一種用于同步靜止衛(wèi)星監(jiān)測的微型VLBI網(wǎng)

張志斌，王維，楊鵬,2，KALIUZHNYI Mylolay，米立功，李光輝，李鵬，唐正宏，崔朗，黃勇，王廣利,2

1. 中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 尼古拉耶夫天文臺，尼古拉耶夫 54030 4. 黔南民族師范學(xué)院，都勻 558000 5. 中國科學(xué)院新疆天文臺，烏魯木齊 830011

地球靜止軌道(geostationary orbit, GEO)衛(wèi)星繞地公轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相符，且軌道離心率和軌道傾角均為0，在通信、廣播、偵查、勘測、氣象以及中繼等方面扮演著重要角色。當(dāng)前地球靜止軌道帶的空間資源已相當(dāng)稀缺[1]，可行的解決方案是提高GEO衛(wèi)星的測定軌精度，從而使地球軌道帶可容納更多的GEO衛(wèi)星。然而GEO衛(wèi)星因受日月引力、太陽光壓、地球引力與離心力間輕微偏差等因素擾動，會產(chǎn)生復(fù)雜位置漂移并偏離其平衡點(diǎn)，進(jìn)而可能導(dǎo)致目標(biāo)丟失，相鄰衛(wèi)星間產(chǎn)生無線電頻率干擾以及引發(fā)潛在碰撞風(fēng)險，因此，極有必要開展GEO衛(wèi)星的動態(tài)實(shí)時監(jiān)測。

當(dāng)前GEO衛(wèi)星的監(jiān)測手段主要包括光學(xué)觀測和主被動射電觀測。在光學(xué)觀測方面，衛(wèi)星激光測距精度為厘米級[2]；傳統(tǒng)地基光學(xué)，如GEO衛(wèi)星天文定位工程利用0.33 m和2 m口徑的望遠(yuǎn)鏡獲得了小于百米的定軌精度[3]；加拿大團(tuán)組利用0.36 m的光學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星1 as的測角精度[4]；也有在視寧度較好的條件下，利用2 m大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡將GEO衛(wèi)星測角精度提高到了0.3～0.5 as范圍內(nèi)[5]；上海天文臺利用漂移掃描的方法，獲得了0.2 as的GEO衛(wèi)星觀測精度[6]。在射電觀測方面，因射電頻段與口徑之比要遠(yuǎn)大于光學(xué)，其測角分辨率相對較差。射電觀測中的主動手段，如雙程雷達(dá)對GEO衛(wèi)星的測距精度為15 m[7]；作為常規(guī)的GEO衛(wèi)星跟蹤技術(shù)，統(tǒng)一S頻段測距(USB)利用3～5 m精度的測距數(shù)據(jù)可獲得百米級的軌道測定精度[8]；中國區(qū)域定位系統(tǒng)則利用星上轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)了地面站到衛(wèi)星的距離測量，其測距精度與其對GEO衛(wèi)星的定位精度分別為幾厘米和十幾米[9]；國家授時中心的衛(wèi)星授時和測距系統(tǒng)可獲得約1 m的GEO衛(wèi)星定軌精度[10]；歐洲衛(wèi)星協(xié)會的傳輸流信號數(shù)字高級測距(DARTS)利用兩套測距接收機(jī)分別發(fā)送和接收GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號來確定測距回路耗，其測距精度為5 cm[11]。射電觀測中的被動手段，如中國VLBI網(wǎng)曾用于北斗GEO衛(wèi)星的標(biāo)校，采用2.2 GHz的信標(biāo)及3 250 km的最長基線，獲得了10 m的定位精度[12]；中國首套VLBI全球觀測系統(tǒng)(VGOS)測角網(wǎng)觀測GEO衛(wèi)星所得時延測量精度約10 ps[13]；另外，利用連線相位干涉方法測定GEO衛(wèi)星位置的仿真結(jié)果表明，兩條10 km正交的短基線，可實(shí)現(xiàn)100 m的衛(wèi)星定軌精度[14]；近年來，尼古拉耶夫天文臺的研究人員利用分布于烏克蘭本土的4座小型被動式相關(guān)測距臺站，實(shí)現(xiàn)了對GEO衛(wèi)星Eutelsat 13B數(shù)千米級的定位精度[15-16]。上述各射電技術(shù)中，光學(xué)手段因受白晝及天氣影響，導(dǎo)致其監(jiān)測GEO衛(wèi)星的時段有限，故多用于定軌標(biāo)校。若要實(shí)現(xiàn)GEO衛(wèi)星的持續(xù)監(jiān)測，射電方法是必要手段。其中，主動設(shè)備對發(fā)射功率能力具有一定要求。作為一種被動相關(guān)測時技術(shù)，VLBI在GEO衛(wèi)星觀測及深空探測中扮有重要作用[17-18]，然而傳統(tǒng)大型VLBI天線用于GEO衛(wèi)星的專用觀測時段極為有限，并不能做到持續(xù)監(jiān)測，傳統(tǒng)VLBI設(shè)備單站造價均在千萬元以上，不可移動，且需專業(yè)團(tuán)隊維護(hù)。

近年來，針對上述問題，中國學(xué)者也在研制全天時、全天候、低造價、小型化、快部署、被動式、專用型的GEO衛(wèi)星射電監(jiān)測系統(tǒng)，并于近期成功研制出一種滿足上述特點(diǎn)的微型VLBI觀測系統(tǒng)。由于國際VLBI領(lǐng)域常將十幾米口徑天線稱為“小天線”，故此處將1 m口徑天線稱為“微型天線”，并將微型VLBI觀測系統(tǒng)組成的測網(wǎng)稱為微型VLBI觀測網(wǎng)(MVN)。本文將介紹MVN的系統(tǒng)組成、性能、試觀測結(jié)果和相關(guān)技術(shù)。

1 MVN主要技術(shù)及性能

1.1 MVN的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)

MVN系統(tǒng)基于VLBI基本原理，按GEO衛(wèi)星信號的接收處理順序，依次可分為數(shù)據(jù)接收存儲、數(shù)據(jù)相關(guān)處理和對GEO衛(wèi)星開展定位及定軌三部分，如圖1所示，其中MVN測站用于接收存儲GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號，RCO計算機(jī)用于開展數(shù)據(jù)相關(guān)處理和對GEO衛(wèi)星開展定位和定軌。具體為GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號由各遠(yuǎn)端測站采集并推送至RCO計算機(jī)中，RCO計算機(jī)對各站觀測信號開展歸檔及相關(guān)處理，從而獲取各站間基線時延，這些時延是用以對GEO衛(wèi)星開展定位和定軌的輸入量。

圖1 MVN系統(tǒng)組成Fig. 1 System components of MVN

1.2 站網(wǎng)組成

MVN于2019年6月建成，當(dāng)前包括3座測站：上海站(Sh)、南山站(Ur)以及都勻站(Du)。3條基線Ur-Sh、Ur-Du和Sh-Du長度分別為3 247 km、2 629 km和1 431 km。除上海站擁有2套天線及終端系統(tǒng)用以本地調(diào)試及技術(shù)研發(fā)外，其余兩站各有1套天線面板及MVN終端接收設(shè)備。

1.3 MVN單站接收系統(tǒng)

MVN單站系統(tǒng)組成與信號傳輸流程分別如圖2和圖3所示，具體如下：GEO衛(wèi)星信號由天線面板反射至饋源，再經(jīng)電纜傳輸至計算機(jī)中預(yù)裝的DVB-S模塊，由DVB-S模塊解碼出衛(wèi)星調(diào)制信息中的In、Qu信號，并注入數(shù)字示波器的內(nèi)存中，同時示波器每秒通過USB端口向計算機(jī)中輸入一次In、Qu信號，示波器釋放信號的時刻由輸入示波器的秒脈沖(PPS)信號控制，觸發(fā)延遲時間約100 ms；另一方面，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)授時模塊向計算機(jī)中同時注入天寶標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議(TSIP)數(shù)據(jù)包，除授時信息外，每個TSIP數(shù)據(jù)包中還包括GNSS授時天線坐標(biāo)、GNSS衛(wèi)星數(shù)目等。一旦計算機(jī)接收到該數(shù)據(jù)包，計算機(jī)將從示波器內(nèi)存中讀取In、Qu信號，從而實(shí)現(xiàn)對In、Qu信號的時間標(biāo)記。當(dāng)前各站點(diǎn)采用統(tǒng)一配置，具體為：數(shù)據(jù)記錄采樣率為51.2 MHz，頻次配置為1 s。VLBI是一項測時技術(shù)，GNSS授時模塊的授時精度，一定程度上影響著系統(tǒng)精度，經(jīng)測試，單站GNSS秒脈沖(PPS)授時精度與采樣率相當(dāng)，為10～20 ns。

圖2 MVN單站組成Fig.2 Constitution of the single station of MVN

圖3 MVN單站信號傳輸流程Fig.3 Signal transmission flow chart of the single station of MVN

1.4 相關(guān)處理流程

在MVN系統(tǒng)設(shè)計時，充分利用了GEO電視衛(wèi)星信號的調(diào)制特點(diǎn)，采用了歷元間信號相位差分存儲策略，如下式所示，這不僅避免額外的大氣時延介質(zhì)修正，同時減少了單站的數(shù)據(jù)存儲量：

(1)

式中：Si為單站記錄數(shù)據(jù)；Ii和Qi分別為第i時刻所解碼的In和Qu信號；φi和Ai分別為第i時刻的信號相位與幅度。

為了進(jìn)一步壓縮測站數(shù)據(jù)量，MVN中針對GEO衛(wèi)星采取了定制設(shè)計，即每秒中用200 μs采集一次數(shù)據(jù)，相較傳統(tǒng)VLBI，每小時數(shù)據(jù)量僅為30 M字節(jié)，可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時或定時將各測站數(shù)據(jù)匯集到RCO計算機(jī)中開展數(shù)據(jù)相關(guān)處理。此處對相關(guān)原理作簡要說明，互相關(guān)譜的傅里葉逆變換如下：

(2)

式中：X(f)為一路信號的傅里葉變換譜；Y*(f)為另一路信號經(jīng)共軛變換后的傅里葉變換譜。選取cxy(τ)最大峰值處所對應(yīng)的時延即為相關(guān)處理所求殘余時延。利用式(2)可找出相關(guān)峰值的位置(粗位置)，但該位置精度受限于采樣點(diǎn)數(shù)，對互相關(guān)譜進(jìn)一步開展了希爾伯特變換，基于峰值粗位置，利用信號互相關(guān)譜希爾伯特變換的逆變換特性，對希爾伯特變換譜的零點(diǎn)交叉位置開展精搜索，從而通過內(nèi)插獲得殘余時延的精確相關(guān)值。除殘余時延外，總時延中還包括幾何時延(星站間幾何位置所計算的時延)、設(shè)備間相對延遲以及測站間殘余大氣延遲等，最后以總時延作為后續(xù)定位和定軌的輸入量。

利用MVN時延對GEO目標(biāo)開展定位和定軌的原理：根據(jù)測站與GEO目標(biāo)之間的幾何關(guān)系，構(gòu)建理論時延，然后通過代入觀測時延，得到擬前殘差(閉合差)序列，從而對GEO目標(biāo)位置或軌道信息參數(shù)化，進(jìn)一步得到GEO的位置、速度或根數(shù)，以及時延的擬后殘差[12]。

2 測網(wǎng)觀測能力分析

2.1 本地系統(tǒng)差校正

基于GEO目標(biāo)相對測站“靜止”的特點(diǎn)，MVN各站舍去了GEO衛(wèi)星自動跟蹤功能以及相位校準(zhǔn)功能，這將引入系統(tǒng)誤差。通過電纜換接法與開關(guān)機(jī)測試法來標(biāo)定各站間的系統(tǒng)差。本地標(biāo)定系統(tǒng)誤差后，再將設(shè)備部署到各遠(yuǎn)端站。具體如下：針對并置站多套接收終端采用不同組合方式換接電纜，從而獲得多組時延值，通過構(gòu)造多個誤差方程，通過平差便可標(biāo)定設(shè)備(測站)間的相對延遲，這些相對延遲包括并置站間幾何時延、電纜間相對延遲以及示波器采樣相對延遲，從而克服了系統(tǒng)無法開展相位校正和射電源修正的缺陷。

此外，通過開關(guān)機(jī)測試表明，接收設(shè)備各部分間的相對時延并不會隨測站采集計算機(jī)的開關(guān)機(jī)而變化，這是本地測站可遠(yuǎn)程部署的前提，以上測試也表明了系統(tǒng)誤差標(biāo)定的可靠性。不僅如此，測站異地部署后，MVN還利用了光學(xué)測角信息來標(biāo)定各基線的系統(tǒng)差。

2.2 單站接收系統(tǒng)精度

通過開展本地測試表明，單基線所測定的時延精度約25 ns ，這與各接收終端所用 GNSS 授時模塊精度的推算結(jié)果一致。這里采用閉合時延來評估扣除系統(tǒng)差后的單站觀測精度，閉合時延Δ計算公式如下，該值獨(dú)立于系統(tǒng)誤差。

Δ=τAB+τBC+τCA

(3)

式中：τAB，τBC和τCA表示3條基線相關(guān)處理后的實(shí)測時延序列。如圖4所示，其中各子圖橫坐標(biāo)0時刻均為2018年11月5日00:00:00(協(xié)調(diào)世界時)，在開展多站臺的本地并置測試時，A、B、C三個終端接收信號時，因終端C的授時模塊對溫度變化較敏感，使得基線AC、BC的時延序列均在100～110 h處出現(xiàn)浮動，但這些影響并不會體現(xiàn)在閉合時延中，由圖4可知，閉合時延精度為4.6 ns。由于3個終端均采用相同的硬件配置，可推出扣除系統(tǒng)差后的單站觀測精度為2.6 ns。

從圖4中也可看出，GNSS授時設(shè)備盡管型號相同，但溫敏特性卻不同，因此并不能建立統(tǒng)一的溫度時延改正模型來修正時延序列。對此，通過充分研究時延的溫度特性后，對各站GNSS授時模塊采取了溫控措施，最終獲得了總體平穩(wěn)的時延序列。

圖4 本地測試中各基線時延隨溫度 變化特性及閉合時延Fig. 4 Characteristics of baseline delay variations with temperature in local testing

2.3 MVN的觀測結(jié)果

本文利用MVN各日觀測時延對亞太6C衛(wèi)星定軌，所用策略如下：分析過程采用的天文常數(shù)、參考系、力學(xué)模型和測量模型參照(2010)IERS規(guī)范[19]。力學(xué)模型包括：日月引力攝動；固體潮攝動；海潮攝動；地球形狀攝動(JGM2地球引力場模型，截取到10階次)，同時考慮日、月、太陽系行星的第三體攝動，不考慮大氣阻力；太陽光壓攝動，固定光壓參數(shù)為1.24；廣義相對論；地球自轉(zhuǎn)形變攝動；經(jīng)驗(yàn)加速度。測量模型包括：Saastamoinen-NMF大氣折射模型、固體潮引起的臺站位移、永久潮汐項對臺站的影響、海潮負(fù)荷潮對臺站的影響、地球自轉(zhuǎn)形變對臺站的影響。定軌計算中涉及到的參考系包括：J2000.0平赤道(X-Y平面)和平春分點(diǎn)(X軸方向)、IAU76歲差、IAU1980章動模型(加上IERS章動改正)、DE403/LE403行星歷表、地球參考架ITRF2000。

為監(jiān)測MVN的測量精度和性能，采用了2019年6月18日至6月25日為期1周針對亞太6C 衛(wèi)星的3站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，并對時延數(shù)據(jù)開展了分段平滑，平滑窗口為1 min，通過1周觀測，MVN共獲得32 448條1 min分辨率的時延，以此對亞太6C定軌及評估MVN觀測能力。

為進(jìn)一步標(biāo)定系統(tǒng)差，利用了上海天文臺麗江觀測站6月20日及6月21日針對亞太6C地球靜止衛(wèi)星的177組光學(xué)測角數(shù)據(jù)，來評估MVN 對GEO衛(wèi)星測定軌的外符精度。各基線所標(biāo)定的系統(tǒng)差如表1所示。MVN中各站以GNSS天線位置為站點(diǎn)坐標(biāo)初值，但因條件所限，GNSS天線位置與天線面板相距甚遠(yuǎn)，這是引起較大系統(tǒng)差的主要原因。Ur站GNSS天線固定于觀測室外墻一側(cè)，所測GNSS衛(wèi)星數(shù)目較少，導(dǎo)致該站部分觀測弧段授時精度較差，進(jìn)而也會引起系統(tǒng)差，此外Ur站距離目標(biāo)較遠(yuǎn)(不同于Sh、Du的54 dBW，衛(wèi)星在該處輻射功率為46 dBW)，與Ur相關(guān)基線的時延觀測精度相對要差2～3 ns。由于MVN具備良好的幾何構(gòu)型，時延觀測精度相較本地測試提高了4～5倍。

表1 MVN各基線精度統(tǒng)計

亞太6C衛(wèi)星的軌道內(nèi)符精度通過利用各天時延定軌所推算的位置和速度的重疊弧段來評定。觀測時延按天共分為8個弧段，其中前7個弧段用24 h觀測數(shù)據(jù)定軌，然后預(yù)報12 h目標(biāo)位置信息。亞太6C衛(wèi)星初軌由其初始位置(134°E)解得，軌道信息則通過每日時延求解并逐日更新。表2為MVN觀測GEO衛(wèi)星軌道內(nèi)外符精度統(tǒng)計，其中“平均”表示對8個觀測弧段內(nèi)的每日定軌殘差中誤差取平均，“最大”表示所有觀測弧段中出現(xiàn)的最大殘差值；“R、T、N”分別表示徑向、切向和法向分量；軌道的外符精度則利用上述光學(xué)測角數(shù)據(jù)來確定。在亞太6C GEO衛(wèi)星的位置分量誤差中，N方向上最小。由于地球靜止軌道的動力學(xué)約束，R方向分量誤差要小于T方向分量誤差。由1周觀測數(shù)據(jù)來看，MVN測量GEO衛(wèi)星坐標(biāo)和速度的最大誤差與平均誤差均相近，位置的內(nèi)外符精度分別為105 m和373 m，速度的內(nèi)外符精度分別為0.6 cm/s和3.4 cm/s。

表2 MVN觀測GEO衛(wèi)星軌道內(nèi)外符精度統(tǒng)計

3 結(jié)束語

當(dāng)前MVN對地球靜止衛(wèi)星的定軌能力為百米級(內(nèi)外符分別約100 m和400 m)。相較傳統(tǒng)VLBI，MVN具有全天時、全天候、低造價、小型化、快部署、被動式、專用型等優(yōu)勢，這對GEO目標(biāo)監(jiān)測以及完善光學(xué)手段監(jiān)測具有重要意義。

MVN單站設(shè)備成本價格可控制在數(shù)萬元內(nèi)，相比主動式發(fā)射站及傳統(tǒng)VLBI單站千萬級的修建耗資，MVN整套系統(tǒng)硬件價格可謂微不足道。

為適應(yīng)今后GEO衛(wèi)星的高精度監(jiān)測，MVN會開展必要的功能擴(kuò)展，改造方向包括：增加測站提高覆蓋度與可靠性；擴(kuò)展所能兼容的頻段與信標(biāo)類別；提高授時精度至2 ns；加入轉(zhuǎn)盤等指向裝置，將天線改造為赤道式或全天式，便于快速切換觀測目標(biāo)等。通過這些精細(xì)化手段，有望將GEO定軌精度提高到幾十米內(nèi)，這將對GEO目標(biāo)的常規(guī)監(jiān)測發(fā)揮重要作用。

致 謝：感謝上海天文臺光學(xué)天文研究室毛銀盾和羅浩在光學(xué)測角數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方面所提供的幫助；感謝尼古拉耶夫天文臺Oleksandr Shulga教授在授時系統(tǒng)溫控方面所給建議。