基于DiFX的深空数传异地天线组阵技术研究

With the continuous development of China's deep space exploration, much higher antenna performance is needed to meet demand of data acquisition. Because of the technical limits of single parabolic antenna and receiver, it is a shortcut to improve data acquisition capacities by devising long baseline antenna array to compensate for the reduction in signal-to-noise ratio (SNR).Compared with the local area antenna array, long baseline antenna array consist of existing large-diameter antennas located in different regions. On the one hand, big delay and delay rate offset are caused by the antenna's geometric location ;on the other hand, great phase error due to the atmosphere and the overlaying ionosphere along the signal path are coming as the distance between individual elements increases.In a word, accurate delay, delay rate and phase offset obtained by correlation are the key of the long baseline antenna arraying. A new long baseline antenna arraying scheme based on a modified version of the DiFX（Distributed FX-style Software Correlator） kernel is proposed according to the unique demand of deep space data acquisition. An experimental system will be established to implement an long baseline antenna array consist of Miyun Station 50 m antenna and Kunming station 40m antenna. During this system , an modified version of DiFX running on a PC cluster is used to get the delay and phase offset through correlation ; Gnu Radio which is a free & open-source software defined radio development toolkit is used to achieve the function of baseband data acquisition and the function of synthetic data output together with USRP（Universal Software Radio Peripheral）.

随着中国深空探测的不断发展，对天线的数据接收能力提出了更高的要求。由于单口径天线存在工程技术极限，通过对现有的大口径天线进行组阵，是提高天线数据接收能力的一个捷径。现有的大口径天线之间地理距离都比较遥远，与本地天线组阵系统相比，异地阵中单元天线的时延及时延率比较大，而且信号穿过的大气及电离层介质到达单元天线路径存在较大差异，如何获取时延和相位差是异地天线组阵的关键。提出利用DiFX(分布式FX型软件相关系统)的开源内核作为获取天线阵时延差和相位差基础，并根据数传天线阵的特点对其进行有针对研究和适应性改造，从而实现利用现有大口径天线进行异地组阵数据接收。建立一套可以完成密云站50米天线和昆明站40米天线进行异地组阵的实验系统，其中利用经过适应性改造后的DiFX完成核心时延和相位差获取功能；利用GNU Radio（开源软件无线电开发套件）完成基带数据的采集功能和合成后数据输出功能。

随着人类深空探测活动的不断拓展，航天器的飞行距离越来越远，航天器发射的信号也随距离增加越来越弱。由于单面天线的口径和接收机系统的技术指标存在工程极限，需要借助天线组阵技术来达到接收信号所需要的最低信噪比。. 伴随火星探测工程的立项，我国的深空探测活动也开始了由月球向火星的拓展。为了满足我国不断发展的深空探测需求，本项目利用现有的密云50米天线和昆明40米天线建立了一套异地天线组阵试验系统，以嫦娥三号探测器的数传信号作为试验对象，开展了异地天线组阵数据接收试验 。. 本课题主要研究内容为：天线组阵信号相关与合成数据处理方法及仿真验证；探测器初始时延及时延率估计模型构建；异地天线组阵试验系统研制及测试；异地天线组阵数据接收试验及试验数据处理。. 通过对异地天线组阵的关键技术，特别是涉及异地组阵的时延、时延率和相位差的估计与补偿，以及信号合成等关键技术的研究，本课题团队建立了利用模型计算和互相关搜索相结合的初时延和时延率快速估计方法，并进行了仿真验证；利用现有的密云站GRAS-1天线和昆明站GRAS-2天线，以嫦娥三号着陆器数传信号作为试验对象，开展了异地天线组阵与数据接收信号合成试验验证。. 在本课题开展期间，由于嫦娥三号探测器还在月面进行工作，所以为本课题提供了非常好的试验条件。我们利用嫦娥三号探测器作为天线组阵的数据对象，开展了大量的组阵观测试验。从2015年4月7日至2016年4月23日，共进行了52天的组阵观测试验，单站有效记录数据量超过8TB，为后续天线组阵技术的研究积累了非常丰富的试验数据。..本课题研究和验证实验结果表明：.1、初时延和时延率快速估计方法可提高异地组阵信号合成的效率；.2、全频谱合成方法优于其他方法，其合成损耗小于0.5dB，达到国外天线阵信号合成的同等水平，可用于我国首次火星探测任务天线组阵的信号合成；.3、本课题所确定的技术流程和数据处理方法可用于后续的信号合成子系统的软硬件研制和开发；还可以通过对合成算法进行优化，以期进一步提高信号合成性能。