Δ DOR深空導航定位技術進展

周小坤,陳 竹

(裝備指揮技術學院,北京101416)

0 引 言

深空探測任務對航天器導航定位的要求很高,體現在三個方面:一是探測器進行硬著陸或軟著陸時需要高精度導航;二是探測器一般需要多次遙遠距離變軌才能到達目的地,對變軌精度要求很高;三是探測器軌道載入后進入其他星體軌道時需要進行高精度定軌,尤其是對其他星體進行引力測量等科學探測任務時,軌道精度直接影響測量精度[1]。目前深空探測器導航定位所采用的方法主要是傳統信標機測距和多譜勒測速,由于深空探測器距離地球遙遠,下行信號十分微弱,因此,這一技術精度取決于地面站對信號的接收能力,其中包括天線的增益及接收機的噪聲溫度。天線增益可以通過增大天線口徑的方法得以改善,如NASA的深空網(DNS)在70年代已經建成70 m口徑的天線,但限于技術和經費因素天線的口徑已經很難繼續擴大;接收機的噪聲溫度限于目前器件性能也很難有階段性的提高。在這一背景下,提出了一種基于甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)的深空導航定位技術 Δ DOR(Delta Differential One-Way Ranging,Δ DOR),其導航定位精度除了與天線增益和接收機性能有關外,還取決于天線之間的基線長度,而基線長度原則上不受限制,可達數千公里,因而,可以極大地提高測量精度。目前的測角精度達毫角/米量級,當應用于奔月軌道時,定軌誤差只有幾米[2-4]。

國外對Δ DOR深空導航技術的研究始于20世紀70年代,主要的研究機構是美國的NASA、歐洲ESA和日本的JAXA。Δ DOR導航定位本質上是VLBI測量技術的一個應用,當時VLBI測量技術剛剛進入實用階段,NASA噴氣推進實驗室(JPL)就開始考慮如何將這種高精度的測量技術用于深空探測器的導航定位,經過近10年的研究準備,Δ DOR技術于1978在旅行者1號經過木星時得到了實際運用。自此,NASA對ΔDOR深空導航技術的研究就一直沒有中斷,并且ΔDOR已成為其經常性的探測器導航服務項目。ESA從1986年開始著手研究ΔDOR技術,最初導航任務由NASA全權代理,在1992年Ulysses探測器再臨近木星時,測軌精度因為ΔDOR系統的應用得到了提高。ESA于2005年8月首次獨立具備了ΔDOR導航定位能力,但目前主要還是通過與NASA和 JAXA開展國際合作完成。日本的JAXA從2003年開始關注Δ DOR技術,對其首個火星探測器NOIOMI開展了大量 ΔDOR觀測。MOIOMI由太空與太空航行科學研究所(Institute of Space and Astronautical Science,ISAS)開發,計劃1998年到達火星,但因變軌錯誤而不得不更改飛行方案,分別于2002年、2003年進行了兩次高精度變軌。為了確保變軌成功,ISAS的科學家于2002年8月正式啟動ΔDOR導航定位系統,在測量過程中使用了日本境內的9副X頻段VLBI天線以及位于加拿大的46 m直徑的Algonquin天線,測量結果幫助JAXA修正了飛行參數,順利完成了變軌。

我國首次Δ DOR的測量于2004年7月進行,測量的航天器是2003年12月從西昌發射的“探測一號”科學衛星,測量的主要目的是為日后要進行的“嫦娥一號”探月衛星導航定位提供技術積累,研究VLBI測量技術對探月衛星定軌的貢獻。當時利用上海佘山、烏魯木齊南山和云南昆明的3個VLBI站,采用上海天文臺自行編制的軟件完成了數據VLBI相關處理,測量結果顯示平均定軌誤差為2 km,測速精度可達5 cm/s[5-7]。2007年“嫦娥一號”探月衛星成功發射后,ΔDOR技術對衛星月球軌道的高精度定軌正式發揮作用。

1 基本原理

ΔDOR測量的原理如圖1所示。航天器從深空發射回一組側音信號,地球上不同地理位置的觀測站對該側音信號進行觀測并同步記錄在一定的存儲介質中。觀測站間的基線很長,因此,側音信號到達各站的時間存在延遲,將各站的觀測數據通過一定的方式傳輸到數據處理中心,通過相關處理器處理就可以解算出信號到達各站的延遲,從而確定航天器相對于觀測站的角度。但這種未校準測量結果中存在許多誤差,如電離層延遲、對流層延遲、時鐘偏差、站址偏差及接收機設備延遲等等。為了消除這些誤差,Δ DOR觀測時引入了射電天文坐標系,該坐標系以宇宙中若干恒定射電源作為基準點,這些射電源的位置由國際天文組織經過長期的VLBI觀測得到,角位置精度可達到nrad級。由于射電源信號與航天器信號所經過的信道完全一致,因此,可以認為測量射電源信號時由空間環境及設備引入的延遲誤差與測量航天器信號時引入的誤差相等,這一誤差項可以通過射電源的時延測量值與標準值求差解算出來,再利用該誤差項對航天器的位置進行修正就能得到高精度的航天器方位角值。實際測量時,射電源和航天器不可能同時得到天線的跟蹤,對射電源信號和航天器信號的接收只能交替進行,如采用射電源─航天器─射電源或航天器─射電源─航天器等方式[8-10]。

圖1 ΔDOR測量原理框圖

航天器發射的側音信號是一組S頻段、X頻段或Ka頻段的正弦或方波信號,這些信號可以是單音信號,也可以通過偽隨機碼進行擴頻,目的是更加精確地模仿自然界中的射電信號。射電源信號是帶寬從幾G到幾十G不等的寬帶白噪聲信號,觀測時一般只選用和航天器側音信號中心頻率對應的頻率通道進行觀測,以確保其通過儀器設備產生的延遲與航天器側音信號通過儀器設置時產生的延遲一致。射電源選擇的原則是位于航天器的附近,一般在10°以內,目前國際天文組織已公布了許多免費的星歷表,如 SDSS、ICRF、LBQS及JPL深空網專用星歷表等,以便尋找與探測器位置最為匹配的射電源。

完整的ΔDOR系統結構及信號處理流程如圖2所示。來自航天器和射電源的信號經拋物面天線接收后送往高頻接收機進行下變頻及增益處理。高頻接收機的輸出信號送入一個稱為基帶轉換器(Base Bandwidth Converter,BBC)的部件中,在基帶轉換器內寬帶射頻信號根據預先編制好的觀測計劃在各個頻點進行基帶下變頻,并通過濾波器濾除各頻率通道的帶外信號,數據記錄儀對各通道信號進行采集并按一定的格式記錄在磁帶或磁盤中,記錄數據實時或事后通過網絡等方式傳輸到遠端相關處理中心,相關處理中心的相關處理器對各站的記錄數據進行相關處理就得到了航天器和射電源信號到達各天線的延遲,從而推算出航天器的方位角。理論上,ΔDOR測量時處理信號的帶寬越寬得到的測量精度越高,但測量帶寬增大意味著數據量增大,對數據記錄和處理提出了更高的要求。為了解決這一矛盾,Rogers在1970年提出了帶寬綜合理論,即通過處理多個窄帶寬信號來替代處理單個寬帶信號,多個窄帶信號的帶寬和遠遠小于單個寬帶信號。通過這一方式在保證測量精度的基礎上降低了對設備的要求。目前,這一技術已經成為ΔDOR和VLBI測量的標準化技術。

圖2 ΔDOR系統結構及信號處理流程

2 技術進展及發展趨勢

根據圖2介紹的ΔDOR系統結構及信號處理流程,從以下幾個方面分析Δ DOR測量的技術進展及發展方向。

2.1 航天器信標

早期發射的深空探測器沒有配備專用Δ DOR信標機,要對其進行ΔDOR觀測必須通過下行的遙測信號或測距信號進行,觀測精度受限于遙測信號的帶寬,有一定的局限性。NASA在80年代初進行大量實驗后,認為Δ DOR測量方法對其深空探測任務有著積極作用,在其后續的深空探測器中設計了ΔDOR信標機,用于發射Δ DOR所需的側音信號。在ΔDOR信標機設計時需考慮:定位精度要求越高,使用的帶寬就越寬,頻段也越高。國際時空咨詢委員會(CCSDS)推薦的ΔDOR側音信號偏離載波信號的頻率,S頻段為4 MHz,X頻段為19 MHz,Ka頻段為76 MHz[11]。頻段提高后可供選擇的射電源更多,航天器信號受空間帶電粒中的干擾會迅速降低,但頻段的提高也導致了系統溫度的升高,需要權衡考慮。目前NASA的深空探測器一般使用X頻段或Ka頻段進行觀測。

天線接收的射電源信號頻率必須和航天器側音信號的頻率保持一致,且因深空信號十分微弱,為了達到較高的積累功率,頻率通道一般都選擇較寬(>2 MHz)。又由于航天器的側音信號是單頻信號,而射電源信號是連續的寬帶信號,這種差異會給后續測量帶來不一致性,因此,側音信號在發射之前應通過偽隨機碼進行擴頻處理,使其成為一個寬帶信號。

2.2 微弱信號接收

無論是探測器還是射電源距離地球都十分遙遠,信號在到達地面站天線時已經衰減到十分微弱的程度。以木星為例,木星距地面的距離為6.8×108km,若深測器上的天線為0 dB增益的全向天線,發射功率為20 W,可以計算采用典型地球同步衛星接收天線(口徑為12 m)所能接收到的功率為-217.8 dBW,比現在的地球同步衛星信號的-170 dBW弱了40 dBW以上[1]。解決該問題的方法有:一是建造大口徑深空天線,如美國的NASA在70年代建成的覆蓋全球的深空天線網,其中最大口徑為位于澳大利亞堪培拉的70 m天線,我國也于2005年在密云建立了50 m口徑天線;二是采用天線組陣技術,通過多部天線構建等效口徑更大的大口徑天線。這種方案實際是建造大口徑天線的替代方案,其目標是降低大口徑天線的研制費用和增加等效口徑,但卻增大了系統的復雜性;三是采用極低噪聲的場放,并采用液氮制冷接收機,盡量降低系統溫度,如NASA的旅行者號探測木星時地面接收系統的等效溫度已經達到28.3 K的絕對溫度;四是在航天器上使用高增益的定向天線,這一技術在“嫦娥一號”衛星上已經得到了應用。

2.3 全數字基帶轉換

目前,包括 Δ DOR在內的所有VLBI測量系統均采用Rogers的寬帶綜合理論構建,即以多路窄帶寬信號的處理來替代單路寬帶信號的處理,在測量系統中均使用了基帶轉換器(BBC)[12]。一直以來BBC模塊采用模擬方式實現,即通過模擬下變頻器將各個窄帶信號下變頻到基帶,再經模擬濾波后用很低的采樣率對信號進行采樣處理。采用這種工作方式的主要原因是當時AD采樣器及數字信號處理器件的性能不夠高。近二十年來AD轉換器的采樣率大幅提高,如美國T ELEDYNE的RAD004可以在6 bit的量化位數下進行4 Gpbs的采樣,為直接對寬帶信號進行采樣處理提供了可能。應用數字濾波的方法對采樣信號進行處理可以方便地選擇帶寬、提高系統的帶通特性以及克服模擬濾波器可能帶來的環境不穩定性,因此,也倍受關注。傳統的模擬BBC與改造后的數字BBC的結構框圖如圖3所示,可以看出,改造后的BBC結構更簡單、更靈活。

圖3 模擬BBC與數字BBC

歐洲VLBI測量網(EVN)已于2007年將數字BBC的研制列入了其2010年VLBI規劃,其采用1.024 GHz的固定采樣率對10～512 MHz或512～1024 MHz的中頻信號直接進行采樣,通道數為16路,每個通道的帶寬為500 KMz～16 MHz可調,數字濾波部分采用高性能FPGA完成[13-14]。我國上海天文臺對數字BBC也做了研究,并與意大利的IRA(Istituto di Radioastronomia)共同研制了名為miniDBBC的樣機,其采用1 Gbps的采樣率對信號進行采樣,數字濾波用FPGA實現[15]。此外JPL等組織也對數字BBC技術進行了研究,但目前均還未正式用于Δ DOR或VLBI測量。

2.4 全數字記錄終端

鑒于Δ DOR的數據量相當龐大,目前還無法對其進行實時處理,需要將原始數據記錄下來,進行事后或有延時的處理。傳統的ΔDOR系統采用磁帶機進行數據記錄,隨著數字存儲技術的發展,用硬盤替代磁帶機進行記錄成為發展趨勢。硬盤記錄較磁帶機記錄有以下優點:不需要價格昂貴的磁帶機,減小了用戶開銷;提高了系統可靠性;以標準接口進行數據讀寫,通用性更強;可以快速隨機讀寫數據;方便使用網絡傳輸數據。美國Haystack天文臺從2002年開始研制基于硬盤的全數字記錄終端,目前,已經有Mark5A和Mark5B兩種型號,其記錄和回放速度最高為2048 Mbps,可以裝入16塊普通的IDE硬盤,系統容量由裝入硬盤的數量決定。正在研制的Mark5C與Mark5A/B系列不同,通過SS10GigE總線對數據進行記錄,數據回放采用標準Linux文件進行,數據率可達4096 Mbps,其最大的特點是提供了更快的網絡傳輸性能[16-17],Mark系統的實物如圖4所示。

2.5 數據傳輸

圖4 Mark系統實物

航天器和射電源信號的記錄數據需要送往相關處理中心進行處理,數據量以10 G為單位是相當巨大的。傳統的Δ DOR或VLBI觀測一般采用空運存儲介質進行數據傳輸。近年來,網絡技術飛速發展,通過專用或公用的網絡實時傳輸成為可能,這即是所謂的e-VLBI。e-VLBI有兩種方案:

1)數據實時地從各VLBI臺站通過通訊網絡傳送至相關處理器進行實時相關;

2)數據首先在臺站進行記錄,事后通過網絡傳送至數據處理中心的硬盤內進行事后相關。

后一種方案對網絡數據通訊的要求不是很高,在當前條件下完全可以做到[18-19]。e-VLBI需要解決的關鍵技術是如何通過數據通訊網可靠、高效地傳輸數據,包括確定數據傳輸協議、解決數據打包、重新排序以及數據監控等問題。日本的KSP計劃在1993年開始建立e-VLBI系統,至2001年已實現2.488 Gbps的傳輸速率,可以同時對四臺站共6條基線進行相關處理。歐洲的 EVN和美國的NRAO最近均提出了用光纖連接構成實時VLBI網的計劃。我國的“嫦娥一號”衛星在進行ΔDOR測量時也進行了e-VLBI的測試,位于密云的50 m天線接收到的數據通過網絡實時傳輸到位于上海的相關處理中心,可以在觀測后10 min內得到衛星導航數據。2009年,中國科技網絡中心為國家天文臺烏魯木齊南山站開通一條633 M長途電路,連接上海天文臺佘山站和國家天文臺烏魯木齊南山站,完成國內首次速度為256 Mpbs的高速實時e-VLBI實驗。

2.6 相關處理

相關處理器的主要技術指標是通道數量及處理速度,經過幾十年的發展已經從最初的模擬處理器過渡到全數字處理器,比較典型的有Haystack天文臺的MarkⅤ系統,日本K5系統及加拿大的S2系統[20]。這些系統或采用專用的ASIC集成電路或采用FPGA搭建,它們均可以同時處理十幅以上天線的記錄數據。近年來,隨著通用計算機性能不斷提高和價格大幅下降,純軟件相關處理器的方案倍受關注。軟件相關處理器實際上是運行在高性能計算機上的應用程序,與硬件處理器相比,其開發周期短、擴展能力強、處理能力不受通道數等因素限制、靈活性很強。但就目前的技術水平來看,實時性還與硬件相關處理器有一定差距。

2.7 總線標準

ΔDOR的測量精度受限于天線間的基線長度,基線長度可能超出一國領土,需采用國際合作的方式進行,但不同機構設備之間的數據接口卻互不兼容,這給數據間的共享帶來了很大障礙。因此,需要建立一個標準的接口規范,即VLBI標準接口(VLBI Standard Interface Specification ,VSI),它能使記錄在不同的VLBI數據系統上的數據都能由不同的相關處理器進行處理,以達到觀測數據的最大程度共享。VSI由硬件接口標準(VSI-H)和軟件接口標準(VSI-S)構成,初稿分別于2002年12月和2003年2月制定,包括了數據傳輸系統(Data T ransmission System,DTS)和相應的接口信號,一端與數據采集系統(Data Acquisition System,DAS)相聯接,另一端與數據處理系統(Data Processing System,DPS)相連。目前,VSI標準已經成為新研制的ΔDOR和VLBI設備的標準化接口[21-22]。

2.8 空間VLBI

空間VLBI將觀測天線安置在衛星上,與地面VLBI系統相比,大大增加了觀測站間的基線長度,為Δ DOR導航定位精度的提高提供可能[23]。其ΔDOR測量可以由多個VLBI衛星進行,也可以是VLBI衛星與地面觀測站聯合進行,目前實施的主要是后者。對于空間VLBI系統,除了需要VLBI天線外,還需要專門的VLBI衛星跟蹤站。VLBI衛星跟蹤站的作用是把由氫原子鐘控制的定時參考信號發送給衛星,而衛星把天文信號和時間信息一起傳送回來。跟蹤站將衛星發回的數據記錄在磁盤上,后續的數據處理原理與地面VLBI一樣。世界上第一個實現空間VLBI的是日本的VSOP(VLBI Space Observatory Program)計劃。該計劃于1989年開始實施,衛星的橢圓軌道與赤道面成31°傾角,近地點和遠地點分別為560 km和21400 km,繞轉周期為6.3 h。VSOP攜帶的天線是一個通過可伸展桅桿在升空后向外撐開而成的邊長5 m的正六邊形,等效于直徑8 m的拋物面天線。該天線幾乎與所有地面VLBI天線進行過聯合觀測,分辨率是地球上VLBI陣在相同波長觀測的三倍以上。最新的空間VLBI系統還有俄羅斯的RadioAstron和NASA的ARISE計劃,目前都還尚未升空。空間VLBI與地面VLBI相比面臨許多新的挑戰,如星地高速數據鏈路的建立,大口徑天線的攜帶與展開等仍需進行大量的研究。目前的空間VLBI系統還主要用于天文觀測和對地測量,但可以預見隨著深空導航定位精度要求的不斷提高,空間ΔDOR系統將必然對深空探測器的導航與定位起到積極的作用。

3 展 望

2007年10月,“嫦娥一號”衛星的成功發射標志著我國邁出了深空探測的第一步。在“嫦娥一號”任務中,Δ DOR技術已經為探測器的導航定位提供了支持,并為我國ΔDOR技術的進一步研究積累了大量的經驗。2008年10月,我國65 m口徑射電望遠鏡項目也已正式啟動,并預計于2015年全部建成,這將極大地提高我國遙遠距離的測控能力,為即將進行的月球及火星探測創造良好條件,可以預見ΔDOR技術必將成為我國深空探測器導航定位的重要手段。

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