射电干涉测量中高精度VLBI时延改正和DOR时延模型研究

Lunar exploration and interplanetary exploration are the two main lines of Chinese deep space exploration strategy. Radio interferometry technology(Very long baseline interferometry, VLBI) has played an important role in critical flight navigation of Chang'E missions. However,the accuracy of VLBI time delay model currently used in the Chang'E missions is just at the level of 1 nannosecond(ns), which cannot satisfy the requirment of the following deep space exploraions. The goal of this project is to improve the accuracy of VLBI time delay up to the level of 0.01 ns.The methods include modeling more precise corrections of station position,atmospheric delay and time delay caused by spherical wave . Delta Differential One-way Range(Delta-DOR) is a new technique in deep-space radio interferometry derived from VLBI. This research work in the project contains the definition, algorithm, simulation and verification of the DOR time delay model. The difference and transformation between the DOR delay and the VLBI delay will also be analysed and discussed. This research will be beneficial for the Lunar, Mars and Venus deep-space exploration in the future.

我国深空探测战略按月球探测、行星际探测两大主线来开展探测活动。国内甚长基线干涉测量（VLBI）在月球探测中为航天器的关键飞行段导航提供了高精度的定轨定位支持。但嫦娥项目中的VLBI时延模型精度仅为1ns量级,不能满足未来深空探测的要求,本项目将研究VLBI时延模型精度提高到0.01ns量级的方法，包括测站固体潮改正；适用于我国近海测站的海潮负荷改正；高精度的大气时延改正；适用于球面波的航天器时延改正。 为了面对将来深空探测应用的需要，对较差单程差分测距（Delta-DOR）新技术的理论时延研究也是本项目的重点之一。该技术在国外的深空探测项目中已得到有效应用，目前对此技术国内还处在探索和研究阶段。本项目将开展对DOR理论时延模型的系统研究，包括DOR时延模型的算法、仿真及验证,以及与VLBI时延的联系及相互转换。 成果可用于未来月球、火星、金星等深空探测器的射电干涉测量。

为提高测量精度，未来深空探测器将采用DOR信标体制。DOR信标由一系列单点频DOR侧音信号组成。对于DOR信号，若采用常规的VLBI相关处理方法，存在使用FFT算法造成的频率分辨率低，信噪比低，计算效率低等缺点。而本地相关处理方法是一种更适合DOR信号的干涉处理方法。该技术对DOR时延模型精度的依赖远高于常规VLBI时延模型，时延模糊度消除的难度也较高，目前这一方法还未在我国深空探测工程中实现。本项目首次将DOR时延与本地相关技术结合起来，研究了DOR几何时延的计算方法及原理，与VLBI几何时延的区别与联系。. 本项目研究干涉测量中的两种时延模型：VLBI时延模型和DOR时延模型。编写程序实现了DOR几何时延模型算法，以及与 VLBI几何时延模型的相互转换及比较。分别采用仿真和实测两种方法对DOR时延模型计算进行了正确性验证。利用仿真DOR几何时延以及DOR信号，采用本地相关方法，获得DOR时延观测量，与仿真实际时延差别小于0.2ps，从仿真角度证明了DOR几何时延计算的正确，也初步验证了本地相关方法的正确性。另外，还使用嫦娥二号（CE-2）中的实际轨道数据，分别计算了DOR几何时延和VLBI几何时延，并做了相应转换。DOR时延与VLBI时延经转化后，其符合程度在10ps以内，从实测方面验证了DOR几何时延计算的正确性。本项目计算的DOR时延模型值，还用于CE3环月段的DOR信号干涉处理，经一系列处理之后得到的较差差分单向测距Delta-DOR时延，用于探测器定轨获得的星历与工程中的精密星历差异约为20m，等效时延残差为0.4ns。可满足现有探月工程的精度要求。. 由于目前国内还没有其他科研机构提供DOR时延模型值，因此本项目可填补国内空白。以上成果能应用于未来的月球、火星、金星、小行星等深空探测器的射电干涉测量。