深空微波測距測速現(xiàn)狀及發(fā)展建議

徐茂格，施為華

（中國西南電子技術研究所，成都 610036）

0 引 言

深空探測器通常距離地球有數(shù)億，甚至數(shù)10億km距離。以火星為例，火星與地球的星際距離在5 000萬～5億km之間變化，因此無法使用類似全球定位系統(tǒng)這樣的地球軌道衛(wèi)星導航。遙遠的距離帶來的問題同時包括微弱的接收信號，惡化了測距測速精度；以及深空探測器相對于單個地面深空站測量的幾何關系變化非常微小，也就是觀測幾何差，不利于高精度的軌道測量。

為了獲得高精度的軌道測量信息，國際上紛紛在無線電測量領域開展了一系列研究，包括將工作頻率提高到Ka頻段、超窄帶鎖相環(huán)、三相測速和測距、星上偽碼再生測距等[1-2]，以及開發(fā)了雙差分單向測距（Delta Differential One way Ranging，△DOR）來提供探測器精確的角位置。

以探月工程為牽引，兼顧火星、小行星等深空探測任務的需求，我國建立了深空測控網(wǎng)，在20 dBHz條件下，X頻段測速隨機誤差為0.1 mm/s，測距隨機誤差為1 m，極大地提升了我國遠距離測控通信能力。根據(jù)我國深空探測后續(xù)任務規(guī)劃，在載人登月、火星和小行星等深空探測任務中，探測器一般需要多次遠距離變軌才能到達目的地，變軌精度要求很高；此外深空探測的科學任務，比如行星重力場研究等對軌道本身的測量精度要求也在提高。深空微波測量相關誤差控制技術待完善攻關，以滿足未來深空載人探測等任務對高精度測量技術的需求。

本文首先研究了國外深空測控無線電測量最新研究進展，歸納總結了國內(nèi)深空微波測量現(xiàn)狀，深入分析了測距、測速的主要誤差源，在此基礎上給出了深空微波測距測速發(fā)展建議。

1 國外深空測控無線電測量研究進展

目前國外深空高精度測量的直接任務需求是歐空局水星探測任務——BepiColombo，計劃2022年到達水星，該任務將對水星進行全面觀測，尋找水星上的撞擊坑，研究水星的起源和內(nèi)部物質(zhì)構成，探測水星的稀薄大氣和水星磁場，并且驗證愛因斯坦提出的廣義相對論。這個探測任務對測量精度提出了較高的要求，為此，2010年歐空局制定了提高無線電測量精度的路線圖，具體來說就是將多譜勒測量精度提升到X頻段0.01 mm/s（60 s積分時間），雙向測距精度提高到20 cm，△DOR測量精度提升到1 nard，如表 1所示。

該項研究由羅馬第一大學、ALMA空間公司、BAE系統(tǒng)公司以及意大利泰雷斯阿萊尼亞宇航公司組成的項目組開展具體工作[3]。擬采取的措施主要有：

表1 ESA 深空測控精度提升目標Table 1 ESA deep space measurement accuracy improvement goal

1）采用X、Ka雙頻測量，差分抵消等離子體等的影響。

2）星上采用國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data System，CCSDS）的再生偽碼測距；再生偽碼測距提高了測距信號的功率利用率，有望將白噪聲帶來的測距隨機誤差降低到10 cm以內(nèi)。

3）在線實時校正，地面站測距系統(tǒng)誤差校準精度在15 cm以內(nèi)。

NASA也計劃通過采用多頻鏈路、將測距音提高到4 MHz以及地面零值實時校正等措施將X頻段的測距精度提高一個數(shù)量級[3]，如圖 1所示。

圖1中的現(xiàn)在系統(tǒng)指的是目前深空站上/下行工作頻段X頻段，測距音頻率1 MHz，站零值校正方式為跟蹤前或后零值校正；試驗目標指的是基于現(xiàn)有深空站和應答機能力，地面零值采用實時校正方式；未來改進指的是頻率提升到Ka頻段，測距音提升到4 MHz，地面零值實時校正。

圖1 NASA深空測距精度提升目標Fig.1 NASA deep space ranging accuracy improvement goal

此外，在其他涉及高精度測量的領域，比如高精度雙向時間比對，在多頻測量和提高測距偽碼頻率的基礎上，正在進一步研究利用載波相位測量實現(xiàn)皮秒量級測量精度，如圖2所示的ESA EGE（Einstein Gravity Explorer）項目。

圖2 ESA EGE項目高精度頻率傳遞鏈路Fig.2 ESA EGE high accuracy time and frequency link

該任務將冷原子鐘組搭載于傾斜軌道衛(wèi)星上，利用微波鏈路來實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的時間頻率傳遞，其中微波鏈路利用載波相位測量實現(xiàn)時間頻率比對精度皮秒量級[4-5]，主要由德國Timetech公司開展，目前已開展了兩代設備的研制，最新研制的原理樣機實現(xiàn)測量精度達到碼測距1 cm（30 ps），載波測距0.1 mm（0.3 ps）[6]。

2 我國深空測控無線電測量現(xiàn)狀

目前地球軌道航天測控任務多由我國隨著載人航天工程建立起來的S頻段航天測控網(wǎng)支持。S頻段測控網(wǎng)具有精密跟蹤、測距、測速、對飛行器遙控、遙測、雙向話音及下行圖像傳輸?shù)墓δ?，和國外同類網(wǎng)相比，具有測量元素多、精度高、實用性強等特點。探月工程啟動后，我國建立了深空測控網(wǎng)，在布局上由分布在我國東部、西部以及南美洲的3個深空站提供全球90%以上的測控覆蓋，主用的頻段是X頻段。提高工作頻率可以有效地提高深空測控測量精度和遠距離通信性能。在“嫦娥2號”工程中對X頻段測控技術進行了研究和試驗驗證，結果表明[7]：

1）在測速方面，隨著工作頻率的提高，測速隨機誤差減小。在下行鏈路同等接收信噪比情況下，X 頻段測速精度由S頻段的厘米量級提高到了毫米量級。

2）在測距方面，我國S頻段測距最高的主音頻率是100 kHz，在指標預算中測距隨機誤差一般為10 m；在此次X頻段測控試驗中，采用了500 kHz測距主音，測距精度小于1 m。

2.1 測距誤差源分析

由于收/發(fā)信號的時延很大，接收到的信號十分微弱，這就使深空測距具有下述特點：長時延的距離捕獲、超遠距離的解模糊、低C/N0測距信號的捕獲和跟蹤。因此在距離測量體制方面，為兼顧我國目前測距體制，同時滿足深空探測多種測距體制和國際合作的需要，采用了側音測距、音碼混合測距和偽碼測距3種測距體制[8-9]。

測量距離是通過測量收發(fā)信號時延來實現(xiàn)的，原始時延測量值ρ可表示為

其中：表示地面站/星上設備零值；表示對流層的附加延遲；R表示視線幾何時延；表示等離子體的附加延遲；分別表示上下行工作頻率；分別表示上下行電子含量；n表示熱噪聲等引入的隨機波動。

從式（1）可以看出，星地雙向閉環(huán)測距誤差可以從以下3個方面開展分析。

1）空間附加延遲

空間傳輸附加延遲包括地球軌道電離層、對流層、行星等離子體以及日冕等。目前深空測控采用的是單頻測量，大氣傳輸延遲的修正是通過大氣測量設備結合延遲模型進行估計，也就是修正采用的是外校正方式。

對流層傳播延遲可以表示為

其中：表示“干”分量；表示“濕”分量；P 表示氣壓；T表示溫度；表示水蒸氣氣壓；M 和N是常數(shù)。

“干”分量引起的傳播路徑的延遲較大在米量級，但比較容易處理，只要簡單地測出干大氣壓即可。“濕”分量引入的路徑延遲在數(shù)10 cm量級，但變化較大，需要水蒸氣微波輻射計進行精確標定。結合微波水汽輻射計精確測量與大氣修正模型，可以將對流層延遲修正誤差控制在1 cm以內(nèi)。

在深空測控通信中，行星等離子體引入的路徑延遲需要重點考慮，其典型特點是取決于平均電子密度（隨距角而變化），SEP（Sun-Earth-Probe）角越小，行星間等離子體引入的路徑延遲越大，極端情況可能高達數(shù)米。傳統(tǒng)的地球軌道衛(wèi)星定位系統(tǒng)比如GPS，采用的是單向測距，在大氣傳輸波動修正中只需要修正單向波動，而在測控通信系統(tǒng)中采用了雙向測量，且考慮到收發(fā)隔離，上下行頻點相距較遠，因此在傳輸延遲波動修正宏中需要同時考慮上行和下行延遲[10]。

2）設備距離零值

設備距離零值包含應答機零值和地面設備零值。應答機的距離兩種一般是上天前通過儀器精密標定，并折算到應答機的天線相位中心位置。地面測距的參考點選在天線方位軸和俯仰軸的交點并通過精密測控得到其坐標，地面設備的零值通過在系統(tǒng)工作前的距離校零得到。可以看出，目前的設備零值是在某一典型狀態(tài)參數(shù)（比如電平、溫度、多譜勒）下的標校得到，而應答機和地面測控設備通常包含了大量的有源電路以及模擬器件，其電路的非線性和群時延特性，易受環(huán)境溫度變化以及老化等帶來測距零值變化。傳統(tǒng)地面測控通信的系統(tǒng)設計中，由于工作狀態(tài)的變化帶來的距離零值變化可以通過距離校零（每次任務前或者任務后）來修正[4]。在目前深空測控通信工程指標分配中，校零殘差預估為3 m。

3）熱噪聲等引入的隨機波動n

純側音、音碼混合測距隨機誤差主要由主音環(huán)的相位抖動決定，偽碼測距隨機誤差主要由碼環(huán)相位抖動決定。以主音環(huán)的相位抖動為例，地面熱噪聲對主音環(huán)相位抖動影響引入的誤差為

由式（3）可以看出，測距隨機誤差主要取決于接收信噪比，環(huán)路帶寬以及測音主音頻率。測距主音頻率越高，熱噪聲引起的測距隨機誤差越小。我國“嫦娥任務”中， 綜合考慮測距轉發(fā)帶寬和噪聲的影響，X頻段測控采用了500 kHz 測距主音。在主音環(huán)相位抖動影響引入的誤差約為0.3 m。ESA地面深空站的音碼混合測距系統(tǒng)的主音頻率最高可達1.5 MHz。

2.2 測速誤差源分析

測控通信系統(tǒng)通過測量無線電鏈路多譜勒頻率來測速。由于深空探測器距離地球很遠，致收/發(fā)時延很大（例如，火星與地球間的收/發(fā)時延約45 min），而且接收到的信號已十分微弱。為了減小測速隨機誤差，深空測控通信中測速采用長時間積分（目前最長可到60 s）。在雙向測速模式下，發(fā)射機和接收機使用同一個頻率源，而且深空站一般使用氫脈澤這樣的高穩(wěn)定頻標，在電報往返傳輸?shù)臅r間間隔以及60 s積分時間內(nèi)，氫脈澤的穩(wěn)定度在10–15量級，故它的影響相對于系統(tǒng)中的其他誤差可以忽略。

測速誤差分析重點考慮行星等離子體及熱噪聲，原始多譜勒測量量可由式（4）表示。

其中：K表示轉發(fā)比。

1）行星間等離子體

在太陽–地球–探測器夾角較小時，載波信號穿過日冕時會有相位閃爍，從而帶來測速誤差，這個影響的程度在很大范圍內(nèi)是變化的，它取決于太陽的活動情況，經(jīng)分析S頻段可能達到近10 mm/s，這是導致多譜勒測速誤差加大的一個重要原因。

2）熱噪聲n

載波環(huán)信噪比直接影響測距隨機誤差，與積分時間成反比。采用極窄帶鎖相環(huán)可以提高測速精度，但同時需要考慮環(huán)路的動態(tài)跟蹤能力。

其中：T表示的是測量積分時間，單位為s；c表示的是空中的光速，單位為mm/s；表示的是下行鏈路載波頻率，單位為Hz；BL表示的是下行鏈路載波環(huán)單邊帶寬，單位為Hz；G表示的是應答機轉發(fā)比；表示的是下行鏈路載波環(huán)路信號噪聲比，單位為dBHz；表示的是上行鏈路載波功率與噪聲頻譜密度比率，單位為dBHz，應答機接收端載噪比為

經(jīng)估算，X頻段，積分時間T=60 s，

則熱噪聲引入的測速誤差約0.05 mm/s。

3 后續(xù)發(fā)展建議及初步分析

從以上測距誤差分析可以看出，相對于目前米級的測距精度，后續(xù)可以從以下3個方面開展工作：

1）減少空間傳輸波動，頻段提高到Ka頻段，進一步多頻同時測量可以解算大氣傳輸波動。

2）控制設備零值的變化，開展地面以及星上設備零值實時監(jiān)測技術研究。

3）減少測距隨機誤差，采用星上寬帶偽碼再生測距或者更高頻率的測距主音。

測速精度的提升瓶頸在于行星等離子體帶來的測速誤差惡化。工作頻率的提高是一個有效途徑，但是在日冕極大增強時（SEP小于15°）效果并不理想，采用X與Ka頻段雙頻觀測是有效的解決途徑[11-12]。

綜上所述，多頻同時測量可以同時有效地提高測距和測速精度，是深空微波高精度測量體制設計中的重要內(nèi)容。此外與測速不同，測距需要標校設備的絕對距離零值以及監(jiān)測其變化情況。

3.1 多頻鏈路設計

工作頻率的提高，可以減輕等離子體的影響。相對于X頻段，系統(tǒng)工作在Ka頻時可以將等離子效應降低約1/18。但這種方法在日冕時（SEP小于15°）效果并不理想。

目前傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)采用的是單頻測量，電離層附加誤差修正采用的外校正的方式。相對于外校正，基于多頻鏈路的系統(tǒng)內(nèi)校正測量精度更高。由于測控系統(tǒng)采用的是雙向測量，以雙向測距為例，雙向距離ρ方程為

式（7）中只有一個已知量ρ，存在3個未知量R、Iu與Id。為了求解出準確的R，需要消除上下行電離層的影響，需要3條雙向測距鏈路。

結合后續(xù)深空頻率規(guī)劃，建議采用X/X、X/Ka、Ka/Ka頻段的多頻鏈路。X/X、X/Ka、Ka/Ka頻段的多頻鏈路的雙向測距觀測方程為

研究表明即使在大SEP角情況下，多頻系統(tǒng)也基本能將等離子體影響消除，可以提供的測量精度即便是在探測器接近合日位置時也能達到10–2mm/s，提供能將等離子噪聲完美界定出來的數(shù)據(jù)集。

多頻系統(tǒng)的采用使得無線電觀測量不受距角的影響，但是帶來系統(tǒng)復雜度的增加，目前深空站的均是單頻工作以及單品測量。為了支持多頻同時測量，地面設備需支持多頻同時發(fā)射以及接收，同時也包括航天器應答機需支持多頻同時發(fā)射與接收。從航天方面看，因為電磁兼容性問題，設計一個單獨的集成單元來支持X/X、X/Ka及Ka/Ka三個鏈路的同時傳輸同樣充滿挑戰(zhàn)。圖 3為深空探測器多頻應答機的典型配置。

圖3 深空探測器多頻應答機配置Fig.3 Deep space explorer multi-link transponder configure

3.2 設備零值在線高精度監(jiān)測

在傳統(tǒng)地面測控系統(tǒng)中的距離校零一般采取任務前或任務后的標校，星上設備的零值在上天前通過地檢設備測量得到。測距精度近一步提高在很大程度上受限于校零的準確性以及零值變化的實時監(jiān)測。本文設計了一種設備零值實時監(jiān)測環(huán)路如圖 4所示，星上應答機也可采用類似校零環(huán)路。校零環(huán)路設計的一種重要考慮因素是零值監(jiān)測信號的傳輸路徑盡可能與工作信號一致，因此。圖 4給出的校零環(huán)路設計中，在功放輸出耦合部分上行信號混頻道下行接收信號頻段再通過場放前的耦合口耦合到下行接收鏈路中，形成閉環(huán)監(jiān)測環(huán)路。

圖4 地面站零值實時監(jiān)測Fig.4 Ground station delay bias online monitor

圖4中下行鏈路中同時存在航天器下發(fā)的下行鏈路信號和從功放耦合口環(huán)回的上行信號，因此實時監(jiān)測環(huán)路的系統(tǒng)設計中，還需要重點考慮以下2方面問題。

1）環(huán)回信號與應答下行信號間的互干擾抑制問題。在多頻鏈路系統(tǒng)設計中，下行鏈路不僅包含了航天器下行X頻段信號、航天器下行Ka1頻段信號、航天器下行Ka2信號，同時還有自校正X頻段信號、自校正Ka1信號、自校正Ka2信號。對于不同的測量體制，多路信號的互干擾可以采取不同的措施，偽碼測距可以通過設計上行偽碼和下行偽碼的正交方式來減少多址干擾，或者引入再生干擾抵消技術，側音測距中可以通過修改實時校零本振的方式來避免環(huán)回信號和應答下行信號頻譜重疊。

2）實時監(jiān)測單環(huán)路附加環(huán)節(jié)的高穩(wěn)定性設計。實時校正單元用于上下行鏈路硬件時延的實時校準，對時延穩(wěn)定性要求最高。且自身的時延需要通過儀器定期標定，并采用恒溫設計，確保自身的硬件時延長期穩(wěn)定性。

在前期關鍵技術攻關過程中，搭建了地面實時校零環(huán)路測試平臺，測試了干擾抑制技術和零值實時監(jiān)測的實際效果，如圖5所示。從圖5中可以明顯看出干擾對消后，信號的主瓣已基本消失，頻域幅度降低最大超過10 dB。

圖5 干擾對消效果示意圖Fig.5 Mutual interference reduction technology testing

表2 干擾對消前后測距誤差Table 2 Ranging error before and after mutual interference reduction m

4 結束語

深空無線電測量精度進一步提高的瓶頸主要在于空間鏈路傳輸波動。多頻同時測量可以使得無線電觀測量基本上不受太陽–地球–探測器角度的影響。此外，絕對距離的測量還需要重點關注系統(tǒng)的校零殘差，對零值標定精度提出了較高的要求，同時需要引入在線校正環(huán)路實時監(jiān)測設備零值的變化。

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