深空导航相位参考干涉测量关键技术研究

Radio interferometry, which is used to determine the accurate angular position of a spacecraft, is essential to deep space exploration. To improve the measurement accuracy of the current interferometry techniques, wide-band down-link measurement beacons are usually required. The wider the beacons' bandwidth, the higher the measurement accuracy. However, the limited down-link power of a spacecraft and the limited bandwidth allocated for deep space exploration make it difficult to improve the accuracy further. To solve those problems, this work will introduce a new interferometry technique, the phase referencing very long baseline interferometry (VLBI) technique, from radio astronomy into deep space navigation. Due to the different properties between celestial radio sources and spacecrafts, and the special requirements in deep space navigation, several key techniques should be studied. Firstly, the measurement model of phase referencing VLBI used for spacecrafts will be build up, where no measurement beacons are needed anymore. Secondly, to satisfy the requirements of orbit determination, a new model to resolve the differential phase delay taking advantage of the Earth's rotation will be established, which can generate accurate differential phase delay rather than useless radio images for orbit determination. Thirdly, sequential LS data processing method will be proposed to track the spacecraft in real-time. And finally, data processing system will be set up, and experiments to verify the models and methods will be conducted based on China's TT&C resources and available spacecrafts.

无线电干涉测量技术依靠其高精度的测角能力已成为深空航天器导航定位必不可少的测量手段。现有无线电干涉测量技术主要通过航天器发射特殊信标展宽下行信号频带的方法来提高测量精度，受航天器功率限制和深空探测频段带宽分配限制，这类方法逐渐捉襟见肘。为此，本课题将射电天文领域的相位参考干涉成图技术引入深空航天器导航定位，针对航天器目标特性与射电源的不同及深空导航在实时性等方面的需求，开展以下几项关键技术研究：建立适应航天器普通下行信号的一般化相位参考干涉测量模型，克服现有方法需要特殊信标的难题；基于地球自转综合效应建立差分相时延求解模型，极大地提高测量精度，并突破传统相位参考干涉成图只能获得目标角位置而不能获得差分时延的局限，满足定轨需求；研究数据序贯最小二乘处理方法，提高测量实时性；依托我国现有深空测控资源和月球探测器，搭建自主开源数据处理系统，开展相位参考干涉测量试验，对模型和方法进行验证。

我国正在开展嫦娥探月工程和首次火星探测工程，需要高精度导航定轨技术，其中无线电干涉测量是必不可少的手段之一。无线电干涉测量是通过测量航天器信号达到两个地面测站间的差分时延来得到航天器在天平面的角位置。目前已有无线电干涉测量技术主要通过测量差分群时延的方法等效差分时延值，测量精度在纳秒量级，受信号带宽限制，测量精度难以进一步提高，火星距离上定轨精度在数百公里量级，无法满足未来更远行星或者太阳系边际探测。.本项将射电天文中的相位参考干涉成图技术用于航天器干涉测量，首先针对航天器目标特性建立相位参考干涉测量模型，使其能够利用普通航天器下行信号开展高精度测角；第二，结合我国深空网和VLBI测量网开展了精度仿真分析；第三，在相位参考干涉测量新模型和航天器点源模型假设的基础上，利用地球自转带来基线长短及方向变化的效应，构建多基线和单基线情况下差分相时延最小二乘求解模型，提出了基于地球自转综合的无线电干涉测量差分相位整周模糊度解算方法，完成了相位参考干涉测量差分相时延解算方法研究及试验验证；第四，针对实际任务中无线电干涉测量模式，在差分相位模糊度求解模型的基础上，进一步对模型进行简化，提出了实时最小二乘序贯处理算法，并推导出了相应数据处理流程和规范，编写了数据处理软件，实现了对嫦娥三号巡视器的相位参考干涉测量数据实时处理，成功对巡视器在月球表面的运行进行了监视；最后搭建一个开源的无线电干涉测量数据处理平台，利用该系统对嫦娥三号着陆器开展了观测试验和数据处理。喀什和佳木斯两个深空站参与了试验，观测时长总计约4小时。试验结果表明：残余时延在4个小时内出现均匀变化，均值约50ns，随机波动误差约2ns，具备了深空探测器无线电干涉测量数据处理能力。.本项目研究的相位参考干涉测量技术测量精度远高于已有技术，可以极大地提高航天器定轨精度，同时还有望为行星星历测量、太阳系动力学等基础科学研究提供高精度测量数据。