深空飞行器开环测速测相测幅关键技术及在行星地基掩星观测中应用研究

研究用于行星无线电科学探测和深空飞行器测轨的开环高精度测速测相测幅数字式Doppler接收机的关键技术，开展行星星地掩星观测科学实验。本项目借助天文系统的VLBI射电天文设备，跟踪行星飞行器的下行无线电载波信号，开展高动态信标自动跟踪技术和微弱信号Doppler信息提取算法研究。采用FPGA+DSP嵌入式系统完成信号采集和实时并行处理，获得高精度Doppler频率、相位和幅度信息，用于多频段行星大气掩星反演和深空飞行器的测轨。接收机的频率测量精度可达到10mHz（10s积分），振幅分辨率可达16bits。自主开展地基行星掩星观测数据处理算法研究，并将其应用于国外已有的火星飞行器和将来我国自主的深空飞行器的地基无线电掩星资料反演分析。进一步利用掩星反演结果，特别是YH-1飞行器的火星赤道区掩星资料，开展火星大气和电离层的结构和物理特性研究。本项目将填补我国行星无线电科学的空白。

在行星探测跟踪和无线电掩星观测中所急需从深空飞行器发送的下行信号中提取高分辨率的单程多普勒频率幅度和相位信息，以及可配置式软件无线电数字式多普勒接收机。本课题结合我国深空探测的技术需求和瓶颈，集中突破实时单程Doppler关键技术，研发一种用于仅仅使用单程Doppler和开环差分Doppler(DOD)技术用于深空测轨的多普勒数字式接收机，精确地测量从深空飞行器下行无线信号的单向多普勒信息，包括多普勒频率、积分总相位和相对振幅的变化。采样数据的分辨率达到10MSPS和16bits，多普勒提取间隔从0.1s到60秒。跟踪火星快车和金星快车的实验结果表明了单程多普勒观测技术的可行性和有效性。.行星无线电掩星技术是众多行星大气探测方法中最早提出的,最早实现的方法之一,也是几乎所有深空行星探测器都实施的实验手段之一.利用已开发的行星无线电掩星观测数据处理软件和PDS公布的Mars Express无线电掩星观测数据,反演得到了火星大气的温度、压强和数密度廓线以及电离层的电子密度廓线,并与ESAMaRS团组公布的结果进行了比较,验证了反演软件的正确性.利用上海佘山VLBI射电天线和东南大学与上海天文台合作开发的多通道无线电数字接收机,进行了多次Mars Express和Venus Express轨道器的试观测,得到了一些初步观测结果。