深空探測天線陣大氣相位擾動修正方法綜述*

張　凱，孔德慶

(1. 中國科學院國家天文臺，北京　100012；2. 中國科學院月球與深空探測重點實驗室，北京　100012)

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深空探測天線陣大氣相位擾動修正方法綜述*

張凱1,2，孔德慶1,2

(1. 中國科學院國家天文臺，北京100012；2. 中國科學院月球與深空探測重點實驗室，北京100012)

大氣相位擾動的實時修正，是深空探測天線陣微弱信號合成的關(guān)鍵技術(shù)。首先研究了造成大氣相位擾動的原理及特點，對比分析了電離層和對流層對信號合成時的相位擾動影響?？偨Y(jié)了國內(nèi)外對流層延遲模型的研究現(xiàn)狀，并對其應(yīng)用于相位擾動實時修正中的不足進行了分析。闡述了深空探測與射電天文天線陣修正方法的異同，針對幾種基于實測的深空陣大氣相位擾動修正技術(shù)進行了對比研究。最后總結(jié)常用修正技術(shù)的不足，提出結(jié)合多種測量方法的綜合修正技術(shù)，展望了高頻段信號相位延遲的研究。

深空探測；天線組陣；相位擾動；實時修正；對流層

深空探測以及射電天文的高速發(fā)展，對地基接收天線提出了越來越高的要求。相對于單個大口徑天線，組陣天線具有接收性能優(yōu)良、工作狀態(tài)穩(wěn)定、建造費用低、靈活性強等優(yōu)勢，并且可以帶動多個交叉學科的發(fā)展[1]。1990年美國的一項重要研究表明：中等大小(25 m至40 m)的天線陣要比單個大口徑天線各項性能更加優(yōu)良。70 m天線和34 m天線陣能使數(shù)據(jù)接收能力提高25%以上[2]。

美國是較早應(yīng)用天線陣進行深空探測的國家。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的旅行者2號探測器在20世紀80年代抵達天王星時，依靠位于澳大利亞堪培拉70 m天線與180 km以外的64 m天線的天線陣進行數(shù)據(jù)接收；抵達更遠的海王星時，用來接收數(shù)據(jù)的天線陣包括格爾德斯頓的70 m天線和兩個34 m天線，以及位于美國新墨西哥州的超大規(guī)模陣列的27個25 m口徑天線[3]。

目前，正在建設(shè)和計劃建設(shè)的天線陣主要有平方千米陣列(Square Kilometre Array, SKA)、阿倫望遠鏡、美國深空探測網(wǎng)(Deep Space Network, DSN)等。我國的深空天線陣技術(shù)研究尚處于起步階段，分別在國家天文臺密云站建立了4天線Ku頻段實驗系統(tǒng)，在北京懷柔站建立了4天線S/X頻段實驗系統(tǒng)[4]*http://npd.nsfc.gov.cn/projectDetail!showPDF.action?code=10903016&pid=2012-12-31，并針對嫦娥2號、同步衛(wèi)星等進行了組陣實驗。

天線陣應(yīng)用于深空探測需要克服兩個問題。首先是單天線接收信號的低信噪比，火星探測器的路徑衰減要比地球同步衛(wèi)星高63～80 dB[5]；其次是深空探測的實時性要求，使得天線陣必須縮短相關(guān)時間。

當探測器信號非常微弱時，為達到足夠的信噪比，在相關(guān)時需要很長的積分時間；而由于地球?qū)α鲗哟髿獾臄_動造成各天線信號的相位波動，導致天線信號間長時間相關(guān)性變差，從而嚴重影響信號的合成性能[6]。傳統(tǒng)的相位差估計算法包括SIMPLE、SUMPLE[7]、EIGEN[8]和LSFIT[9]等。由于大氣相位擾動對相關(guān)時間的限制，在接收低信噪比信號時，相關(guān)算法難以實現(xiàn)相位差的正確估計。文[10]根據(jù)甚大天線陣(Very Large Array, VLA)在9月的觀測數(shù)據(jù)，給出了由于大氣相位擾動導致的合成效率下降示意圖，如圖1，在Ka頻段(34 GHz)合成損失達到83%(-7.7 dB)。為了提高信號相位差估計的精度，提高微弱信號合成的性能，有必要對大氣相位擾動進行實時修正。

圖1合成效率隨擾動下降示意圖[10]

Fig.1Synthetic efficiency decreases with the disturbance

由大氣層引起的信號相位擾動的修正是目前國內(nèi)外的研究熱點。文[11]使用天線陣對低亮度天體NGC4261(3C270)進行觀測時，接收信號的相位誤差主要來自大氣層相位擾動、信號源頻移、接收天線地理位置誤差、設(shè)備誤差等。實驗表明，大氣層相位擾動是相位誤差的重要來源，需要通過多種技術(shù)進行有效的修正。

1　大氣相位延遲的組成及特點

大氣層對于電磁波的延遲作用主要表現(xiàn)在兩方面：(1)電磁波穿過大氣層時，傳播速度不再等于光速，實際傳播速度與傳輸路徑上各處的大氣折射率有關(guān)，因此這一部分的延遲可以通過大氣折射率表示；(2)由于大氣層折射率的不均勻，電磁波在大氣層中的傳播路徑會發(fā)生彎曲，但是當信號源高度角不是很低時，路徑延遲要遠小于因波速改變造成的延遲[12]。因此，本文重點討論因波速改變造成的延遲。

大氣層由電離層和對流層兩個基本部分組成。由于電離層與對流層的組成、時空變化具有很大差異，因此對電磁波的延遲作用也有很大不同。

電離層主要集中在距地面50～1 000 km的高度。由于直接與外太空接觸，電離層中大氣分子受太陽風以及宇宙射線輻射發(fā)生電離，使得電離層中充滿了大量的自由電子和正離子。

對流層主要集中在距地面50 km以下的區(qū)域。由于高度相對較低，遠離外太空輻射，對流層中的帶電粒子比較少。對流層集中了整個大氣層99%以上的質(zhì)量，其中包含的成分比較復雜，不僅有呈氣態(tài)的各種氣體分子，還有水蒸氣冷凝成的液態(tài)雨滴，以及固態(tài)的冰晶和近地面的灰塵沙粒等等。此外，由于靠近地表熱源，近地大氣層具有顯著的對流作用。組成成分的復雜以及對流作用的存在，使得對流層延遲隨時間、空間的變化相對于電離層延遲更加顯著。

1.1電離層相位擾動原理分析

由于大量帶電粒子的存在，電離層是一種色散介質(zhì)。色散介質(zhì)中，電磁波的折射率與電磁波的頻率有關(guān)，這就使得不同頻率電磁波組成的波群通過電離層時會發(fā)生色散，相速超過群速[13]。文[14]通過對經(jīng)典的電離層電磁波折射率公式進行簡化，使用泰勒公式對經(jīng)典公式展開，并忽略對結(jié)果影響不大的高階項，給出了相位折射率和群折射率引起的延遲的近似公式：

(1)

(2)

其中，ne為電磁波傳播路徑上的電子密度；f為電磁波頻率。

除此以外，在低緯度和高緯度地區(qū)，會發(fā)生電離層閃爍的現(xiàn)象。電離層閃爍一般源于太陽上劇烈的能量和物質(zhì)噴發(fā)以及一定條件下大氣層中出現(xiàn)的非線性不穩(wěn)定變化。電離層閃爍對空間飛行器的影響非常大，有時會導致地面天線與空間飛行器暫時失聯(lián)。文[15]使用多顆全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星對海口市2003年、2004年的兩次電離層閃爍現(xiàn)象進行了觀測以及分析，分析得到的數(shù)據(jù)將為建立我國低緯度地區(qū)電離層閃爍模型提供依據(jù)。

1.2對流層相位擾動原理分析

對于15 GHz頻率以下的電磁波，對流層是一種非色散介質(zhì)[16]。對流層延遲主要由兩部分組成。一部分是由干燥空氣引起的，它引起了90%的對流層延遲，這種延遲一般被稱作干延遲，天頂方向的干延遲約為2 m[17]。干延遲隨時間、空間的變化都比較緩慢。

對流層延遲的另一部分是由濕空氣引起的，被稱作濕延遲。濕延遲主要分布在10 km以下的大氣中。相對于干延遲，濕延遲在對流層總延遲中只占不到10%，天頂方向的濕延遲約為0～40 cm[17]。但是由于濕空氣分布以及變化的隨機性，濕延遲隨時間和空間的變化都比較劇烈，預測難度也要高于干延遲。

對流層延遲可以認為是電磁波穿過真空(理想)與穿過對流層(實際)的時間差，文[18]通過計算時間差，并基于對流層折射率的變化性，得到對流層延遲與大氣層折射指數(shù)N的關(guān)系：

(3)

其中，ds為接收站與信號源的視線距離積分；N為大氣折射指數(shù)，與電磁波穿過大氣層各處的大氣狀態(tài)有關(guān)[19]：

(4)

其中，Pd、Pw分別為干空氣、濕空氣分壓；T為大氣溫度；k1、k2、k3為經(jīng)驗常數(shù)。

除了干空氣和濕空氣造成的延遲以外，空氣中的沙塵霧霾也會對電磁波相位造成干擾。文[20]指出，當空氣中的沙塵密度為40～60 g/m3(沙塵暴時的沙塵密度)時，電磁波延遲可達到4～5 m，沙塵的折射率Ns≈18?；谖覈狈讲糠值貐^(qū)多風沙、多霧霾的氣候特點，霧霾沙塵相位干擾的研究成為一個具有很大應(yīng)用價值的方向。

在大氣相位延遲中，電離層延遲占大部分，天頂方向電離層延遲可達到15 m左右，對流層的天頂延遲相對較小，為2.5 m左右。但是，由于對流層的不穩(wěn)定性，使得對流層延遲可以在很短的時間、很小的區(qū)域內(nèi)發(fā)生變化，而電離層延遲的空間相關(guān)性更強, 已有研究表明寧靜情況下中緯地區(qū)電離層空間相關(guān)距離在同一緯度方向上可達上千千米，而沿同一經(jīng)度方向也達數(shù)百千米[21]。對于基線長度在幾千米以內(nèi)的陣列天線而言，對流層延遲對天線之間相位誤差的影響要遠大于電離層延遲。除此以外，采用雙頻接收機配合其它電離層延遲模型，對電離層延遲預測的準確率可以達到90%以上，而對流層延遲的預測準確率一般不足70%，濕延遲的預測準確率更是不到30%?；趯α鲗友舆t預測的難度以及對深空陣的影響，后文著重討論對流層延遲的修正技術(shù)。

2　國內(nèi)外對流層延遲模型研究

由上一節(jié)對流層延遲原理的討論可知，對流層延遲是由傳播路徑上的大氣層溫度、氣壓等氣象參數(shù)決定的。不可能對電磁波傳播路徑上各點的大氣參數(shù)進行實測，但是可以使用地表溫度、氣壓以及海拔高度表示傳播路徑上各個點的大氣參數(shù)。將地表大氣參數(shù)作為輸入，對流層延遲作為輸出，進行建模，然后直接或間接測量對流層延遲，對模型進行反復驗證、修改。這種技術(shù)思路是目前比較常用的一種獲得對流層延遲的方法。這類模型應(yīng)用比較多，有Saastamoinen模型、Hopfield模型、Egnos模型、Black模型等等。

文[22]使用了ALGO觀測站連續(xù)30 d的全球定位系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)作為參考值，對Saastamoinen模型、Hopfield模型、Black模型和Egnos模型的預測精度進行校驗。實驗選取一個月內(nèi)9 000個時間點作為采樣點，在每個采樣點測量3種模型所需的氣象數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，前3種模型在天頂方向的修正精度較高，采樣點最大誤差不超過10 cm；Egnos模型由于不需要很多實測量，應(yīng)用范圍更廣，但精度要比前3個模型低。

除了傳統(tǒng)模型，國內(nèi)外學者通過改變參數(shù)選擇、改進模型算法，提出了諸多新的對流層延遲模型。

新不倫瑞克大學提出了UNB3模型[23]，其最大的特點是不需要氣象傳感器對地面氣象參數(shù)進行實時測量。模型首先給出了一個基于經(jīng)緯度和季節(jié)的氣象參數(shù)經(jīng)驗表，該表是經(jīng)過長時間測量多地氣象參數(shù)預先總結(jié)的。使用者通過內(nèi)插得到本地本時刻的氣象參數(shù)近似值，代入模型進行延遲估計。

文[24]研究了對流層干濕延遲與經(jīng)緯度、高程、季節(jié)、時刻的關(guān)系，引入全球定位系統(tǒng)導航中常用的多曲面方程，建立了一種區(qū)域?qū)α鲗痈蓾裱舆t模型。經(jīng)過與全球定位系統(tǒng)測量結(jié)果的觀測對比，這種模型對干延遲的修正性能要好于UNB3模型，濕延遲修正效果則比較差。

文[25]將全球定位系統(tǒng)觀測網(wǎng)中的每個觀測站視為神經(jīng)元，采用反向傳播(Back Propagation, BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測對流層延遲，并與全球定位系統(tǒng)的觀測值進行對比分析，對比的結(jié)果顯示：76%的預測值與實際值之間的偏差在 3 cm以內(nèi)。利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行預測對流層延遲的精度達到厘米級，36.84%的站點達到毫米級。

基于以上的討論可知，目前的幾種對流層延遲模型以及改進模型對干延遲的預測精度較高。但是，延遲模型仍舊具有很大的局限性，其中限制了延遲模型應(yīng)用于陣列天線的最大問題是模型對濕延遲的預測精度不足。

文[26]使用北京、武漢、拉薩近一個月的全球定位系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)作為參考，對Saastamoinen模型和Hopfield模型預測對流層濕延遲的精度進行了研究，得出了天頂濕延遲模型的準確率只有20%～30%的結(jié)論。

為了分析干延遲和濕延遲對天線陣的影響，文[27]對相鄰天線的延遲變化相關(guān)性進行觀測實驗。實驗觀測了甚大陣天線中，兩個間隔360 m的天線W18和W16在20 min內(nèi)的相位相關(guān)性。實驗結(jié)果顯示：對流層相位延遲的長時間大區(qū)域變化(主要由干延遲變化引起)是部分相關(guān)的，而短時間小區(qū)域變化(主要由濕延遲變化引起)是不相關(guān)的。因此，對于基線長度在幾千米內(nèi)的天線陣，天線之間的相位差主要是濕延遲造成的。

綜上所述，對流層延遲模型可以用來修正整個天線陣的對流層干延遲，而對于濕延遲造成的天線之間的相位差，使用模型修正的效果則比較差?；谘舆t模型對濕延遲預測精度的不足，還需要引進其他技術(shù)修正對流層延遲。

3　深空探測天線陣相位修正技術(shù)

由于深空探測對于實時性的要求，常用于射電天文天線陣的 “快速偏開” 相位修正技術(shù)，在深空探測中無法使用?！翱焖倨_” 技術(shù)的基本原理是選擇與目標源相鄰的參考源，觀測天線在目標源和參考源之間交替切換，對兩次參考源的相位延遲進行內(nèi)插，得到對準目標源時刻的相位延遲。由于這一修正技術(shù)，接收天線無法保持對探測器的連續(xù)跟蹤，所以這種技術(shù)不能完全應(yīng)用于深空探測中，但是其觀測參考源糾正目標源的思路在深空探測中是可以借鑒的。

此外，天線陣列信號合成時，更多關(guān)注天線之間的相位差。即使每個天線的絕對延遲值無法精確測量，只要天線之間的相位差準確，即可實現(xiàn)高效的信號合成。這也就意味著差分的思想在修正天線陣相位延遲中使用比較多。

3.1基于全球定位系統(tǒng)技術(shù)的相位修正

全球定位系統(tǒng)接收機測量對流層延遲的基本原理是在已知衛(wèi)星精密星歷的前提下，計算衛(wèi)星與接收站的實際距離，再使用全球定位系統(tǒng)接收機接收信號，計算全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星與接收站的測量距離，兩者的差值即為總的大氣層延遲。除了應(yīng)用于深空探測，通過全球定位系統(tǒng)測得的大氣延遲還經(jīng)常用于反演對流層中的水汽含量，因此反演得到的水汽含量的準確度，可以間接地表示測量大氣延遲的準確度。

全球定位系統(tǒng)測量大氣層延遲的一個主要問題是全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星與接收機的時鐘偏差。目前消除時鐘偏差的常用方法是采用雙全球定位系統(tǒng)接收機差分。文[28]使用了全球定位系統(tǒng)接收機測量大氣相位延遲，并且反演對流層水汽含量。在實驗中對單個高精度全球定位系統(tǒng)和雙全球定位系統(tǒng)接收機差分的效果進行了對比研究，結(jié)論是采用雙全球定位系統(tǒng)接收機差分得到反演結(jié)果的誤差均方值只有單個接收機的一半。

采用差分全球定位系統(tǒng)測量大氣層延遲的技術(shù)已經(jīng)被整合成各種軟件包，使用最廣泛的是GAMIT軟件。文[17]使用GAMIT與國際全球定位系統(tǒng)服務(wù)組織公布的天頂對流層延遲產(chǎn)品(IGS ZPD)進行對比測試，兩種軟件得到的結(jié)果非常接近，日平均誤差接近0。

基于全球定位系統(tǒng)技術(shù)修正大氣相位的缺點是計算結(jié)果實時性較差。由于對流層中濕空氣變化迅速，使得全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)需要更長的相關(guān)時間和更多的采樣數(shù)據(jù)來計算準確的延遲結(jié)果，這就限制了全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)在深空探測中的應(yīng)用。使用全球定位系統(tǒng)測量對流層延遲，達到厘米級精度需要一個小時的計算時間，要達到毫米級及更高的精度，會有12 h的計算延遲[29]。

3.2基于微波輻射計、激光發(fā)生器的相位修正

地基的微波輻射計主要是利用大氣層在22～200 GHz頻帶內(nèi)輻射特性對大氣層部分參數(shù)進行測量。通過測量氧氣在60 GHz處的亮溫度可以得出大氣溫度分布；測量22 GHz(濕潤地區(qū))和183 GHz(干燥地區(qū))水汽諧振帶水汽線壓力增寬的輻射強度和形狀，可以計算大氣層水汽輪廓線；另外還可以通過測量光譜的形式測量云液態(tài)水廓線的分辨率。

利用微波輻射計測量對流層延遲的一種方法是使用單臺輻射計測量大氣層水汽廓線，通過水汽廓線的亮溫度計算對流層延遲。文[30]使用微波輻射計測量了多個頻率下的水汽廓線亮溫度，并分析了亮溫度與對流層延遲的關(guān)系。文章認為，對流層延遲不僅與亮溫度有關(guān)，還與大氣層的氣壓、溫度、電磁波的頻率有關(guān)。當接收信號的頻率取特定值時，對流層延遲與水汽廓線的亮溫度成正比。文[31]使用微波輻射計對空間成像進行校正，結(jié)果表明在22 GHz時的糾正效果比較滿意。

另一種計算對流層延遲的方法是采用兩臺微波輻射計測量對流層延遲的結(jié)果進行差分，差分得到的結(jié)果要比單臺微波輻射計得到的結(jié)果誤差更低。文[32]將兩臺微波輻射計測量對流層延遲差分的結(jié)果，與兩臺基線長度為250 m的陣列天線的差分結(jié)果進行了對比，對比結(jié)果顯示兩者的數(shù)值非常接近。實驗中，微波輻射計差分與天線差分之間的誤差主要由微波輻射計計算干延遲精度不足造成的。

激光發(fā)生器測量對流層延遲的精度比微波輻射計更高。激光發(fā)生器測量的基本原理與微波輻射計類似，也是通過測量對流層亮溫度計算延遲。不同的是，使用微波輻射計時，輻射源來自太陽光，而使用激光發(fā)生器時，輻射源來自地面的激光發(fā)生器。與微波輻射計測量法相比較，使用激光發(fā)生器測量到的延遲結(jié)果精度更高。文[33]對比分析了大氣溫度對微波輻射計測量結(jié)果和激光輻射計測量結(jié)果的影響，結(jié)果表明大氣溫度的波動會對微波輻射計的測量結(jié)果造成最大10 mm的誤差，而激光發(fā)生器的誤差只有2～3 mm。激光發(fā)生器測量對流層延遲的最大問題是輻射源功率太低，這就需要更長的觀測時間或者更大型的天線來測量對流層的亮溫度。

對比微波輻射計測量對流層延遲與全球定位系統(tǒng)測量延遲，微波輻射計的優(yōu)勢在于不依賴參考衛(wèi)星，不受參考衛(wèi)星誤差的影響，而且可以實時地反饋延遲信息，而全球定位系統(tǒng)計算大氣層延遲會有一段時間的延遲。微波輻射計測量延遲的不足表現(xiàn)在：微波輻射計價格昂貴；測量干延遲的結(jié)果不精確；微波輻射計在降雨天氣下無法使用。

3.3基于校準天線的相位修正

這種方法的原理是在整個天線陣中抽出部分天線作為校準天線。校準天線通過觀測校準源測量大氣層延遲，再通過內(nèi)插等方法得到觀測天線的大氣層延遲。

該修正方法的一個問題是校準源與目標源的頻率比值與它們的延遲比值的關(guān)系。文[34]利用甚長基線陣列天線(Very Long Baseline Array, VLBA)對頻率14.375 GHz和43.125 GHz的兩組信號源進行了10 min的觀測。觀測結(jié)果如圖2[34]。圖2中包含了兩個觀測站的觀測數(shù)據(jù)，可以認為兩組信號源的相位延遲相關(guān)性比較大。

圖2不同頻率延遲相關(guān)性示意圖[34]

Fig.2Correlation of different frequency delay

文[35]使用地球同步衛(wèi)星(發(fā)射頻率19.45 GHz)作為校準源，3C279天體(發(fā)射頻率146.81 GHz)作為目標源，使用日本岡山毫米波陣列驗證校準天線修正技術(shù)的有效性。實驗的結(jié)果顯示，在去除了因校準天線和觀測天線方位角不同造成的誤差后，修正的均方根誤差為0.06 mm。

與基于全球定位系統(tǒng)、微波輻射計的修正方法相比，采用校準天線的最大優(yōu)勢是在保證較高修正精度的前提下，可以不間斷、低延遲地工作，且不受天氣的影響；而缺點主要表現(xiàn)在：(1)抽出部分天線作為校準天線，這種方法降低了整個天線陣的性能；(2)用來校準的參考源必須與目標源位置相近，且不會發(fā)生頻移，選擇符合要求的校準源比較困難；(3)校準源與目標源的位置不一致，導致了電磁波穿過大氣層的路徑不一致，使得測得的延遲出現(xiàn)偏差。另外受到天線陣幾何排列的影響，不是所有的陣列都適合抽出校準天線進行修正。

4　總結(jié)及展望

在介紹大氣層延遲原理的基礎(chǔ)上，將常用的幾種對流層延遲模型及其改進做了論述，并且基于延遲模型預測濕延遲不足的缺點，介紹了幾種用于深空探測中天線陣的相位修正技術(shù)。

在正常氣象條件下，大部分常用的對流層延遲模型均方差精度可以達到10 cm以下，改進模型的精度則更高。但是，無論是基于模型修正大氣相位延遲，還是基于全球定位技術(shù)、微波輻射計、校準天線修正延遲，在深空陣的應(yīng)用中都存在著亟待解決問題。

常用延遲模型中的經(jīng)驗參數(shù)是根據(jù)全球或者歐美地區(qū)的大氣環(huán)境推導得到的，延遲模型在中國地區(qū)使用，會導致模型誤差因為地理位置的差異而增大。對延遲模型進行改進，推導適合中國地區(qū)使用的模型經(jīng)驗參數(shù)，是提高延遲模型精度的有效途徑。

因為各自優(yōu)缺點的存在，單獨使用全球定位系統(tǒng)、微波輻射計、校準天線對大氣延遲進行測量修正都無法完全滿足深空探測的要求。將多種修正技術(shù)綜合使用成為深空探測相位修正的必然趨勢。在保證綜合修正技術(shù)性能的前提下，盡量降低設(shè)備的建造成本是一項非常有意義的研究工作。

此外，隨著宇航技術(shù)的發(fā)展，Ku、Ka等高頻段信號的應(yīng)用越來越廣。對于頻率大于15 GHz的電磁波，對流層不再是一種單純的色散介質(zhì)。目前國內(nèi)外將對流層作為一種色散介質(zhì)進行的研究非常匱乏，加強這方面的研究成為一種必然。

隨著我國深空探測事業(yè)的迅猛發(fā)展，更多性能優(yōu)異的天線陣列的建設(shè)勢在必行。高精度大氣相位擾動修正技術(shù)是深空陣發(fā)揮優(yōu)勢必不可少的部分。

[1]Rogstad D H, Mileant A, Pham T T. 深空網(wǎng)的天線組陣技術(shù)[M]. 李海濤, 譯. 北京: 清華大學出版社, 2005.

[2]孫志遠, 喬彥峰. 美國深空跟蹤通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[C]// 中國宇航學會飛行器測控專業(yè)委員會2005年航天測控技術(shù)研討會. 2005.

[3]李海濤, 李宇華, 匡乃雪. 深空探測中的天線組陣技術(shù)[J].飛行測控學報, 2004, 23(4): 57-60.

Li Haitao, Li Yuhua, Kuang NaiXue. The array antenna group in the detection of deep space technology[J]. Journal of Flight Measurement and Control, 2004, 23(4): 57-60.

[4]洪家財. 天線組陣試驗系統(tǒng)順利建成并投入應(yīng)用[J]. 裝備指揮技術(shù)學院學報, 2011, 22(5): F0003.

[5]朱新穎, 李春來, 張洪波. 深空探測VLBI技術(shù)綜述及我國的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].宇航學報, 2010, 31(8): 1893-1899.

Zhu Xinying, Li Chunlai, Zhang Hongbo. A survey of VLBI technique for deep space exploration and trend in China current situation and development[J]. Journal of Astronautics, 2010, 31(8): 1893-1899.

[6]Nessel J A, Acosta R J. Directivity of a sparse array in the presence of atmospheric-induced phase fluctuations for deep space communications[EB/OL]. 2010[2016-02-10]. http://permanent.Access.Gpo.gov/gpo802/TM-2010-216241.pdf.

[7]Rogstad D H. The SUMPLE algorithm for aligning arrays of receiving radio antennas: coherence achieved with less hardware and lower combining loss[R]// IPN Progress Report. 2005: 42-162.

[8]Cheung K M. Eigen theory for optimal signal combining: a unified approach[R]// The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report. 1996: 1-9.

[9]Vilnrotter V A, Rodemich E R, Dolinar S J. Real-time combining of residual carrier array signals using ML weight estimates[J]. IEEE Transactions on Communications, 1992, 40(3): 604-615.

[10]D′Addario L R. Estimates of atmosphere-induced gain loss for the Deep Space Network Array[R]// The Interplanetary Network Progress Report. 2005: 1-7.

[11]Middelberg E, Roy A L, Walker R C, et al. VLBI observations of weak sources using fast frequency switching[J]. Astronomy & Astrophysics, 2005, 433(3): 897-910.

[12]劉基余. GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法[M]. 北京: 科學出版社, 2008.

[13]肖志斌, 劉瀛翔, 唐小妹, 等. 電離層色散特性對導航信號接收的影響[J]. 國防科技大學學報, 2014(3): 146-149.

Xiao Zhibin, Liu Yingxiang, Tang Xiaomei, et al. Effect of ionosphere dispersion on the navigation signal receiving[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2014(3): 146-149.

[14]徐冬. 大氣層對衛(wèi)星導航信號的時延影響及修正[J]. 電訊技術(shù), 2006, 46(4): 132-136.

Xu Dong. Effect of atmosphere on satellite navigation signal delay and correction method[J]. Telecommunication Technique, 2006, 46(4): 132-136.

[15]陳麗, 馮健, 甄衛(wèi)民. 利用GPS進行電離層閃爍研究[J]. 全球定位系統(tǒng), 2006, 31(5): 9-12.

Chen Li, Feng Jian, Zhen Weimin. The study of ionospheric scintillation by using GPS signals[J]. GNSS World of China, 2006, 31(5): 9-12.

[16]Hofmann-Wellenhof B, Lichtenegger H, Collins J. Global Positioning System: theory and practice[M]. Vienna: Springer Vienna, 1992.

[17]何戰(zhàn)科. 衛(wèi)星測定軌中兩種對流層延遲估算方法的比較[C]// 全國測控計量儀器儀表學術(shù)年會. 2009.

[18]李成才, 毛節(jié)泰. 地基GPS遙感大氣水汽總量中的靜力延遲和濕延遲[J]. 大氣科學, 2004, 28(5): 795-800.

Li Chengcai, Mao Jietai. The concepts of hydrostatic delay and wet delay in remote sensing water vapor with ground based GPS receivers[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2004, 28(5): 795-800.

[19]Spilker J J. GPS signal structure and performance characteristic[J]. Navigation, 1978, 25(2): 121-146.

[20]Solheim F S, Vivekanandan J, Ware R H, et al. Propagation delays induced in GPS signals by dry air, water vapor, hydrometers, and other particulates[J]. Journal of Geophysical Research, 1999, 104(D8): 9663-9670.

[21]鄧忠新, 甄衛(wèi)民, 劉瑞源, 等. 強磁暴期間低緯電離層空間相關(guān)性及其預報應(yīng)用初步分析[C]// 中國地球物理學年會. 2008.

[22]王新龍, 李亞峰. GPS定位中4種對流層延遲修正模型適應(yīng)性分析[J]. 電光與控制, 2008, 15(11): 5-9.

Wang Xinlong, Li Yafeng. Applicability analysis of four troposphere delay error models in GPS positioning[J]. Electronics Optics & Control, 2008, 15(11): 5-9.

[23]Elliot D Kaplan, Christopher J Hegarty. GPS原理與應(yīng)用[M]. 寇艷紅, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[24]戴吾蛟, 趙巖. 區(qū)域?qū)α鲗痈蓾裱舆t建模[J]. 大地測量與地球動力學, 2013, 33(2): 72-76.

Dai Wujiao, Zhao Yan. Modeling the dry and wet component of regional tropospheric delay[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2013, 33(2): 72-76.

[25]王勇, 張立輝, 楊晶. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的對流層延遲預測研究[J]. 大地測量與地球動力學, 2011, 31(3): 134-137.

Wang Yong, Zhang Lihui, Yang Jing. Study on prediction of zenith tropospheric delay by use of BP neural network[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2011, 31(3): 134-137.

[26]曲建光, 趙麗萍, 劉基余. 利用GPS數(shù)據(jù)來評定Saastamoinen和Hopfield天頂濕延遲模型的精度[J]. 黑龍江工程學院學報, 2006, 20(1): 1-5.

Qu Jianguang, Zhao Liping, Liu Jiyu. Assessing the precision of Saastamoinen and Hopfield zenith wet delay model using GPS data[J]. Journal of Heilongjiang Institute of Technology, 2006, 20(1): 1-5.

[27]Carilli C L. Tropospheric phase calibration in millimeter interferometry[J]. Radio Science, 1999, 34(4): 817-840.

[28]Braun J, Rocken C, Ware R. Validation of line-of-sight water vapor measurements with GPS[J]. Radio Science, 2001, 36(3): 459-472.

[29]Bar-Sever Y E, Jacobs C S, Keihm S, et al. Atmospheric media calibration for the Deep Space Network[J]. Proceedings of the IEEE, 2007, 95(11): 2180-2192.

[30]Sutton E C, Hueckstaedt R M. Radiometric monitoring of atmospheric water vapor as it pertains to phase correction in millimeter interferometry[J]. Astronomy & Astrophysics Supplement, 1996, 119(3): 559-567.

[31]Marvel K B, Woody D P. Phase correction at millimeter wavelengths using observations of water vapor at 22GHz[C]// Proceedings of SPIE. 1998: 442-452.

[32]Morabito D D, D′Addario L R, Keihm S, et al. Comparison of dual water vapor radiometer differenced path delay fluctuations and site test interferometer phase delay fluctuations over a shared 250-meter baseline[R]// IPN Progress Report. 2012.

[33]Bock O, Tarniewicz J, Thorn C, et al. Study of external path delay correction techniques for high accuracy height determination with GPS[J]. Physics & Chemistry of the Earth, 2001, 26(1): 165-171.

[34]Middelberg E, Roy A L, Walker R C, et al. VLBI observations of weak sources using fast frequency switching[J]. Astronomy & Astrophysics, 2005, 433(3): 897-910.

[35]Asaki Y, Shibata K M, Kawabe R, et al. Phase compensation experiments with the paired antennas method: 2. millimeter-wave fringe correction using centimeter-wave reference[J]. Radio Science, 1996, 31(6): 1615-1625.

A Review of Correction Methods for Atmospheric Phase Perturbation of Antenna Array in Deep-space Exploration

Zhang Kai1,2, Kong Deqing1,2

(1. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China;2. Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012, China, Email: kdq@bao.ac.cn)

Real-time correction of atmospheric phase perturbation is the key technique for the synthesis of weak signal in the antenna array of deep space exploration. Firstly, principle and characteristics of atmospheric phase perturbation are studied, and effects of the ionosphere and troposphere on the phase perturbation are compared and analyzed. Research status of the tropospheric delay model at home and abroad is summarized, and shortcomings of its application in real-time correction of phase perturbation are analyzed. Differences and similarities between different correction methods of deep space exploration and radio astronomy antenna array are described, and a comparative study is made on the basis of the measurement of the atmospheric phase perturbation correction technology of deep space array. At last, shortcomings of several commonly used correction techniques are summarized; a combination of multiple measurement methods is proposed and the prospect of the high frequency phase delay is discussed.

Deep-space exploration; Antenna array; Phase perturbation; Real-time correction; Troposphere

國家自然科學基金 (U1431104) 資助.

2016-02-23；

2016-04-21

張凱，男，碩士. 研究方向：深空探測陣列天線信號處理. Email: zhangk@nao.cas.cn

孔德慶，男，副研究員. 研究方向：天線組陣技術(shù)、深空通信與導航等. Email: kdq@bao.ac.cn

V556.1； P407

A

1672-7673(2016)04-0455-09

CN 53-1189/PISSN 1672-7673