第1章系统

1.1概述甚长基线干涉测量(VLBI)是当前天文学使用的一项高分辨率、高测量精度的观测技术，在天体物理方面主要应用于类星体、射电星系、星际脉泽源等致密射电源毫角秒级的精细结构研究和定位等。在天体和大地测量中，它在建立天球参考系、测定地球自转全部参数和地面参考系的基准点等方面具有不可取代的作用。

由于VLBI技术具有很高的测角精度，所以自20世纪60年代起，也逐步应用于深空探测。20世纪60—70年代美国阿波罗登月计划中对于月球车运动路线的测量和80年代美国和苏联分别实施的金星大气风速测量中，均使用了VLBI技术，其测量精度分别达到了数米和几十厘米每秒。深空干涉测量系统是基于VLBI技术发展起来的，工程上称为单向时延差(DOR)测量和单向多普勒频差(DOD)测量。20世纪70年代，为消除DOR、DOD测量过程中的站间时间同步、站址、电离层、对流层等公共误差，采用了分时工作、顺序观测或者同时观测深空航天器和射电星再对应做差的方法，其测量元素为差分单向距离差和差分单向距离变化率，所以又称之为双差分单向时延差(ΔDOR)和双差分单向多普勒频差(ΔDOD)测量技术。它实质上对应的是航天器和射电星之间的相对位置或相对位置变化率。利用同样的原理，如果两个以上的深空目标同时位于深空测控站的同一波束内，则可以测量同一波束内深空航天器间的相对位置，工程上称为同波束干涉测量(SBI)。

深空干涉测量系统具有DOR/DOD测量、ΔDOR/ΔDOD测量和SBI的能力，具有航天器信号、射电星信号数字基带转换能力，具有S/X双频段DOR/DOD干涉测量的能力，具有S/X双频段ΔDOR/ΔDOD干涉测量的能力，具有S/X双频段SBI的能力。

1.1.1基本原理干涉测量就是利用两座相距很远(数千千米)的观测站同时接收来自同一源的信号，测量其到达两站的DOR或DOD，从而获得目标到两个站基线的夹角，如图11所示。两个地面站的天线指向同一个深空目标，如射电星或航天器。由于目标距离遥远，到达两个地面站的信号是互相平行的。信号经过天线接收、低噪声放大并下变频至中频，由采集与格式化记录系统对信号进行A/D采样，经过格式化处理记录在磁盘上。在观测完毕后，将数据送到数据处理中心，经过回放和互相关处理，得到时延差和时延差变化率。如果通信链路容许，也可以通过网络等手段，将数据实时传送至数据处理中心。

利用VLBI技术，可获得高精度的航天器空间角度信息。用两副以上的天线交替接收航天器信号和射电星信号，将所接收的信号经相关处理和参数解算后，可获得观测时刻航天器的位置、速度以及与基线之间的夹角(见图11中的θ)，由此通过定轨解算便可地测定出航天器的轨道。很明显，干涉测量技术有常规技术无法比拟的优势，特别是在目标角度信息的获取上，可以弥补传统测距测速技术的不足。因此，干涉测量技术和传统测距测速技术的联合定轨精度也就远高于常规定轨技术。

图11干涉测量的工作原理

1.1.2技术特点与常规测控和深空测控相比，深空干涉测量具备以下技术特点。1) 接收信号微弱。深空干涉测量系统的观测对象是射电星和深空航天器。在S频段和X频段，用于深空探测的射电星流量密度一般小于1Jy。为解决微弱信号的接收问题，国际上普遍采用大口径天线，如美国国家航空航天局(NASA)以70m和35m口径天线为主，欧洲空间局(ESA)采用了35m口径天线，我国喀什深空站天线口径为35m，佳木斯深空站口径为66m。即使采用了大口径天线，深空站接收信号的载噪比也普遍低于-20dBHz。

2) 积分时间长。正因为接收信号微弱，为提高处理增益，深空干涉测量系统一般采用长积分时间的处理方法，典型的积分处理时间为5min。长积分时间对深空站时钟频率稳定度、度提出了比以往测控设备更高的要求。

3) 处理带宽宽。测量精度与处理带宽成正比，处理带宽越宽，测量精度越高。为获得纳秒级的测量精度，我国深空干涉测量系统的处理带宽设计为100MHz。

4) 处理算法复杂。深空干涉测量系统的高精度是基于时延补偿算法、相位补偿算法以及各类误差源的估计和修正实现的，处理算法较以往测控设备更复杂。

5) 可获得更高的测量精度。在佳木斯—喀什基线，干涉测量系统DOD测量模式下，模型修正后精度优于1mm/s； DOR测量模式下，模型修正后精度优于90cm； ΔDOD测量模式下，精度优于0.5mm/s； ΔDOR测量模式下，精度优于15cm； SBI模式下，精度优于3cm。

1.1.3关键技术基于深空干涉测量的技术特点，结合设备研制实现，提出并解决了以下关键技术。

(1) 波束波导大口径天线技术大口径天线是深空干涉测量系统实现的基础。我国深空站采用了波束波导大口径天线技术。波束波导大口径天线研制的关键技术包括波束波导设计技术、波束波导馈电系统波束倾斜补偿技术、高精度位置编码技术、大口径天线副面调整技术、大口径天线标校测试技术、阵风扰动对天线影响补偿技术、波束波导镜面位置的调整方法、天线反射体面精度测量及调整技术、波束波导天线三轴中心位置的确定及测量方法等。具体见《S/X双频段深空测控通信系统》分册和《S/X/Ka三频段深空测控通信系统》分册。

(2) 低相噪本振和低温接收机技术1) 超低相位噪声技术。频率综合器是测控系统中的核心部件，它的相位噪声和杂散性能直接影响到接收机的动态范围、接收门限等指标。频率综合器的基本任务主要有两条： 一是能够产生所需的频率值； 二是所产生的频率必须“纯净”，即杂散信号要小、相位噪声要低。深空干涉测量对本振的1~10Hz频率之间相位噪声提出了较高的要求。2) 低温接收组件设计与实现。深空干涉测量为追求接收系统G/T值，一方面是增加接收天线的有效接收面积，另一方面是降低接收机的噪声。通过制冷降低低噪声放大器的工作温度以获得极低的噪声。这是国内测控领域首次采用超低温接收机。

3) 超导滤波技术。为了进一步提高系统的G/T值，除了采用低温接收机降低系统噪温，还要降低接收链路中各部件的插损。其中超导滤波器的设计需要解决功率承载设计技术，超导滤波器及组件的各次谐波抑制技术，高性能超导滤波器、陷波器的研制及集成技术，超导滤波器、陷波器及组件的性、稳定性的保障技术等关键技术。

(3) 高稳定性原子钟1) 高稳定性主动型氢钟。高稳定性氢钟是干涉测量的基础。干涉测量过程中对射电星标校完成后，转入对目标的跟踪，此时，时钟的稳定性将影响测量误差。

2) 屏蔽钟房的建设。原子钟正常工作及高性能指标的发挥与钟房的环境条件有十分密切的关系。原子钟房的温度建议保持在22℃左右，波动小于0.5℃。钟房内，磁场强度应小于0.5Gs1Gs=10-4T。，波动应小于0.05Gs，因此需要对钟房采用电磁屏蔽措施。钟房为全钢、六面体结构。原子钟房不设窗户，大门为金属密封门。钟房主体须有良好、的接地系统，其接地电阻≤1Ω。

(4) 基带转换与记录1) 基于信道化接收的宽带全频谱数字基带转换方法。终端的信号带宽宽(100MHz)，同时要求可任意选取其中的16个子通道下变频至基带。这其中包括了多速率信号处理、多相信道化滤波器组、高效数字滤波器、实信号输出方法以及子带生成算法等多项关键技术。

2) 数字自动增益控制(AGC)设计。根据增益控制量的不同，AGC环路可分为线性AGC环路和对数AGC环路。由于线性AGC环路的时常数随输入信号幅值的变化而变化，为了避免这一问题，通常采用对数AGC环路。

3) VLBI接口标准(VSI)和VLBI科学接收机(VSR)数据格式编辑及高速缓存技术。根据设计要求，系统有VSI和VSR两种工作模式，各具有不同的数据格式。这两种格式在帧结构、内容和实现方面有很大不同，并且对于同一种格式，由于通道数目、各通道量化位数以及记录速率的不同，数据格式编辑模块的逻辑结构也不同，因此数据格式编辑模块的工作模式就有很多种。

(5) 相关处理及后处理1) 软件相关处理技术。深空测控干涉测量系统中心处理设备的功能是收集各站采集的数据进行处理，从数据中得到每条基线的时延差、时延差变化率、条纹相位以及相关幅度，是干涉测量处理的核心，需要强大的计算能力。目前相关处理技术有硬件相关处理机和软件相关处理机两大类。硬件相关处理机的优势在于直接由硬件来完成相关处理，速度比较快； 软件相关处理机的优势在于它有良好的可扩展性、可升级性，良好的兼容性以及可快速开发性。随着通用计算机平台运算能力的不断增强，软件相关处理机的优势更加明显。本系统采用基于高性能集群运算方式的纯软件相关处理机，实现对射电星、航天器目标的VSI、VSR数据格式下的干涉测量数据实时处理(4台站、每台站128Mb/s)和事后高精度处理。

2) 大气参数实时修正技术。深空干涉测量系统通过测量目标信号到两个观测站的时延差，得到目标的高精度角度。时延差的测量精度在纳秒量级。影响测量误差的主要因素有航天器热噪声误差、站址误差、设备通道时延漂移误差、天线相位中心变化、校准信号稳定性误差、数据时标误差、站间时间同步误差、对流层延迟误差、电离层延迟误差、地球定向参数误差等。其中对流层延迟误差以及电离层延迟误差可以通过温度、湿度、大气压力以及GPS测量数据进行事后修正，这种修正方式对于观测射电星来说是没有问题的。而航天器需要实时测定轨，也就是需要干涉测量系统提供实时高精度测量结果，因此要求对上述误差进行实时修正。3) 载波辅助本地相关处理技术。航天器DOR侧音信号是NASA、ESA和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)等机构共同推荐用于深空航天器导航时星载的标准发射信号，在空间数据系统咨询委员会(CCSDS)标准中对其进行了严格定义。因此,航天器DOR侧音信号是未来开展深空航天器干涉测量国际联测必然要处理的信号。在我国嫦娥二号工程中开展的ΔDOR观测中也利用该信号进行了处理试验。当前，作为DOR侧音的信号形式有两种： 专门的DOR侧音信号和副载波的偶次谐波。当采用一定的调制度时，接收端各个通道(载波通道和谐波通道)接收信号的C/N0相差较大，尤其是副载波的高阶谐波C/N0较小，无法获取足够的信噪比(SNR)进行载波跟踪，这种情况下就必须利用各个通道载波的先验关系，利用C/N0较大的载波通道辅助C/N0较小的谐波通道进行相关处理，可提高系统的稳健性和测量精度。

4) 优化算法提高系统数据处理的实时性。本系统采用了基于地心模型的单站时延补偿和相位补偿的处理方式完成射电星信号的相关处理，并采用时间与通道并行的处理方式，克服传统基线补偿与处理模式下观测站数据存在的重复分发、重复计算等不足，降低了计算量和复杂性，提高了系统实时性。对于航天器信号相关处理，则采用基于站心模型的单站时延补偿和相位补偿的处理方式，对于抑制载波信号则利用传统相关处理方式，对于残留载波或DOR侧音信号则采用基于载波辅助的本地相关处理方式。

1.2系统技术指标|1.2系统技术指标1.2.1接收频段

S频段： 2.2~2.3GHz； X频段： 8.4~8.5GHz。

1.2.2中频接口中频接口： 320MHz。中频带宽： S频段≥100MHz；

X频段≥100MHz。

1.2.3相关处理能力能同时进行4个观测站、6条基线基带数据的相关处理。

1.2.4测量精度干涉测量系统的测量精度要求如下： 1) DOD测量模式，模型修正后精度优于1mm/s； 2) DOR测量模式，模型修正后精度优于90cm； 3) ΔDOD测量模式，精度优于0.5mm/s； 4) ΔDOR测量模式，精度优于15cm； 5) SBI模式，精度优于3cm。上述精度条件是佳木斯—喀什基线对航天器进行X频段的干涉测量，航天器信号扩展带宽为40MHz。

1.3系统组成及工作原理|1.3系统组成及工作原理1.3.1系统组成

我国深空干涉测量系统的组成如图12所示。该系统包括任务中心、运管中心、北京和西安干涉测量系统数据处理中心、4个深空站等(目前已经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深空站和纳米比亚18m深空站)。

图12深空干涉测量系统的组成

任务中心负责深空站观测任务的规划和下发，运管中心负责深空站设备参数的下发。中心数据处理分系统主要由高性能集群运算计算机组成，运行中心数据处理软件。中心数据处理软件包括数据接收及预处理功能模块、相关处理功能模块、综合处理模块和监控模块，主要完成数据的接收、存储、预处理、数据分发以及DOR/DOD、ΔDOR/ΔDOD、SBI的相关解算。同时北京中心还负责深空干涉测量的观测纲要的编写。

深空站主要包括天伺馈分系统、时频分系统、干涉测量射频信道分系统、数据采集与记录分系统、延迟校准分系统、站内监控分系统和大气参数测量分系统。天伺馈分系统主要由天馈子系统、天线控制子系统和天线机械结构子系统组成。目前投入运行的喀什35m口径天线和佳木斯66m口径天线均采用波束波导(BWG)的设计方案。天馈子系统主要完成对来自空间目标的微弱信号的收集。它由天线主副反射面、波束波导、馈源辐射器与双色平面反射器组合、馈电网络、单脉冲双通道跟踪网络(喀什站具备S/X/Ka三个频段、佳木斯站具备S/X二个频段)和其他微波功能组件组成。天线控制子系统主要完成对天线的各种操控，使天线指向目标，利用引导信息完成对目标的角度引导跟踪，利用跟踪误差信息完成对目标的角度自动跟踪。它由天线驱动单元、天线监控单元、天线轴角编码单元和天线控保单元等组成。天线机械结构子系统主要完成对天线反射面的支撑和天线的各种机械运动。它由天线反射体及其支撑机构、天线俯仰组合、天线方位组合、天线保护装置等组成。

时频分系统由高精度主动型氢钟、频率和时间信号产生器、实时测试与完好性检测设备、时频监控以及联试时频等五部分组成。时频分系统配备两台主动型氢钟和频率净化器(CLEAN)，为其他分系统提供所需的高精度频率基准、时间信号和时标脉冲。

干涉测量射频信道分系统工作在S/X二个频段，由低温接收机、干涉测量下变频器、中频开关矩阵等组成。其功能是将S和X频段的射频信号下变频为中心频率320MHz的中频信号，选择后送数据采集与记录分系统。数据采集与记录分系统主要完成中频信号调理、数据采集、频道选择以及基带转换和数据记录等功能，是后续相关处理的基础。目前分别配属于我国喀什和佳木斯深空站，每套干涉测量采集与记录分系统由3台相同的基带转换与记录设备组成，每台设备又包括数据采集基带转换单元和数据存储单元。3台设备中2台设备在线工作，另外一台设备用于备份。延迟校准分系统由脉冲产生单元和地面单元组成。脉冲产生单元产生的延迟校准信号在低噪声放大器(LNA)前端馈入，用于校正通道时延不一致性。地面单元为脉冲产生单元提供100MHz/10MHz频标，并具有在线标定频标传输线时延的能力，实时测量频标传输线时延值。大气参数测量分系统完成相关气象参数的测量，提供电离层和对流层大气时延修正值，分系统包括水汽微波辐射计、GPS双频接收机和气象仪等。水汽微波辐射计测量大气辐射亮度、温度，提供对流层湿项距离误差修正功能。气象仪测量温度、湿度和大气压，提供对流层干项距离误差修正功能。GPS双频接收机跟踪GPS载波信号，提供电离层距离折射误差修正功能。

1.3.2VLBI/ΔVLBI的工作原理深空干涉测量的工作原理是由VLBI发展起来的，因此，这里首先简要介绍VLBI的相关知识。众所周知，太阳光中包含大量的紫外线辐射和红外线辐射，这些辐射大部分被地球的大气吸收了。但是，在1931年科学家非常意外地发现了一个探索宇宙的射电窗口。来自外层空间的星体发出一种非常稳定的射电噪声，无线电波可以穿透光波通不过的尘雾，因此可以通过无线电波研究外层空间的星体。射电干涉仪就是在此基础上发展起来的。

如图11所示，观测时，两个地面站指向同一个目标，基带转换与记录采集数据，经过格式化处理记录在磁盘上。在观测完毕后，将数据送到数据处理中心，经过回放、相关处理，得到时延和时延变化率。如果通信链路容许，也可以通过网络等手段，将数据实时传送至数据处理中心。

数据处理的目的是得到VLBI的测量值，包括： 干涉条纹的相关幅度，射电星同一时刻辐射的电磁波到达基线两端的时间延迟差(即DOR)，时间延迟差变化率(即DOD)。相关幅度提供有关射电星亮度分布的信息，时延和时延变化率提供有关基线(长度和方向)和射电星位置(赤经和赤纬)的信息。

在相关处理过程中，在有效的带宽范围内每隔较短时间就要对相关积分函数进行时延补偿和多普勒频移条纹旋转，使得能够通过相关相位条纹的斜率来估计时延量和剩余时延量。时延量反映目标相对观测位置，多普勒条纹旋转能够反映目标运动状态参数,如图13所示。

图13干涉测量的数据处理过程

在VLBI中，为了得到更高精度的时延测量值，通常采用带宽综合技术。时延测量精度与观测带宽有关，测量误差σ与观测带宽B成反比，观测带宽越宽，误差越小，精度越高。但是，因为记录速率的限制，观测带宽不可能无限地增大，从而导致时延观测的精度受限。为了解决这一问题，20世纪70年代提出在VLBI中运用带宽综合技术，其中心思想是通过一系列的窄带通道合成一个大的有效带宽。带宽综合技术将接收带宽在频域上划分为许多互相分得很开的通道，根据每个通道记录的信号来估计各通道的时延和时延变化率，然后通过最小二乘法拟合估计多通道时延，以此得到高精度的时延值。带宽综合技术突破了记录带宽对时延测量精度的限制，在相同的记录带宽下，能够获得更高的分辨率。

利用带宽综合技术可将对宽带信号的观测转化为对一系列窄带信号的观测，从而获得更高的测量分辨率。把它运用到VLBI中，可以进一步提高VLBI的分辨率。

如果只观测一个稳定的频率f(相应的波长为λ)，则相关处理得到的结果τ还会有观测频率f的一个周期不确定性，即有：

cτ=nλ Δλ(0≤Δλ≤λ)(11)