超高精度的甚长基线干涉相位时延推导法及其在我国的应用前景

　　1　引言

　　甚长基线干涉(very long baseline interferome-try,VLBI)技术是深空探测器精密测定轨的重要手段之一,它对于视线垂直方向上的轨道变化有较高灵敏度.而传统的多普勒技术在视线方向上灵敏度较高. VLBI和多普勒技术的同时利用,可以极大地提高深空探测器的测定轨精度.美国宇航局(NASA)、欧洲宇航局(ESA)等已把VLBI技术广泛应用于深空探测器的精密定轨[1].我国则在月球探测工程中首次应用实时VLBI技术,实现了嫦娥一号卫星(CE-1)的实时精密测定轨.

　　迄今为止, VLBI的观测量一般是群时延而不是相位时延.群时延是通过相关相位除以电磁波的带宽得出的.而在深空探测器中,由于电力等条件的限制,其发射电磁波的带宽一般小于10 MHz,所以群时延的测量精度一般限制到纳秒量级.即使是在带宽不受限制的射电源VLBI观测中,群时延的测量精度也只能达到几十ps.在中国科学院上海天文台和中国科学院国家天文台乌鲁木齐天文站25 m射电望远镜参加的日本月球卫星SELENE的VLBI观测中,利用SELENE的两个自旋稳定小卫星Rstar和Vstar的3个S频段信号,通过对这3对载波信号的相关相位差分,从差分相关相位中求出了Rstar和Vstar间的差分相位时延.由于差分相位时延是由差分相位的绝对值除以载波信号的频率得出的,其测量误差可以降到极小的ps量级,但前提是必须解决2π模糊度问题.为此,我们利用了同波束差分VLBI观测法[2—6],即用射电望远镜的主瓣同时观测Rstar和Vstar,得到两个卫星的连续相关相位,通过差分,可去掉电离层、大气及观测装置的绝大部分的影响,从而得到了超高精度的差分相位时延.

　　在将于2011年发射的我国首个火星探测器“萤火1号”(YH-1)和俄罗斯的“福布斯”探测器(Phobos-grunt)的精密定轨中,我们也将利用同波束VLBI观测技术.但由于“福布斯”探测器只发射1个X频段的信号,而“萤火1号”发射3个X频段的信号,使我们不能如同处理SELENE的数据那样对两个卫星的相关相位直接进行差分.为此,我们针对此问题正在开发新的解析方法,并争取求出“萤火1号”的超高精度相位时延.本文将简要介绍同波束VLBI观测法和相位时延推导法,对上海-乌鲁木齐基线的SELENE的差分相位时延的结果进行报道后,简单介绍“萤火1号”和“福布斯”探测器的同波束VLBI观测技术及相位时延推定法,并展望超高精度的VLBI相位时延在我国深空探测中的应用前景。

　　2　多频点VLBI观测的基本原理

　　VLBI的基本原理就是两个射电望远镜同时接收同一电磁波源发出的电磁波,对记录的数据通过相关处理得到此电磁波到达两个望远镜的相位差,从相位差中求出到达两个观测站的时间差,简称时延.在相关处理时,需要根据卫星的轨道预测值和地球自转及公转等模型,首先计算出时延的预测值τp(图1).基于时延预测值进行观测站间时延补偿(把两个接收站记录的数据的时刻对齐)和条纹旋转(把由多普勒效应引起的两个站接收信号的频率对齐)后才可进行相关处理.从相关相位求残余时延 τres有两种方式,即群时延和相位时延.群时延可表示为τres=(2-1)/2π(f2-f1) ,其中,f1,f2为接收信号的频率.由此可知,f1和f2的差(带宽)越大,求出的群时延的精度越高.但由于从相关处理中只能得到在正负180度以内变化的1和2,所以在求群时延时,也需要解决2π模糊度问题,而由不同的频率组成的多频点VLBI系统能很好地解决这个问题.