要求。為此，分別采用了大規(guī)模FPGA技術和先進的軟件相關處理技術，研制了互為備份的硬件處理機和軟件處理機。自行設計的小型相關處理機結構，顯著減少了各部件間的數據傳送量。具有獨特的全通道相位校正信號提取、衛(wèi)星條紋快速自動搜索與模型擬合功能。

硬件處理機采用先進的大規(guī)模FPGA技術，臺站數據回放接口（PlayBack Interface，PBI）和快速傅里葉算法（Fast Fourier Transform，FFT）組成測控站電子學部件。交叉相乘部件（Multiply ACcumulate，MAC）和長期累加部件（Long Term Accumulate，LTA）組成基線電子學部件。臺站電子學部件和基線電子學部件在主控制單元控制下工作，主控制單元控制由硬件電路和實時控制計算機及相應的控制軟件組成；基線電子學部件和主控制單元可控制和容納多個臺站的站電子學部件。系統在MAC部件中設置實時條紋搜索部件和相位校正信號提取器，實時地進行條紋搜索和提取相位校正信號。

軟件處理機系統采用CPU+GPU混合結構的高性能計算集群及高速硬盤陣列構成，基于實時并行計算技術，獲得實時性、可靠性和高性價比。軟件處理機平臺采用Linux操作系統。集群系統內計算單元采用40 Gb高速InfiniBand和萬兆以太網互聯，確保內部高速數據和信息的實時傳遞。件相關處理機為專門編制的VLBI信號處理軟件，采用數據驅動、多線程技術、消息傳遞技術等多種方法提高計算速度和實時性。當探測器預報時延模型精度不夠時，軟件處理機系統可通過特殊的條紋搜索功能，現場實時自主重構高精度時延模型，引導處理機完成探測器信號相關處理，這一功能在確保探測器軌道機動前后的實時測量及快速定軌方面發(fā)揮了十分重要的作用。軟件處理機還具備支持探測器VLBI高精度相位參考成圖定位功能。

軟件和硬件相關處理機均采用FX型結構，具備數據實時接收、解碼、相關處理、相位校正信號提取、實時監(jiān)視等功能。

同時，根據歷次工程型號中的新要求，相關處理機也得到了不斷的發(fā)展?，F有處理機可同時完成中國VLBI測控網每站128 Mbps數據實時處理。為適應后續(xù)月球與行星探測工程與科研需求，相關處理機將會向著多任務、多目標子網、空間VLBI及其多功能等方向發(fā)展。

3.2.2 數據相關后處理

相關后處理對相關處理輸出的條紋數據進行條紋擬合，計算得到探測器的VLBI時延和時延率測量值。利用差分射電源觀測處理結果修正測量系統設備誤差和鐘差，并進行中性大氣和電離層誤差改正，最后將處理結果分別送測角計算和軌道計算數據處理系統。

在“嫦娥1號”和“嫦娥2號”任務中，VLBI測軌分系統采用S波段窄帶單通道信號進行測定軌。在“嫦娥2號”進行了ΔDOR 實驗，信號處理中采用射電源觀測的殘余時延對衛(wèi)星觀測的殘余時延進行修正，然后與衛(wèi)星相關處理模型時延相加得到觀測總時延。

在“嫦娥3號”和“嫦娥4號”探測器的VLBI測軌中實現了利用X波段ΔDOR多信號綜合處理的測定軌能力。VLBI測軌系統建立了具有自己鮮明特色的測量與數據處理系統，所有算法與軟件都立足于自主研發(fā)，整個系統具有雙路熱備運行能力，即可以滿足實時性運行需求，也具備事后處理能力。滿足了更快的實時性和更高的測量精度的需求?！版隙?號”VLBI測軌中首次自主研制了并使用了S波段ΔDOR測量技術應用于其中繼星的測定軌任務，并根據任務實際需求，實現了VLBI系統分時快速轉換觀測“嫦娥4號”中繼星和探測器。

3.2.3 誤差修正

中性大氣和電離層延遲是VLBI技術定軌的主要誤差源。需要建立中性大氣和電離層模型，實現傳播介質誤差的實時計算。經過多次任務的不斷深入研究和不斷優(yōu)化，目前采用基于全球衛(wèi)星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）反演的電離層延遲修正方法，取得了較好的修正效果。針對探月工程高精度需求，在中國區(qū)域加密更多測站，構建了新的全球電離層精修正模型（ShangHai Astronomical Observatory-Total Electric Contents，SHAO-TEC）。與歐洲定軌中心發(fā)布的全球電離層修正模型（Center for Orbit Determination in Europe-Total Electric Contents，CODE-TEC）相比，在電離層平穩(wěn)期，采用兩種模型計算的VLBI測站上電離層時延RMSE最大值為1.3 ns；當電離層處于活躍期時，基于SHAO-TEC模型的VLBI定軌殘差相比CODE-TEC模型在S波段提高了2～3 ns，大大提高了測量精度。

3.2.4 多種測量數據綜合定軌技術

從“嫦娥1號”到“嫦娥4號”任務，我國月球探測器就使用地基測距測速和VLBI聯合測軌模式，實現對月球探測器的精密測定軌。VLBI測軌分系統參與測定軌的計算，是探月工程三個測定軌中心之一。針對國內深空探測精密定軌軟件的空白，自主研發(fā)了月球探測器精密定軌軟件，該軟件已經成功應用于“嫦娥3號”探測器的精密定軌和月面目標定位工作中，以及后續(xù)月球和行星探測任務。

“嫦娥3號”是我國首個月球軟著陸探測器，新增動力落月段和月面工作段的測定軌定位工作，這也是工程任務實現的關鍵階段。針對該任務新增技術要求，提出了運動學統計定軌定位方法，可以提高動力落月段和著陸器巡視器的定軌定位精度。綜合分析落月軌跡確定精度優(yōu)于100 m，著陸器定位結果和月球勘測軌道飛行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）圖像數據差異小于50 m，差分群時延數據巡視器相對定位精度在百米量級，而利用高精度的差分相時延數據，結合一定的數據處理策略，得到精度在米級的著陸器和巡視器相對定位結果。

VLBI測量數據在月球探測的各個階段軌道計算和預報均能發(fā)揮重要作用，可以提高探測器的定軌定位精度，特別是對控后短弧定軌精度貢獻尤其顯著。

3.2.5 赤經和赤緯計算及單點定位

測角歸算是通過誤差修正的衛(wèi)星VLBI觀測量（時延和時延率），以一定的歷元間隔序貫完成理論值計算和參數偏導計算、觀測量內插、誤差方程生成與求解、參數迭代，歸算衛(wèi)星在地心平赤道坐標系中的角位置（赤經、赤緯），并以適當形式實時顯示觀測量和測角歸算結果。

基于VLBI的時延、時延率以及測距測速數據，開發(fā)了高精度衛(wèi)星的實時單點定位和準實時聯合統計定位。實時單點定位不受力學約束能夠快速準確給出衛(wèi)星的三維位置信息。在特殊的軌道階段，如衛(wèi)星變軌和近月捕獲制動等特殊階段，實時快速給出6個瞬時軌道根數，為工程提供重要參考。

3.3 VLBI技術的應用

3.3.1 “嫦娥1號”測定軌

在“嫦娥1號”探測器VLBI測軌任務中，采用S波段，分別在調相軌道段、地月轉移軌道段、月捕獲軌道段、環(huán)月運行軌道段等進行單通道信號測定軌。VLBI測軌分系統在兩站及以上共視、仰角大于10°，距離大于2萬km時實施跟蹤觀測；向北京中心提供衛(wèi)星VLBI觀測的時延、時延率、衛(wèi)星角位置；在準實時觀測階段，提供數據相對于實際測量的滯后時間小于10 min。VLBI測軌分系統參加定軌工作，在每一次跟蹤弧段結束后30 min內向北京中心提供定軌后的軌道根數和關鍵點預報；在每一測量弧段結束后3 h內完成該弧段所有測軌數據的精修正，并送往北京中心。

VLBI測軌數據的精度實際最高可達到時延誤差5.0 ns，時延率誤差1.0 ps/s，測角誤差赤經0.05～0.36 mas，赤緯0.07～0.20 mas，優(yōu)于任務要求指標。在實時性方面，實際做到滯后時間為好于6 min。同時利用VLBI觀測數據與測距、測速數據進行綜合定軌（包括實時定軌和事后3 h精密定軌任務），定軌精度顯著高于用USB測距測速數據單獨定軌的精度，特別是關鍵變軌的短弧定軌精度有數量級的提高。

3.3.2 “嫦娥2號”測定軌

“嫦娥2號”VLBI測軌任務采用S波段單通道信號測定軌，同時開展X波段ΔDOR多信號綜合處理的測定軌實驗。聯合USB和VLBI測軌數據進行軌道確定。圓滿完成了控前6 h，控前3 h、控后1 h、控后3 h定軌以及每天的常規(guī)定軌任務，定軌結果和北京中心以及西安衛(wèi)星測控中心符合良好，為衛(wèi)星各個階段的軌控提供了重要參考依據。特別在第一次軌道修正，近月制動和100 × 15 km弧段的測定軌工作中發(fā)揮了重要作用，測量精度優(yōu)于任務指標要求，保證了任務的順利進行[32]。VLBI測軌數據的精度滿足任務要求，比“嫦娥1號”有所提高。

VLBI測軌分系統于2012年12月初參加了“嫦娥2號”飛越700萬km圖塔蒂斯（Toutatis）小行星測定軌工作，進行了連續(xù)跟蹤觀測1周，每次觀測弧長8 h。聯合USA和VLBI數據進行綜合定軌，軌道精度穩(wěn)定在10 km以內。

3.3.3 “嫦娥3號”測定軌

VLBI測軌分系統在“嫦娥3號”任務中首次采用X波段ΔDOR技術精確測定探測器的軌道和位置。在可見弧段VLBI進行跟蹤測量，地月轉移段和環(huán)月段利用探測器的DOR（單向差分測距）信號進行ΔDOR測量，用于“嫦娥3號”軌道確定和預報，時延測量精度要求為4 ns，數據滯后時間為1 min。綜合VLBI、測距、測速數據，完成“嫦娥3號”各軌道段測定軌和預報；落月初期，對著陸器進行ΔDOR 測量，并進行月面定位；落月后利用著陸器和巡視器的下行信號進行同波束測量，用于著陸器和巡視器的相對定位；對著陸器定位精度為1 km，對“玉兔號”巡視器進行相對定位，精度為500 m。

為完成“嫦娥3號”高精度和1 min實時任務，上海天馬站65 m射電望遠鏡參加了測軌，工作模式包括實時和事后兩種工作模式。實時模式時，各觀測站的數據經通訊網絡實時送往VLBI中心進行數據處理；事后模式時，各測站先將數據記錄在磁盤上，然后送VLBI中心。

從2014年12月2—26日，VLBI的高精度測量數據和定軌結果，極大地支持了“嫦娥3號”探測器兩次中途修正、近月制動、環(huán)月降軌、動力下降和月面軟著陸等關鍵測控事件的實時觀測。VLBI使用了新型△DOR測量技術，通過交替觀測探測器及其附近的射電源，修正系統誤差。

綜合利用VLBI+雙程和三向測距（速）數據向北京中心提供控前6 h，控前3 h和控后30 min的定軌結果，實現了著陸器動力落月段軌跡的實時監(jiān)視。利用運動學統計定軌定位方法，綜合分析落月軌跡確定精度優(yōu)于100 m[33]。

針對“嫦娥3號”月球車和著陸器的實際信號，提出了利用同波束VLBI技術解算含微小系統差的差分相時延并進行月球車相對定位的方法。在“嫦娥3號”中，利用著陸器和月球車的同波束VLBI數據，把月球車的相對定位精度提高至1 m，并以厘米級的靈敏度監(jiān)測出月球車的移動、轉彎等動作[29-30]。

3.3.4 “嫦娥4號”測定軌

國際上首次實現S波段ΔDOR對中繼星測軌。針對地面測站S波段電磁干擾強、電離層影響大等難題，創(chuàng)新發(fā)展了模糊度消除技術，采用測站信號濾波技術，優(yōu)化了電離層高精度快速預報模型，實現了時延測量精度優(yōu)于2 ns、時延率測量精度優(yōu)于1ps/s。首次實現了在地月拉格朗日L2點Halo軌道S波段的精密定軌預報。針對Halo軌道動力學約束弱、軌道參數相關性強等難題，采用多種類型數據融合、測量系統誤差參數約束等技術，實現中繼星定軌預報24 h的位置和速度精度（1σ）分別為1.8 km和17 mm/s。針對地面測軌資源有限，不能對中繼星和探測器同時觀測的難題，采用兩個目標S/X頻段的頻率快速轉換、測量設備快速配置和目標快速跟蹤等技術，實現了轉換時間小于30 min，實現了VLBI系統分時快速轉換觀測。

VLBI測軌分系統綜合利用了VLBI測量結果、測距測速數據實現對中繼星和探測器各可見飛行段的定軌定位和軌道預報。利用S波段ΔDOR技術開展中繼星測軌工作，時延、時延率總體平均精度0.4 ns、0.1 ps/s，定軌后殘差0.8 ns、0.7 ps/s。利用X波段ΔDOR技術開展探測器測軌工作，時延、時延率總體平均精度0.2 ns、0.1 ps/s，定軌后殘差0.7 ns、0.5 ps/s。

3.3.5 “嫦娥5號”實驗飛行器測定軌

“嫦娥5號”實驗飛行器對VLBI測軌分系統完成對試驗器地月轉移軌道段、月球近旁轉向段和月地轉移軌道段的干涉測量任務；完成對試驗器地月轉移軌道段、月球近旁轉向段和月地轉移軌道段的軌道確定和預報。

VLBI測軌分系統首次在實時任務期間利用試驗器X波段VLBI測量信標通過帶寬綜合處理提供高精度時延觀測量，利用完全自主研制的定軌軟件圓滿完成了對試驗器不同測控弧段的測定軌任務要求，成功完成了對“嫦娥5號”試驗器艙器分離點的準確預報任務。針對本次任務存在頻繁軌道機動，條紋搜索處理全程實時工作，滿足了對相關處理時延模型的需求。整個處理過程實時性大部分在1 min之內。經過定軌后的綜合評估時延系統測量精度好于2 ns，滿足任務要求。

4 結束語

本文主要介紹了VLBI技術的研究進展及其涉及的關鍵技術，VLBI技術在我國探月工程項目中圓滿完成了“嫦娥1號”“嫦娥2號”“嫦娥3號”“嫦娥4號”探測器以及“嫦娥5號”試驗飛行器的測軌和定位任務，測量精度不斷提高。從“嫦娥1號”～“嫦娥4號”VLBI測量精度提高了一個量級，實時性也提高了一個量級，為后續(xù)的月球及行星探測奠定了堅實的基礎。

目前VLBI測控分系統正在執(zhí)行“天問1號”的測定軌，并將執(zhí)行“嫦娥5號”的VLBI測定軌。VLBI測軌分系統將通過不斷的技術創(chuàng)新，在測控系統支持下，發(fā)展新的測量手段，持續(xù)改進測量系統軟硬件性能指標，增強測量網配置，滿足多任務需求，提升系統服務能力。將充分利用我國國土遼闊的優(yōu)勢，在西藏日喀則地區(qū)和吉林長白山地區(qū)建造兩臺新的射電望遠鏡，使VLBI測軌分系統具有6個觀測臺站，不僅構型更為優(yōu)化，基線增長，測量精度高，可以同時跟蹤不同天區(qū)的兩個探測器，繼續(xù)在我國的月球與深空探測后續(xù)任務中發(fā)揮重要的作用。