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第1章系統

1.1概述甚長基線干涉測量(VLBI)是當前天文學使用的一項高分辨率、高測量精度的觀測技術，在天體物理方面主要應用于類星體、射電星系、星際脈澤源等致密射電源毫角秒級的精細結構研究和定位等。在天體和大地測量中，它在建立天球參考系、測定地球自轉全部參數和地面參考系的基準點等方面具有不可取代的作用。

由于VLBI技術具有很高的測角精度，所以自20世紀60年代起，也逐步應用于深空探測。20世紀60—70年代美國阿波羅登月計劃中對于月球車運動路線的測量和80年代美國和蘇聯分別實施的金星大氣風速測量中，均使用了VLBI技術，其測量精度分別達到了數米和幾十厘米每秒。深空干涉測量系統是基于VLBI技術發展起來的，工程上稱為單向時延差(DOR)測量和單向多普勒頻差(DOD)測量。20世紀70年代，為消除DOR、DOD測量過程中的站間時間同步、站址、電離層、對流層等公共誤差，采用了分時工作、順序觀測或者同時觀測深空航天器和射電星再對應做差的方法，其測量元素為差分單向距離差和差分單向距離變化率，所以又稱之為雙差分單向時延差(ΔDOR)和雙差分單向多普勒頻差(ΔDOD)測量技術。它實質上對應的是航天器和射電星之間的相對位置或相對位置變化率。利用同樣的原理，如果兩個以上的深空目標同時位于深空測控站的同一波束內，則可以測量同一波束內深空航天器間的相對位置，工程上稱為同波束干涉測量(SBI)。

深空干涉測量系統具有DOR/DOD測量、ΔDOR/ΔDOD測量和SBI的能力，具有航天器信號、射電星信號數字基帶轉換能力，具有S/X雙頻段DOR/DOD干涉測量的能力，具有S/X雙頻段ΔDOR/ΔDOD干涉測量的能力，具有S/X雙頻段SBI的能力。

1.1.1基本原理干涉測量就是利用兩座相距很遠(數千千米)的觀測站同時接收來自同一源的信號，測量其到達兩站的DOR或DOD，從而獲得目標到兩個站基線的夾角，如圖11所示。兩個地面站的天線指向同一個深空目標，如射電星或航天器。由于目標距離遙遠，到達兩個地面站的信號是互相平行的。信號經過天線接收、低噪聲放大并下變頻至中頻，由采集與格式化記錄系統對信號進行A/D采樣，經過格式化處理記錄在磁盤上。在觀測完畢后，將數據送到數據處理中心，經過回放和互相關處理，得到時延差和時延差變化率。如果通信鏈路容許，也可以通過網絡等手段，將數據實時傳送至數據處理中心。

利用VLBI技術，可獲得高精度的航天器空間角度信息。用兩副以上的天線交替接收航天器信號和射電星信號，將所接收的信號經相關處理和參數解算后，可獲得觀測時刻航天器的位置、速度以及與基線之間的夾角(見圖11中的θ)，由此通過定軌解算便可地測定出航天器的軌道。很明顯，干涉測量技術有常規技術無法比擬的優勢，特別是在目標角度信息的獲取上，可以彌補傳統測距測速技術的不足。因此，干涉測量技術和傳統測距測速技術的聯合定軌精度也就遠高于常規定軌技術。

圖11干涉測量的工作原理

1.1.2技術特點與常規測控和深空測控相比，深空干涉測量具備以下技術特點。1) 接收信號微弱。深空干涉測量系統的觀測對象是射電星和深空航天器。在S頻段和X頻段，用于深空探測的射電星流量密度一般小于1Jy。為解決微弱信號的接收問題，國際上普遍采用大口徑天線，如美國國家航空航天局(NASA)以70m和35m口徑天線為主，歐洲空間局(ESA)采用了35m口徑天線，我國喀什深空站天線口徑為35m，佳木斯深空站口徑為66m。即使采用了大口徑天線，深空站接收信號的載噪比也普遍低于-20dBHz。

2) 積分時間長。正因為接收信號微弱，為提高處理增益，深空干涉測量系統一般采用長積分時間的處理方法，典型的積分處理時間為5min。長積分時間對深空站時鐘頻率穩定度、度提出了比以往測控設備更高的要求。

3) 處理帶寬寬。測量精度與處理帶寬成正比，處理帶寬越寬，測量精度越高。為獲得納秒級的測量精度，我國深空干涉測量系統的處理帶寬設計為100MHz。

4) 處理算法復雜。深空干涉測量系統的高精度是基于時延補償算法、相位補償算法以及各類誤差源的估計和修正實現的，處理算法較以往測控設備更復雜。

5) 可獲得更高的測量精度。在佳木斯—喀什基線，干涉測量系統DOD測量模式下，模型修正后精度優于1mm/s； DOR測量模式下，模型修正后精度優于90cm； ΔDOD測量模式下，精度優于0.5mm/s； ΔDOR測量模式下，精度優于15cm； SBI模式下，精度優于3cm。

1.1.3關鍵技術基于深空干涉測量的技術特點，結合設備研制實現，提出并解決了以下關鍵技術。

(1) 波束波導大口徑天線技術大口徑天線是深空干涉測量系統實現的基礎。我國深空站采用了波束波導大口徑天線技術。波束波導大口徑天線研制的關鍵技術包括波束波導設計技術、波束波導饋電系統波束傾斜補償技術、高精度位置編碼技術、大口徑天線副面調整技術、大口徑天線標校測試技術、陣風擾動對天線影響補償技術、波束波導鏡面位置的調整方法、天線反射體面精度測量及調整技術、波束波導天線三軸中心位置的確定及測量方法等。具體見《S/X雙頻段深空測控通信系統》分冊和《S/X/Ka三頻段深空測控通信系統》分冊。

(2) 低相噪本振和低溫接收機技術1) 超低相位噪聲技術。頻率綜合器是測控系統中的核心部件，它的相位噪聲和雜散性能直接影響到接收機的動態范圍、接收門限等指標。頻率綜合器的基本任務主要有兩條： 一是能夠產生所需的頻率值； 二是所產生的頻率必須“純凈”，即雜散信號要小、相位噪聲要低。深空干涉測量對本振的1~10Hz頻率之間相位噪聲提出了較高的要求。2) 低溫接收組件設計與實現。深空干涉測量為追求接收系統G/T值，一方面是增加接收天線的有效接收面積，另一方面是降低接收機的噪聲。通過制冷降低低噪聲放大器的工作溫度以獲得極低的噪聲。這是國內測控領域首次采用超低溫接收機。

3) 超導濾波技術。為了進一步提高系統的G/T值，除了采用低溫接收機降低系統噪溫，還要降低接收鏈路中各部件的插損。其中超導濾波器的設計需要解決功率承載設計技術，超導濾波器及組件的各次諧波抑制技術，高性能超導濾波器、陷波器的研制及集成技術，超導濾波器、陷波器及組件的性、穩定性的保障技術等關鍵技術。

(3) 高穩定性原子鐘1) 高穩定性主動型氫鐘。高穩定性氫鐘是干涉測量的基礎。干涉測量過程中對射電星標校完成后，轉入對目標的跟蹤，此時，時鐘的穩定性將影響測量誤差。

2) 屏蔽鐘房的建設。原子鐘正常工作及高性能指標的發揮與鐘房的環境條件有十分密切的關系。原子鐘房的溫度建議保持在22℃左右，波動小于0.5℃。鐘房內，磁場強度應小于0.5Gs1Gs=10-4T。，波動應小于0.05Gs，因此需要對鐘房采用電磁屏蔽措施。鐘房為全鋼、六面體結構。原子鐘房不設窗戶，大門為金屬密封門。鐘房主體須有良好、的接地系統，其接地電阻≤1Ω。

(4) 基帶轉換與記錄1) 基于信道化接收的寬帶全頻譜數字基帶轉換方法。終端的信號帶寬寬(100MHz)，同時要求可任意選取其中的16個子通道下變頻至基帶。這其中包括了多速率信號處理、多相信道化濾波器組、高效數字濾波器、實信號輸出方法以及子帶生成算法等多項關鍵技術。

2) 數字自動增益控制(AGC)設計。根據增益控制量的不同，AGC環路可分為線性AGC環路和對數AGC環路。由于線性AGC環路的時常數隨輸入信號幅值的變化而變化，為了避免這一問題，通常采用對數AGC環路。

3) VLBI接口標準(VSI)和VLBI科學接收機(VSR)數據格式編輯及高速緩存技術。根據設計要求，系統有VSI和VSR兩種工作模式，各具有不同的數據格式。這兩種格式在幀結構、內容和實現方面有很大不同，并且對于同一種格式，由于通道數目、各通道量化位數以及記錄速率的不同，數據格式編輯模塊的邏輯結構也不同，因此數據格式編輯模塊的工作模式就有很多種。

(5) 相關處理及后處理1) 軟件相關處理技術。深空測控干涉測量系統中心處理設備的功能是收集各站采集的數據進行處理，從數據中得到每條基線的時延差、時延差變化率、條紋相位以及相關幅度，是干涉測量處理的核心，需要強大的計算能力。目前相關處理技術有硬件相關處理機和軟件相關處理機兩大類。硬件相關處理機的優勢在于直接由硬件來完成相關處理，速度比較快； 軟件相關處理機的優勢在于它有良好的可擴展性、可升級性，良好的兼容性以及可快速開發性。隨著通用計算機平臺運算能力的不斷增強，軟件相關處理機的優勢更加明顯。本系統采用基于高性能集群運算方式的純軟件相關處理機，實現對射電星、航天器目標的VSI、VSR數據格式下的干涉測量數據實時處理(4臺站、每臺站128Mb/s)和事后高精度處理。

2) 大氣參數實時修正技術。深空干涉測量系統通過測量目標信號到兩個觀測站的時延差，得到目標的高精度角度。時延差的測量精度在納秒量級。影響測量誤差的主要因素有航天器熱噪聲誤差、站址誤差、設備通道時延漂移誤差、天線相位中心變化、校準信號穩定性誤差、數據時標誤差、站間時間同步誤差、對流層延遲誤差、電離層延遲誤差、地球定向參數誤差等。其中對流層延遲誤差以及電離層延遲誤差可以通過溫度、濕度、大氣壓力以及GPS測量數據進行事后修正，這種修正方式對于觀測射電星來說是沒有問題的。而航天器需要實時測定軌，也就是需要干涉測量系統提供實時高精度測量結果，因此要求對上述誤差進行實時修正。3) 載波輔助本地相關處理技術。航天器DOR側音信號是NASA、ESA和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)等機構共同推薦用于深空航天器導航時星載的標準發射信號，在空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)標準中對其進行了嚴格定義。因此,航天器DOR側音信號是未來開展深空航天器干涉測量國際聯測必然要處理的信號。在我國嫦娥二號工程中開展的ΔDOR觀測中也利用該信號進行了處理試驗。當前，作為DOR側音的信號形式有兩種： 專門的DOR側音信號和副載波的偶次諧波。當采用一定的調制度時，接收端各個通道(載波通道和諧波通道)接收信號的C/N0相差較大，尤其是副載波的高階諧波C/N0較小，無法獲取足夠的信噪比(SNR)進行載波跟蹤，這種情況下就必須利用各個通道載波的先驗關系，利用C/N0較大的載波通道輔助C/N0較小的諧波通道進行相關處理，可提高系統的穩健性和測量精度。

4) 優化算法提高系統數據處理的實時性。本系統采用了基于地心模型的單站時延補償和相位補償的處理方式完成射電星信號的相關處理，并采用時間與通道并行的處理方式，克服傳統基線補償與處理模式下觀測站數據存在的重復分發、重復計算等不足，降低了計算量和復雜性，提高了系統實時性。對于航天器信號相關處理，則采用基于站心模型的單站時延補償和相位補償的處理方式，對于抑制載波信號則利用傳統相關處理方式，對于殘留載波或DOR側音信號則采用基于載波輔助的本地相關處理方式。

1.2系統技術指標|1.2系統技術指標1.2.1接收頻段

S頻段： 2.2~2.3GHz； X頻段： 8.4~8.5GHz。

1.2.2中頻接口中頻接口： 320MHz。中頻帶寬： S頻段≥100MHz；

X頻段≥100MHz。

1.2.3相關處理能力能同時進行4個觀測站、6條基線基帶數據的相關處理。

1.2.4測量精度干涉測量系統的測量精度要求如下： 1) DOD測量模式，模型修正后精度優于1mm/s； 2) DOR測量模式，模型修正后精度優于90cm； 3) ΔDOD測量模式，精度優于0.5mm/s； 4) ΔDOR測量模式，精度優于15cm； 5) SBI模式，精度優于3cm。上述精度條件是佳木斯—喀什基線對航天器進行X頻段的干涉測量，航天器信號擴展帶寬為40MHz。

1.3系統組成及工作原理|1.3系統組成及工作原理1.3.1系統組成

我國深空干涉測量系統的組成如圖12所示。該系統包括任務中心、運管中心、北京和西安干涉測量系統數據處理中心、4個深空站等(目前已經研制完成的是佳木斯66m深空站和喀什35m深空站，正在研制的是南美35m深空站和納米比亞18m深空站)。

圖12深空干涉測量系統的組成

任務中心負責深空站觀測任務的規劃和下發，運管中心負責深空站設備參數的下發。中心數據處理分系統主要由高性能集群運算計算機組成，運行中心數據處理軟件。中心數據處理軟件包括數據接收及預處理功能模塊、相關處理功能模塊、綜合處理模塊和監控模塊，主要完成數據的接收、存儲、預處理、數據分發以及DOR/DOD、ΔDOR/ΔDOD、SBI的相關解算。同時北京中心還負責深空干涉測量的觀測綱要的編寫。

深空站主要包括天伺饋分系統、時頻分系統、干涉測量射頻信道分系統、數據采集與記錄分系統、延遲校準分系統、站內監控分系統和大氣參數測量分系統。天伺饋分系統主要由天饋子系統、天線控制子系統和天線機械結構子系統組成。目前投入運行的喀什35m口徑天線和佳木斯66m口徑天線均采用波束波導(BWG)的設計方案。天饋子系統主要完成對來自空間目標的微弱信號的收集。它由天線主副反射面、波束波導、饋源輻射器與雙色平面反射器組合、饋電網絡、單脈沖雙通道跟蹤網絡(喀什站具備S/X/Ka三個頻段、佳木斯站具備S/X二個頻段)和其他微波功能組件組成。天線控制子系統主要完成對天線的各種操控，使天線指向目標，利用引導信息完成對目標的角度引導跟蹤，利用跟蹤誤差信息完成對目標的角度自動跟蹤。它由天線驅動單元、天線監控單元、天線軸角編碼單元和天線控保單元等組成。天線機械結構子系統主要完成對天線反射面的支撐和天線的各種機械運動。它由天線反射體及其支撐機構、天線俯仰組合、天線方位組合、天線保護裝置等組成。

時頻分系統由高精度主動型氫鐘、頻率和時間信號產生器、實時測試與完好性檢測設備、時頻監控以及聯試時頻等五部分組成。時頻分系統配備兩臺主動型氫鐘和頻率凈化器(CLEAN)，為其他分系統提供所需的高精度頻率基準、時間信號和時標脈沖。

干涉測量射頻信道分系統工作在S/X二個頻段，由低溫接收機、干涉測量下變頻器、中頻開關矩陣等組成。其功能是將S和X頻段的射頻信號下變頻為中心頻率320MHz的中頻信號，選擇后送數據采集與記錄分系統。數據采集與記錄分系統主要完成中頻信號調理、數據采集、頻道選擇以及基帶轉換和數據記錄等功能，是后續相關處理的基礎。目前分別配屬于我國喀什和佳木斯深空站，每套干涉測量采集與記錄分系統由3臺相同的基帶轉換與記錄設備組成，每臺設備又包括數據采集基帶轉換單元和數據存儲單元。3臺設備中2臺設備在線工作，另外一臺設備用于備份。延遲校準分系統由脈沖產生單元和地面單元組成。脈沖產生單元產生的延遲校準信號在低噪聲放大器(LNA)前端饋入，用于校正通道時延不一致性。地面單元為脈沖產生單元提供100MHz/10MHz頻標，并具有在線標定頻標傳輸線時延的能力，實時測量頻標傳輸線時延值。大氣參數測量分系統完成相關氣象參數的測量，提供電離層和對流層大氣時延修正值，分系統包括水汽微波輻射計、GPS雙頻接收機和氣象儀等。水汽微波輻射計測量大氣輻射亮度、溫度，提供對流層濕項距離誤差修正功能。氣象儀測量溫度、濕度和大氣壓，提供對流層干項距離誤差修正功能。GPS雙頻接收機跟蹤GPS載波信號，提供電離層距離折射誤差修正功能。

1.3.2VLBI/ΔVLBI的工作原理深空干涉測量的工作原理是由VLBI發展起來的，因此，這里首先簡要介紹VLBI的相關知識。眾所周知，太陽光中包含大量的紫外線輻射和紅外線輻射，這些輻射大部分被地球的大氣吸收了。但是，在1931年科學家非常意外地發現了一個探索宇宙的射電窗口。來自外層空間的星體發出一種非常穩定的射電噪聲，無線電波可以穿透光波通不過的塵霧，因此可以通過無線電波研究外層空間的星體。射電干涉儀就是在此基礎上發展起來的。

如圖11所示，觀測時，兩個地面站指向同一個目標，基帶轉換與記錄采集數據，經過格式化處理記錄在磁盤上。在觀測完畢后，將數據送到數據處理中心，經過回放、相關處理，得到時延和時延變化率。如果通信鏈路容許，也可以通過網絡等手段，將數據實時傳送至數據處理中心。

數據處理的目的是得到VLBI的測量值，包括： 干涉條紋的相關幅度，射電星同一時刻輻射的電磁波到達基線兩端的時間延遲差(即DOR)，時間延遲差變化率(即DOD)。相關幅度提供有關射電星亮度分布的信息，時延和時延變化率提供有關基線(長度和方向)和射電星位置(赤經和赤緯)的信息。

在相關處理過程中，在有效的帶寬范圍內每隔較短時間就要對相關積分函數進行時延補償和多普勒頻移條紋旋轉，使得能夠通過相關相位條紋的斜率來估計時延量和剩余時延量。時延量反映目標相對觀測位置，多普勒條紋旋轉能夠反映目標運動狀態參數,如圖13所示。

圖13干涉測量的數據處理過程

在VLBI中，為了得到更高精度的時延測量值，通常采用帶寬綜合技術。時延測量精度與觀測帶寬有關，測量誤差σ與觀測帶寬B成反比，觀測帶寬越寬，誤差越小，精度越高。但是，因為記錄速率的限制，觀測帶寬不可能無限地增大，從而導致時延觀測的精度受限。為了解決這一問題，20世紀70年代提出在VLBI中運用帶寬綜合技術，其中心思想是通過一系列的窄帶通道合成一個大的有效帶寬。帶寬綜合技術將接收帶寬在頻域上劃分為許多互相分得很開的通道，根據每個通道記錄的信號來估計各通道的時延和時延變化率，然后通過最小二乘法擬合估計多通道時延，以此得到高精度的時延值。帶寬綜合技術突破了記錄帶寬對時延測量精度的限制，在相同的記錄帶寬下，能夠獲得更高的分辨率。

利用帶寬綜合技術可將對寬帶信號的觀測轉化為對一系列窄帶信號的觀測，從而獲得更高的測量分辨率。把它運用到VLBI中，可以進一步提高VLBI的分辨率。

如果只觀測一個穩定的頻率f(相應的波長為λ)，則相關處理得到的結果τ還會有觀測頻率f的一個周期不確定性，即有：

cτ=nλ Δλ(0≤Δλ≤λ)(11)