深空探测弱DOR信标的射电干涉处理

Mars exploration and Moon-Earth VLBI in the future will face low-SNR DOR interference processing. The existing VLBI correlator for deep space is not suitable for low-SNR DOR process. This project will research low-SNR DOR process and writes the processing software.The minimum SNR threshold of DOR tone is: main carrier 13dBHz and tone 1dBHz, and thermal noise error is 1ns. The low-SNR target will suitable for moon-earth DOR process. The minimum SNR of DOR tone for Mars exploration is 10dBHz in the project, which is 13dBHz lower than the SNR minimum threshold of correlator in Mars mossion. Besides low-SNB DOR, Moon-Earth VLBI will research how to calculate light-time model between deep spacecraft and space VLBI station. We’ll also research DOR error caused by the uncertainty of antenna position of space VLBI station and the stability of spaceborne atomic clocks.

我国自主火星探测及计划开展的月-地VLBI将面临弱DOR信标的干涉测量问题。现有VLBI测轨分系统任务处理机不适用于弱DOR信标的处理。本项目研究弱DOR信标的射电干涉测量并编写处理软件。DOR信标载噪比处理最低门限指标为：主载波13dBHz、侧音1dBHz，对应的探测器DOR时延热噪声优于1ns，该指标可用于星载弱DOR信标的处理。针对火星探测器1ns的Delta-DOR精度要求，本项目需要的DOR侧音载噪比为10dBHz，比应用于工程任务的处理机低13dBHz，扩容了工程项目所需的信噪比最低门限。本项目将对月-地DOR信标处理进行预研，研究月-地DOR信标处理、模型的计算，研究星载天线位置偏差、星载原子钟稳定性对月-地DOR测量精度的影响。

我国甚长基线干涉网(VLBI)对探测器的差分测距信号(DOR)进行射电干涉测量，用来决定探测器的高精度轨道和位置。随着我国木星探测、小行星探测、月-地深空探测、太阳系边际探测等项目的逐渐推进，对弱DOR信标的干涉处理将慢慢提上日程。本课题完成下述工作：(1)研究了弱DOR信标的本地相关干涉测量方法，并与CVN测轨分系统的任务处理机进行比较。经实测数据验证，本地相关能够处理载噪比仅为1 dBHz的DOR 侧音，相对于在天问一号高增益天线模式下，能够支持该强度的信标飞行到100 AU; 成功将该技术应用于探测器变轨机动后的快速短弧变轨；在嫦娥三号、五号数传信号完全淹没DOR侧音的条件下，成功地从数传信号中恢复出侧音。(2) 将本地相关应用于行星际闪烁科学，成功地从火星快车的日凌观测中，反演出太阳风等离子体的波动、湍流特性及太阳风速，并应用于2021年天问一号日凌期间的弱信号处理。在2021年天问一号日凌期间，天问一号采用了安全模式, 使用了低增益天线，地面VLBI测站接收到的探测器信号完全淹没在噪声中。使用本地相关强大的弱信号能力，能够从噪声中恢复出信标，应用于行星际闪烁科学的分析。(3) 弱信号、高动态的探测器信号的锁相环跟踪测量研究。研究了四种载波信号的锁相环跟踪测量方法，实现了弱、高动态的信号的快速锁相环跟踪，并将锁相环应用于DOR信号的本地相关。(4) DOR本地相关干涉测量软件的研发。该软件使用linux C、Qt语言开发，主要使用锁相环的方法，具备载波辅助功能。(5)空间信号的干涉测量研究。通过仿真，研究了空间VLBI测站的轨道设计及与地面测站的共视时间。