深空导航高精度差分干涉测量技术研究

深空导航高精度差分干涉测量技术研究赵成斌,侯孝民2,姜坤(1.装备指挥技术学院研究生管理大队,北京101416;2.装备指挥技术学院光电装备系,北京101416)摘要:介绍了两种目前在深空航天器导航中广泛应用的高精度干涉差分测量技术一差分干涉单向距离测量(△DOR)和同波東干涉(SB1)技术。从基本原理、观测方式和应用现状等方面比较分析了两种技术。详述了△DOR和SBl的相位整周解模糊和相关处理两个关键技术。系统地分析了误差来源,从共同误差因素和特有误差因素两个方面进行了分析总结。关键词:△DOR;SBI;相位整周模糊;相关处理;误差分析中图分类号:V43文献标志码:A文章编号:1008-9268(2011)02-0019-060引言设目标航天器至观测站1和2的单向距离为l和l2,参考射电源至观测站1和2的单向距离近年来,为了争夺太空资源,世界各国纷纷将为l4和l,观测站1和2的钟差为△r,大气引起光聚焦在太空中的星体上,深空航天器担负起目标航天器、射电源至观测站1和2的信号传输时探索星体的任务。深空航天器的定位和定轨,主要延差分别为A,-、4r~,观测站1和2接收设有测距测速和测角三种手段。甚长基线干涉测量备观测目标航天器和射电源的时延差为4xm( Very Long Baseline Interferometry,vLBn)以其x,光速为c高精度测角能力被广泛采用。随着技术的发展,VLBI技术衍生出多种更高精度的测量技术。差分干涉单向距离测量( Delta Differential One-WayRange,△DOR)和同波束干涉( Same Beam Inter射电源航天器ferometry,SB技术就是其中的典型代表1△DOR测量技术由于VLBI受电离层延迟、对流层延迟、时钟偏差和站址偏差等误差因素的影响测量精度受到定的限制,因此,美国航天局(NASA)喷气推进观测相关处理机实验室(JPL)提出了△DOR的应用形式,这是VL基线BB在深空航天器导航的一个典型应用。如图1所示,△DOR是以航天器信号到达两观测站的距离差与参考射电源信号到达两观测站的距离之差图1△DoR测量原理图作为观测量的,这可以大大消除观测站位置误差、接收设备时延误差、站同步误差和大气、电离层造令M,=l-l为射电源至两观测站的单向成的误差,从而得到较高的导航精度距离差值,A,=l4-l4为目标航天器至两观测站收稿日期:201101-06联系人:赵成嫁Emailup200804@163.com的单向距离差值,射电源至观测站1和2的时延差波段信号,精度达到了5nrad,在2005年的可表示为MRO任务中,使用Ka波段信号,精度达到了24r.+4(1)arad,目前,国际正在进行△DOR标准的制定工作,以实现各国更好的合作目标航天器至观测站1和2的时延差可表示为2SBI测量技术+△r+△r,n+△(2)SBl测量技术也是VLBI技术的一种衍生技术,与目前深空探测中普遍采用的△DOR技术式(1)与式(2)相减,得相似。如图2所示,当两个航天器角度非常接近4,-41+4时,可以在天线同一波束内进行测量。使用两个观Ar, inut-4ry(3)测站天线对两个航天器同时观测,地面每副天线可实际测量时,选择的参考射电源尽量靠近目标以同时捕获2个航天器的下行信号。观测值由测航天器,则大气相关性较好,另根据测量设备一致量飞行器射频载波信号的相位得到数据处理过程性设计,有4r≈44、△rm≈4rm是:首先进行不同观测站之间的相位差分,然后是在此条件下,由式(3)可得飞行器之间相位差分,经过实时双差分处理,可得到二次差分相位△2g,用式(6)表示。根据△p可以得到两个航天器之间的相对距离及其变化信息。即由于它能够精确确定两个航天器在天平面内的相M-△4=(△ra)·c(5)对位置信息,可以作为对视向测距、测速信息的重式(5)为△DOR测量基本方程,式中ar、△r,要补充可通过测量得到,M4可通过射电源星历查到,从a2g=(Bsin△9而可以确定△M,△,可以用于目标航天器的导航计式中:A是信号波长;B是基线长度;9是航天器方算向与基线之间的夹角;A9是两个航天器6之差。为了进行△DOR观测,航天器必须发射多个DOR侧音。DOR侧音的选择由相位整周解模糊,航天器1测量精度,发射信号的效率,地面追踪资源和深空航天器2探测的频率分配等因素共同决定。通常,低频DOR侧音解相位模糊,高频DOR侧音保证测量精度△DOR技术通常采用分时工作的方式,即在一个跟踪弧段内序观测参考射电源和深空航天观站1测站2器。跟踪弧段的角度因两站之间的位置和天线的不同而变化。通常情况下,一次△DOR观测由三图2SBI测量原理示意图次扫描组成,每次扫描持续几分钟。一次扫描过程包括将天线对准一个射电源,将天线回转到另一个目前,SBI主要采用航天器发射多个点频来进射电源,再回转到第一个射电源。观测顺序是航天行观测,在频率选择上,要求如下”:器一参考射电源一航天器或者参考射电源一航天1)两频点必须在共同的频带上,满足一个视器一参考射电源,这由射电源的特性和测量的目的频波段可以同时采集记录的条件决定。2)为了避免频率间干扰,信号频点的频率间△DOR技术作为深空航天器导航的历史可以距要足够大,带外抑制要足够弱;追溯到20世纪70年代后期。1979年, Voyager首3)同时考虑到任务期间在轨飞行产生的多普次使用△DOR进行卫星定轨此后,△DOR被勒( Doppler效应,实际接收的信号在发生多普勒NASA,ESA、JAXA广泛应用在多个卫星导航任效应的前提下仍然满足以上条件1)和2);务中。在2001年的 Mars Odyssey任务中,使用X4)两频点处发射功率性能(EIRP)必须相当,20避免在同一频带内的非线性相频特性响应对观测3关键技术带来额外的负面影响;5)选择的频点既要保证符合要求的精度,又相位整周解模糊和相关处理是△DOR和SBI要能够解相位模糊。的两个共同的关键技术,但因观测原理不同二者有当两个航天器角距在一定范围内例如,日本所不同的“月亮女神”( SELENE)任务中在S频段 Rstar3.1相位整周解模糊和 Vstar的角距小于0.566),观测站天线指向两由于信号是周期信号,所接收的信号相位中包颗卫星的中间位置,同时,观测两颗卫星又进行含整周相位部分和非整周相位部分。硬件只能实SB观测。角距范围是根据地面观测站天线的相现对信号相位非整周部分的测量无法直接测出信位特性和功率方向特性以及一些先验知识得到的。号相位的整周部分。解决整周模糊的方法取决于两在轨航天器间分离角通常为1mad的几分之干涉测量是如何实施的。比△DOR测量的航天器一射电星分离角(典型目前,△DOR解模糊是通过航天器发射多个为10°或约175mrad)小得多。DOR侧音的方法,低频DOR侧音用来解相位整周早期NASA在其 apollo任务中,成功地运用模糊,当然,DOR侧音信号井不是越多越好,因为SBI测量技术确定了月球车相对于登月舱的运动调制到载波的信号及其产生的互调产物都浪费了轨迹。此后,SB技术不断被应用于行星际探测功率器的精密定轨及科学探测。在 Magellan和Pio如图3所示,每个DOR侧音对应两个谐波neer Venus同时环绕火星期间,SB被真正用于航(上边带和下边带)。横轴表示记录在中间频率两天器的联合定轨,定轨残差达到了18ps1。在边的谐波频率纵轴表示差分相位。最右边和最左2007年日本的 SELENE探月观测中,获得了对边的一列点分别代表较高频率的DOR侧音的上Rstar、 Vstar两颗子卫星ps级的差分干涉测量数边带和下边带对应的差分相位中同的两列点代表据较低频率的DOR侧音的上下边带对应的差分相△DOR与SBI技术的比较如表1所示。二者位。有限带宽是指较高频率DOR侧音的带宽。原理相似,但由表1可知SB较△DOR精度要高。标“正确”的直线斜率表示DOR侧音的群延迟标SBI测量的精度高是因为,两在轨航天器间分离角“错误”的虚线斜率表示整周模糊造成的错误群延比ΔDOR测量的航天器一射电星分离角小得多,迟(还有其他错误群延迟但是它们的值与真实值测量使用相位延迟而不是群时延。但观测条件苛的差都远大于有限带宽的倒数)。正确的斜线穿过刻,共视时间短的缺点也同样制约了SBI观测的使了中间两列的点,而错误的斜线没有穿过。以此为用基础,可以将错误的斜率排除2△DOR确定相位整周模糊分两步完成:首先,豪1△DOR与SBI比较由低频率DOR侧音的差分相位求出对应的群时延(即直线斜率);然后,以该值作为参考值,求解频观测目标航天器+射电源航天器十航天器率更高的DOR侧音形成的群时延整周模糊观测方式顺序观测航天同波束内器和射电源观测两航天器小于10°或分离角小于1mrad175 mrad观测量群延迟载波相位延迟共视时间较长较短辑误观测条件要求较低较高解模糊侧音解模糊多频解模糊频率r精度(X波段)3.6cm图3ADoR解模糊原理示意图SBI相位解模糊是利用群延迟观测量来确定DOR侧音信号后分别进行相关处理,解模糊得到射频信号相位延迟的整周模糊。该技术要求群延群延迟;对射电源的宽带信号也分别进行相关处迟的测量精度很高,要达到射频信号载波波长的几理得到群延迟最后将二者相减求得差值1分之一,并且对各种误差的校准精度也要达到这一SBI相关处理的处理过程是:以日本 SELENE水平,从而最终确定载波相位延迟的整周模糊。在探月计划的两个子卫星 Rstar和 Vstar的SB观日本的 SELENE计划中就是采用的这种解模糊测为例。 Rstar和 Vstar分别发射四个点频信号(S方式。推导N(i=S1(2212MHz),S2(2218波段3个,X波段1个),两个观测站接收后,对各MH),S3(2287MHz),X(8456MHz))的步骤及个频点的数据分别进行相关处理,得到相位后分别前提条件如下差分。通过带宽综合组合模式消除模糊度得到几如图4所示,首先在S1和S2之间6MHz的窄十兆赫带宽观测的群时延。最后,把几十兆赫带宽带内推导出N-N.在时延预测值误差小于得到的群时延延伸到2GHz,得到S(n=1,2,3)83ns的条件下,Ns-Ns1将为0或1(取决于S1频点的相位延迟1和S2的初始相位)。参照S1和S2间的群时延,可以调整S3频点的整周相位,从而在S1和S3之间4误差分析75MHz的较宽带宽内推导出群时延,并解出Ns△DOR和SBI技术虽然在很大程度上消除了Na,把连接S1,S2,S3的直线延长,使其延长线公共误差,但仍受到太阳等离子体、对流层电离在频率为零时的相位落于正负180°之内,即可解层、航天器信噪比、基线测量误差、接收设备性能等出S1,S3各个频点的整周相位模糊度N、Ns、因素的影响1N太阳等离子体产生的误差与频率和信号射线到太阳的接近程度有关。延迟误差与信号频率的平方成反比,随太阳一地球一航天器(SEP)角度的f和f间的群延迟减小而增加。可以采用薄屏扰动模型来修正等离子体引入的误差。h的相位延迟对流层延迟峰值的不确定性主要由于湿度因2nNs-2AN素(降雨)的变化。根据观测站当地气象资料可以对其进行修正。电离层产生的误差与信号频率的平方成反比aNs可以利用GPS观测建立电离层模型,应用模型修正△DOR和SBI测量中的电离层误差航天器信噪比主要取决于航天器的信号强度信号频谱特性、记录带宽积分时间以及噪声和干图4SBI解模糊原理示意图扰基线测量误差包括站址误差和地球的极移3.2相关处理差。地球两极的方位和旋转速度是随机变化的,必vLBI相关处理具有数据密集和计算密集的须实时监测这些量,以减少基线测量造成的误差双重特点,所有的观测数据必须经过相关处理机预两次差分和GPS测量可以将这个误差减少到一定先处理才能用于相关后处理和科学应用。△DOR范围之内和SBI的相关处理与LBI相关处理的基本原理接收设备性能造成的误差主要来自于设备的相同,但是根据其观测方式和观测的信号不同而相位抖动和相位延迟。由于信号经过不同的观测有所不同站进行接收,在放大、变频滤波处理等过程中通道△DOR相关处理的处理过程是:两个观测站特性不完全一致,造成了相位抖动;接收设备的时分别顺序接收来自航天器的窄带信号(通常为钟稳定性和未校准的群延迟则引起了相位延迟。50kH)和射电源的宽带信号(通常为2MHz),二此外,除了上述共同的因素影响他们的测量精者频谱中心频率相同。对航天器的窄带信号,选择度,这两种差分干涉测量方式还由于自身的观测特·22点而受到不同因素的影响。△DOR由于顺序观测航天器和参考射电源而受到参考射电源的信噪比5结论和射电源星历的影响:射电源的信噪比主要取决于△DOR和SBI技术是目前在深空航天器导航射电源的信号强度、记录带宽、积分时间以及噪声中广泛应用的两种高精度干涉差分测量技术。本和干扰,射电源星历精确度则随着天文学的校准水文介绍了△DOR与SBI的基本原理、关键技术和平的发展而不断提高。而SBI由于观测两个航天误差分析,并对它们进行了比较。△DOR对观测器发射的固定点频信号而受到航天器上振荡器漂条件要求较低,测量的航天器一射电星分离角较移的影响,对于单向传输,可以用视距多普勒测量大,可以得到较长的共视时间,且根据航天器位置值估算航天器额定频率的修正值。振荡器频率的变化可选择不同射电源进行参考。而SBI要求两估算程度取决于跟踪覆盖面和振荡器稳定性。在轨航天器间分离角非常小,且使用相位延迟而不图5为DSN进行△DOR测量的误差预算模是群时延,所以SBI的精度要高于△DOR。但是观型值,图6为两个火星轨道器的SBI测量的误测条件苛刻共视时间短的缺点也同样制约了SBI差预算。对比图5和图6可以看出SB相对于观测的使用。△DOR适合于航天器到达行星的巡△DOR显著的测量精度优势。这两种技术都是用航阶段测量,而SBI则适合于着陆器和巡视器的相于深空导航的差分干涉测量技术它们有很多共同对定位以及两个探测器的交汇对接等方面。根据的误差因素,但是由于各自观测方式的不同,也存它们的特点,我们可以在航天器的不同运行阶段合在一些特有的误差因素。观测者需要根据观测方理选用以得到较为理想的测量精度。式的不同选择对不同的误差因素进行修正,从而达到更高的测量精度。参考文献[1] 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The two techniques are contrasted with eachother from aspects of basic principle, observation ways and application status. Phase cycleambiguity and correlation techniques, two key issues of ADOR and SBI, are discussed. Theerror sources are analyzed systematically and summarized as common error sources and private error sources.Key words: ADOR: SBI; phase cycle ambiguity; correlation; error analysis