微型VLBI系统用于同步轨道卫星的精密测定轨的关键技术研究

With the development of human space activities, the space resources of the geosynchronous belt are becoming more and more scarce. Hence, it is necessary to continuously monitor the position of geostationary(GEO) satellites. At present, there are some deficiencies in the common used methods of orbit determination of GEO satellites, such as optical observing or radio ranging. In recent years, with the rapid development of VLBI technologies, a VLBI system can be achieved at a low cost. This project is aimed to determine the orbit of all kinds of commercial GEO satellites with the requirements of all day long, all weather, high precision and low cost. We will carry out a key technical breakthrough of the low cost VLBI system to GEO satellites. Household small antenna, satellite TV decoder, USB oscilloscope, GPS timing card, simple rotating platform, rubidium clock, home computer and other hardware are applied to build a prototype system. Meanwhile, the software of signal acquisition, signal correlation, orbit determination will be developed. The layout of four sets of prototype system will cover the mainland of China. A common micro VLBI observing experiment will be planned including other five Ukraine stations. After the breakthrough of the key technologies, the cost of GEO satellite orbit determination will be dropped off sharply. Moreover, international cooperation will further be carried out to build a global network with the similar micro VLBI stations. The realization of the entire GEO satellite orbit determination in geosynchronous orbit will be expected.

随着人类空间活动的快速发展，地球同步轨道带的空间资源日趋紧张，对地球同步轨道卫星位置的高精度持续监测成为一项必要的常规性工作。目前常用的同步轨道卫星测定轨技术手段包括光学或无线电测距等存在各自的不足之处。近年来，与VLBI相关的技术发展很快，使得该技术可以很低的成本实现。本项目针对各类商用同步轨道卫星在测定轨方面“全天时、全天候、高精度、低成本”的需求，开展低成本GEO卫星VLBI测定轨系统的关键技术攻关，拟采用小型家用卫星天线、卫星电视解码器、数字示波器、GPS授时卡、简易转动平台、铷钟、家用电脑等硬件设备搭建样机系统，同时研发信号采集、相关、轨道计算等软件，将四套样机系统布设于中国本土，开展与乌克兰的微型VLBI试验联测。本项目在实现技术突破后，将大大降低现有同步卫星的测定轨的成本。我们将进一步开展国际合作，在全球布设类似多个微型VLBI台站，实现对整个同步轨道带内卫星的测定轨。

本项目研发期为2018年1月到2020年12月，共三年，由国家自然科学基金青年科学基金支持，批准经费29万元，目前已完成研发。.经过三年艰苦技术攻关，包括单站接收系统设计研发、相关处理设计研发、时延与站点相关性分析、测站系统差标校、测站部署等，项目组最终成功研发出一套基于中国大陆布设的微型VLBI测网，包括4座微型VLBI单站接收分系统、微型VLBI数据回传归档分系统、相关处理分系统以及定位定轨分系统。.该系统具备对同步地球静止电视转发卫星开展全天时全天候监测的能力，其最大的特点是性价比突出。通过对亚太6C卫星开展长达数月的连续监测表明，本系统：.1）观测能力为全天时全天候无限制；.2）定轨能力为百米级，其中内符100米，外符（与光学测角比对）400米。.以上能力表明，项目组研发的微型VLBI网络完全满足常规地球同步静止卫星的实时监测需求。.项目组所建设的微型VLBI与国际微型VLBI接口通用，充分具备开展国际微型VLBI联测的条件；项目组依托微型VLBI系统，在国科大开设了高级强化课程，为VLBI领域培养了20多名专业人才；项目组已将近一个月的亚太6C卫星实时监测时延数据公布，以便开展第三方系统评估；项目组还搭建了用以显示卫星轨迹的三维在线显示系统；此外，基于本项目的支持，项目组还开展了VLBI相关方向的研究，包括VLBI站点参考点归心解算等，发表了多篇相关领域的论文。.随着当前5G、6G以及其它更高频段和更高密度通信网络的兴起与发展，星基互联通信已逐步发展为今后空间领域重点布局方向，同步地球静止卫星具备优良的中继转发功能，是星基通信中不可或缺的关键组成，然而当前同步卫星监测手段受限于传统光学和微波测距，不能做到全天时全天候对同步目标的实时监测，另一方面，当前同步带轨道资源高度紧张，为避开碰撞等风险，对同步卫星的全时段监测是极其必要的，本项目所研发的微型VLBI测量系统正是应对上述需求的最优产品。不夸张地说，本研究工作充分具备重塑当前同步目标监测领域格局的潜质。