基于CE-3的無線電測月研究

唐歌實(shí),曹建峰,韓松濤,胡松杰,任天鵬,陳略,孫靖,王美,李羿霏,李黎

(1.航天飛行動力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100094;2.北京航天飛行控制中心,北京100094)

基于CE-3的無線電測月研究

唐歌實(shí)1,2,曹建峰1,2,韓松濤1,2,胡松杰1,2,任天鵬1,2,陳略1,2,孫靖1,2,王美1,2,李羿霏1,2,李黎1,2

(1.航天飛行動力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100094;2.北京航天飛行控制中心,北京100094)

CE-3號探測器于2013年12月14日成功著陸于月表虹灣區(qū),在預(yù)期1年的生存期內(nèi),著陸器能夠相干轉(zhuǎn)發(fā)下行X波段信號?；谶@些信號,地面測控天線以及VLBI(very long baseline interferometry,甚長基線干涉測量)天線能夠進(jìn)行距離、速度、載波相位、VLBI時(shí)延以及時(shí)延率的測量。傳統(tǒng)的激光測月技術(shù)只能提供距離測量信息,無線電測月技術(shù)能夠同時(shí)提供更豐富的觀測量類型,有可能獲取優(yōu)于激光測月技術(shù)的科學(xué)成果。為了分析LRM(lunar radio measurement,無線電測月)可能的貢獻(xiàn),MEKAS(Moon Earth kinematical analysis software)軟件用于支撐無線電測月的數(shù)據(jù)分析處理,其能夠模擬全部觀測量類型,具備協(xié)方差分析以及CE-3著陸器定位、測站坐標(biāo)解算等功能。模擬分析表明無線電測月技術(shù)在地月球科學(xué)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

嫦娥3號;玉兔號月球車;X波段轉(zhuǎn)發(fā)器;無線電測月

0 引 言

激光測月(lunar laser ranging,LLR)是一種非常重要的空間大地測量技術(shù),可確定月球星歷、天平動、月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)以及月地動力學(xué)參數(shù)等重要參數(shù)[1-3]。LLR還是檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對論的有力工具[4-5]。但是,在所有的ILRS (International Laser Ranging Service,國際激光測距服務(wù)組織)觀測站中,只有少數(shù)幾個(gè)測站有能力開展激光測月觀測,其中92%有效觀測集中在美國的McDonald站和法國的Grasse站[6-8]。此外,LLR觀測與ICRF(International Celestial Reference Frame,國際天球參考架)無關(guān),很難把月球運(yùn)動與準(zhǔn)慣性天球參考架相連接。這些問題制約了LLR在地月科學(xué)研究中發(fā)揮更大作用,相比來說,利用CE-3號的全球聯(lián)測及參考架連接優(yōu)勢可為地月科學(xué)研究提供新的機(jī)會。

CE-3探測器于2013年12月2日發(fā)射,經(jīng)過12天的飛行,于14日成功著陸于月表虹灣區(qū),設(shè)計(jì)壽命1年。著陸器安裝了X波段轉(zhuǎn)發(fā)器,能夠以相干模式轉(zhuǎn)發(fā)中國深空網(wǎng)(Chinese Deep Space Network,CDSN)上行測控信號。利用這些信號,中國深空網(wǎng)可以進(jìn)行測速、測距,此外全球分布的IVS測站還可以開展VLBI觀測。以上各類地月之間的測量信息統(tǒng)稱為無線電測月(lunar radio measurement,LRM)。相對于激光測月而言,無線電測月具有如下優(yōu)勢:首先,大尺度的IVS天線分布提供了更好的PDOP因子;其次,VLBI是唯一的用于確定慣性天球參考架的技術(shù),可以更好地連接月球軌道與天球參考架的關(guān)系。第三,可以同時(shí)獲取到測距、多普勒測速、載波相位,時(shí)延、時(shí)延率數(shù)據(jù)?；谝陨显?無線電測月技術(shù)將有助于更好地了解月球行星科學(xué),尤其是地月系統(tǒng)的動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)參考架。因而,對CE-3進(jìn)行無線電測月技術(shù)研究具有重要科學(xué)價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成

無線電測月技術(shù)體系包含兩部分:一是地面跟蹤測量系統(tǒng),二是星上轉(zhuǎn)發(fā)器。地面跟蹤測量系統(tǒng)由CDSN、中國VLBI網(wǎng)(China VLB Net,CVN)、北京航天飛行控制中心(BACC)組成。深空網(wǎng)的佳木斯66 m天線、喀什35 m天線負(fù)責(zé)CE-3上行指令的發(fā)送以及遙測信號的接收,并兼顧測距、測速功能,此外深空站支持VSI、VSR格式的VLBI數(shù)據(jù)記錄采集,干涉測量數(shù)據(jù)傳輸至北京中心相關(guān)處理中心,提取時(shí)延觀測量。5個(gè)CVN網(wǎng)測站記錄MARK5格式的VLBI數(shù)據(jù),并傳輸至上海天文臺相關(guān)處理中心用于提取干涉測量觀測量。CDSN以及CVN網(wǎng)測站均配置有氫原子鐘,GNSS接收機(jī)、水汽微波輻射計(jì)等輔助設(shè)備,用于時(shí)間、頻率穩(wěn)定性、傳播介質(zhì)時(shí)延等誤差修正。

利用IVS全球布站的優(yōu)勢能夠進(jìn)一步提升位置精度因子。由于CE-3只在深空網(wǎng)可視跟蹤弧段內(nèi)具有下行信號,IVS分布在亞洲、歐洲、非洲以及大洋洲的測站具有更優(yōu)的觀測條件。此外由于CE-3下行信號相對于標(biāo)校射電源功率更強(qiáng),VGOS標(biāo)準(zhǔn)的12 m口徑天線能夠有效支持無線電測月觀測。

為驗(yàn)證小口徑天線對CE-3的觀測性能,北京中心航天飛行動力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室改造一個(gè)12 m口徑天線,其采用主動相位補(bǔ)償技術(shù)向下變頻等模塊提供高穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)。

CE-3著陸器、巡視器作為月球表面的信標(biāo)機(jī)資源,具有如下特點(diǎn):1)只在月晝期間工作;2)多個(gè)下行點(diǎn)頻信號(DOR測音以及測距音);3)下行信號由北京中心遙控指令控制;4)巡視器遙測信號全程開啟。

2 觀測試驗(yàn)及精度評估

在CE-3任務(wù)期間,獲取了多種測量模式的觀測量:1)深空網(wǎng)測站獲取的測距、測速觀測量;2)由相關(guān)中心獲取的不同基線時(shí)延、時(shí)延率;3)由相關(guān)中心獲取的SBI雙差分時(shí)延、時(shí)延率;4)由基帶設(shè)備以及原始采集數(shù)據(jù)處理分析獲取的載波相位。

為計(jì)算時(shí)延、時(shí)延率,測站原始數(shù)據(jù)需要傳遞至相關(guān)處理中心,目前軟相關(guān)處理器以其靈活可擴(kuò)展的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用[9]。北京中心研發(fā)了BSCS (BACC software correlator system)軟相關(guān)處理系統(tǒng),用于干涉測量的數(shù)據(jù)處理分析。軟件采用C語言開發(fā),運(yùn)行于高性能集群系統(tǒng)。

圖1 Delta-DOR測量精度分析(時(shí)延0.5 ns,時(shí)延率0.33 ps/s) Fig.1 Analysis of Delta-Dor measurement

下面幾幅圖顯示了CE-3多種觀測模式的精度分析情況。圖1統(tǒng)計(jì)分析表明,Delta-DOR時(shí)延、時(shí)延率精度分別為0.5 ns以及0.33 ps/s;圖2所示SBI測量結(jié)果精確反映了巡視器相對著陸器的運(yùn)動狀態(tài),可分辨巡視器毫米級的位置變化。

圖3統(tǒng)計(jì)分析表明,深空網(wǎng)載波相位測量精度為0.1 rad,12 m天線測量精度0.5 rad,在X波段等價(jià)于1～2 mm量級的距離測量精度。

圖2 SBI測量結(jié)果分析Fig.2 Analysis of SBI measure result

圖3 多普勒以及載波相位測量結(jié)果Fig.3 Measure result of Doppler and DOR

3 科學(xué)目標(biāo)

通過CE-3著陸器的無線電測量技術(shù),我們可以獲取到高精度和更多采樣點(diǎn)的地—月測量數(shù)據(jù)。基于該技術(shù),通過CE-3項(xiàng)目有望進(jìn)一步增強(qiáng)對地球與月球行星科學(xué)的認(rèn)識。

為分析月球無線電測量數(shù)據(jù),北京航天飛行控制中心開發(fā)了用于地月運(yùn)動分析的軟件系統(tǒng)(MEKAS)。該軟件包括一系列基本模塊,使用FORTRAN語言編碼。MEKAS的4個(gè)主要基本功能包括:模擬觀測數(shù)據(jù)、觀測偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算、待估參數(shù)的解算與協(xié)方差分析。軟件可處理的觀測數(shù)據(jù)類型包括雙程/三程測距、多普勒測速、VLBI時(shí)延與時(shí)延率、激光測月數(shù)據(jù)等?？山馑惴治龅膮?shù)包括著陸器的位置,站址坐標(biāo),地球自轉(zhuǎn)參數(shù),觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)差,月球勒夫數(shù)等。參數(shù)的選取與設(shè)置非常靈活,MEKAS的輸入設(shè)置為一個(gè)名為“mmekas.dat”的輸入文件。在輸入文件中,可以設(shè)置以下項(xiàng):1)月球著陸器或是月球激光反射陣的位置與不確定度; 2)定位計(jì)算所使用的觀測數(shù)據(jù)與權(quán)重設(shè)置;3)定位計(jì)算中需解算的參數(shù)設(shè)置;4)一個(gè)或多個(gè)觀測數(shù)據(jù)文件。

利用MEKAS,我們進(jìn)行了協(xié)方差分析。利用中國深空網(wǎng)與中國VLBI網(wǎng)對“嫦娥3號”著陸器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行定位分析,表1給出了可能的定位精度。

表1 著陸器定位精度Table 1 The positioning accuracyof the lunar lander

在定位計(jì)算中,測距數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性偏差是影響制約定位精度的主要誤差源,而且該偏差不易解算,因而在分析中考慮了高程方向約10 m的先驗(yàn)不確定度。如表1所示,如果不考慮站址誤差,定位精度將隨著測量數(shù)據(jù)的增加而提高,當(dāng)跟蹤數(shù)據(jù)達(dá)到5天后,結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)米級的定位精度。如果考慮15 cm的站址誤差,精度將會下降至10 m量級。

如果南半球的VLBI測站能夠參與對“嫦娥3號”著陸器的跟蹤測量,使用CDSN、CVN、IVS的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析,表2給出了IVS站參與跟蹤的前提下可能的定位精度。

表2 著陸器定位精度(IVS站參與跟蹤測量)Table 2 The positioning accuracy of the lunar lander(IVS involved in the measurement)

LLR激光反射陣在主軸坐標(biāo)系下的坐標(biāo)在行星歷表建立的過程中同時(shí)解算。比較DE421與DE430,反射陣在x方向的坐標(biāo)分量約有1 m的偏移。這表明著陸器的精度有可能達(dá)到與激光反射陣同等的精度水平,因而著陸器可以作為一個(gè)月球的基本控制點(diǎn)。

通常地球自轉(zhuǎn)參數(shù)在IERS組織同組合估值的方式以時(shí)間序列的形式給出,并在公告中延遲30天發(fā)布。其發(fā)布的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)中極移的精度大約為0.1 mas,UT1精度為0.02 ms。精確確定了著陸器的位置,則能獲取與IERS發(fā)布的相同精度的EOP參數(shù)。表3給出了考慮1 m不確定度的著陸器的位置誤差解算的EOP參數(shù)精度。

在DE430的構(gòu)建中,勒夫數(shù)h2是固定的,而k2設(shè)置為GRAIL確定的值。比較DE421與DE430的h2值,其偏差大約為0.01。使用長期的著陸器跟蹤數(shù)據(jù),可以進(jìn)行月球勒夫數(shù)的解算。表4為基于協(xié)方差分析給出的勒夫數(shù)估計(jì)精度。當(dāng)跟蹤數(shù)據(jù)達(dá)到30天,h2解算精度可達(dá)0.005 3,l2可達(dá)0.002 3。

表3 利用著陸器測量解算EOP參數(shù)的精度Table 3 The uncertainty of EOP estimation with lunar lander

表4 月球勒夫數(shù)解算精度Table 4 The uncertainty of lunar love numbers estimation

4 結(jié)束語

CE-3著陸器以及巡視器定點(diǎn)于月球表面并發(fā)射下行無線電信號,信標(biāo)定位精度提升至亞米級可以有效支持地月科學(xué)研究。MEKAS軟件分析結(jié)果表明,在觀測弧段足夠長的情況下,CE-3信標(biāo)定位精度可達(dá)到1 m。利用IVS測站天線以及12 m口徑天線能夠接收CE-3下行信號,相對LLR技術(shù)而言具有極高的性價(jià)比,在地月科學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

VLBI測量技術(shù)對射電源進(jìn)行時(shí)延與時(shí)延率測量,可以用于高精度天球參考架的建立,EOP參數(shù)的解算。通過無線電測月技術(shù)不僅可以獲取時(shí)延、時(shí)延率數(shù)據(jù),還可獲取測距、測速數(shù)據(jù),如果結(jié)合激光測月計(jì)算,有望在地球與月球行星科學(xué)方面取得更多進(jìn)展。包括月球歷表,月球物理天平臺,內(nèi)部結(jié)構(gòu),不同參考架以及地球定向參數(shù)等等。

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通信地址:北京市北清路26號院(100094)

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[責(zé)任編輯:宋宏]

Research on Lunar Radio Measurement on Chang'e-3

TAGN Geshi1,2,CAO Jianfeng1,2,HAN Songtao1,2,HU Songjie1,2,REN Tianpeng1,2, CHEN Lue1,2,SUN Jing1,2,WANG Mei1,2,LI Yifei1,2,LI Li1,2
(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Flight Dynamics,Beijing 100094,China; 2.Beijing Aerospace Control Center,Beijing 100094,China)

After the successful launch on December 2,2013,Chang'e-3 performed soft landing on lunar surface on December 14.Which is designed to stand in place for more than 1 year,and it can transmit X-band signal when the transponder is switched on.With their signals,ranging,Doppler,carrier phase,VLBI delay and delay rate can be acquired from ground TT&C antennas and VLBI antennas.These techniques can be called Lunar Radio Measurement(LRM)collectively.By LRM technique,more rich observations can be acquired nearly at the same time,so it could be more effective in contributing to space geodesy than LLR(Lunar Laser Ranging)which only provides ranging observation.To analyze the LRM technique,MEKAS(Moon Earth Kinematical Analysis Software)is developed,which can simulate all kinds of observations mentioned above,carry out covariance analysis and determine the parameters including CE-3 position on the lunar surface,ground site coordinates UT1,EOP and love number.Simulation results show that LRM technique has wide prospects in earth and lunar science.

Chang'e-3;Yutu Rover;X-band transponder;lunar radio measurement

V556.6

:A

:2095-7777(2014)03-0236-05

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.03.013

唐歌實(shí)(1969—),男,研究員,主要研究方向:航天測控技術(shù)。

2014-07-26

2014-08-08

國家自然科學(xué)基金(61401014)