基于单基线干涉测量的地球航天器轨道测定研究

As a method with high resolution angular position in the radio astronomy, interferometry has been applied to measure the orbits of Chang'E satellites in Chinese lunar exploration program, which has become a hot research topic. Compared with active measurements, passive interferometry can bring significant advantages. The single-baseline interferometry based orbit determination requires only 2 stations, which has a strong practical value in limited or emergency environments. However, due to weak constraints and high risk in orbit determination, the theoretical research and practical application of the single-baseline interferometry based orbit determination are still in the exploratory stage. Based on the single-baseline interferometry as a starting point, the observability (constraint) and capability of orbit determination of spacecrafts, new interferometry on carrier phase with high accuracy and system calibration techniques are studied deeply, and the data processing system of single-baseline interferometry based orbit determination of spacecrafts is developed. Finally scientific experiments are planed using a fiber-based connected-element interferometry (CEI). These works will fill the research blank and lay a practical foundation for the single-baseline interferometry based orbit determination of spacecrafts using the theoretical analysis and experimental verification.

作为射电天文领域的一项高分辨率的角位置测量手段，干涉测量技术被应用于我国探月工程嫦娥系列卫星轨道测定中，成为国内研究热点之一。相对主动式测量，被动式干涉测量在地球航天器轨道测定中具有明显的应用优势。基于单基线干涉测量的地球航天器轨道测定仅需2个测站，在条件受限或者应急条件下具有顽强的实用价值。然而由于定轨约束性弱、技术实现风险性高，基于单基线干涉测量的地球航天器轨道测定的理论研究和实际应用均处于探索阶段。本项目以单基线干涉测量为出发点，深入开展此条件下地球航天器轨道确定的系统可观测性（约束性）、定轨能力以及高精度的载波相位干涉测量技术、系统性误差标校技术等研究，开发基于单基线干涉测量的地球航天器轨道测定数据处理系统，最后以利用现有基于光纤的连线干涉测量系统进行科学实验为落脚点，从理论分析和实验验证两个方面为基于单基线干涉测量的地球航天器轨道测定研究填补理论分析空白、奠定工程应用基础。

作为航天器轨道测量技术之一，干涉测量具有测角精度高、被动式测量等特点，对非合作卫星轨道监视与跟踪具有天然技术优势。基于单基线干涉测量的地球航天器轨道测定仅需2个测站，在条件受限或者应急条件下具有顽强的实用价值。然而，单基线干涉测量的地球航天器轨道测定方面，目前还没有公开文献予以报道。因此，项目组系统性地对单基线干涉测量的地球航天器轨道测定中的“能”“测”“标”“定”“验”问题进行了深入的理论分析与充分的实测验证。.　　1）建立了纯干涉测量的卫星轨道约束方程。理论证明，利用单基线干涉测量进行6次独立测量，根据航天器动力学约束可以迭代求解待测地球卫星轨道；.　　2）建立了观测精度因子与卫星相对干涉测站位置的函数关系。数值仿真表示，该函数关系类似双抛物面（马鞍面），南北方向为马脊线，东西方向为马肚线。该结论与北斗GEO卫星轨道测定的半物理仿真实验结果一致；.　　3）开展了基于电路补偿和光路补偿的光纤频率稳相传输技术研究。“航天城-沙河-航天城”光纤链路的实际时延变化大于700ps时，补偿后的链路时延抖动小于1.7ps，该研究成果已经接近国际先进水平；.　　4）基于差分GNSS的天线机械中心（测站站址）标校结果显示，经度、纬度精度优于1cm，高程精度优于3cm；.　　5）在5.5公里单基线干涉上对约250KHz带宽信号进行8小时连续干涉跟踪，群时延辅助相时延的测量误差约为0.267ns（有效值）和0.536ns（最大值）；利用跟踪弧段数据进行轨道解算，X、Y和Z方向的解算轨道误差分别为26.8公里、12.4公里和23.5公里，径向最大偏差为35.7公里；.　　6）通过交替观测不同卫星可实现不同系统容量。观测时间的交替降低了群时延辅助相时延的随机噪声抑制能力，约250KHz带宽信号的干涉时延测量误差约为1.0ns（RMS）；随着系统容量由2增加到6，5.5公里单基线干涉上80小时干涉跟踪数据的卫星轨道解算误差由10多公里增加到50公里左右。