地球同步卫星的vlbi观测

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1、中国科学院上海天文台年刊２００３年第２４期ＡＮＮＡＬＳＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＯＢＳＥＲＶＡＴＯＲＹＡＣＡＤＥＭＩＡＳＩＮＩＣＡＮｏ．２４，２００３地球同步卫星的ＶＬＢＩ观测舒逢春张秀忠郑为民（中国科学院上海天文台，上海２０００３０）提要介绍了差分ＶＬＢＩ技术确定空间飞行器位置的原理。在上海、乌鲁木齐和昆明站开展了对地球同步卫星的首次国内差分ＶＬＢＩ观测，实验中选择３颗角距小于１５°的ＩＣＲＦ射电源作为参考源，克服了卫星观测的特殊性带来的困难，成功地获得了卫星信号的干涉条纹。基于条纹拟合的结果和系统差分析，估计双差单向测距的总误差约为４１ｃｍ，双差单向测速的总误差约

2、为０．１４８ｍｍ／ｓ，相当于在地球同步轨道上８ｍ的位置误差和２．８ｍｍ／ｓ的速度误差。主题词：差分ＶＬＢＩ—地球同步卫星—观测实验—精度估计分类号：Ｐ１７１．３，Ｐ２２８．６１引言随着我国航天事业的发展，对空间飞行器的定轨精度要求越来越高。传统的飞行器跟踪定位是由Ｄｏｐｐｌｅｒ测速和雷达测距技术来实现的。这两种无线电技术可直接测量飞行器相对于观测站的视向距离或视向速度。但随着卫星高度的增加，由于测量精度的制约和系统误差的变大，定轨精度也就会越来越差。例如，位于地球同步轨道的导航卫星虽然采用了双向法无线电测距，定轨精度仍然只有百米至数十米。考虑到卫星轨道精度直接影

3、响到用户的定位精度和定时精度，提高导航卫星的定轨精度具有重要的现实意义。自２０世纪６０年代后期ＶＬＢＩ（ＶｅｒｙＬｏｎｇＢａｓｅｌｉｎｅＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）技术问世以来，美国航天局的ＪＰＬ发展了双差单向测距（ΔＤＯＲ，ＤｅｌｔａＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＯｎｅｗａｙＲａｎｇｉｎｇ）和双差单向测速［１］（ΔＤＯＤ，ＤｅｌｔａＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＯｎｅｗａｙＤｏｐｐｌｅｒ）两种差分ＶＬＢＩ技术。差分ＶＬＢＩ具有只需观测下行单向信号、角度和角度变化率测量精度高的优点；利用两条近似正交的基线进行差分ＶＬＢＩ观测，可以得到飞行器在天球面上的两维投影位置和

4、速度分量。因此，差分ＶＬＢＩ技术是无线电测距测速的有益补充，在深空导航中得到了广泛的应用，它被用于：测量Ａｐｏｌｌｏ１６的月球［２］［３］车相对于登月舱的位置；利用织女号飞船释放的气球测量金星大气风速；旅行者系列飞船、伽利略飞船、麦哲伦飞船、火星全球勘探者和奥德赛火星探测器的导航。１９９８年，我国上海的佘山ＶＬＢＩ站曾参加了三次由美国航天局组织的火星全球勘探者的差分ＶＬＢＩ定位观测，并获得成功。虽然我国已基本掌握了ＶＬＢＩ的关键技术，也在ＶＬＢＩ天文观测及研究中积累了丰富的经验，但将该技术用于空间飞行器的跟踪定位，还需要利用现有设施进行必要的观测试验，在此２００

5、３年３月１５日收到．１０６中国科学院上海天文台年刊２００３年基础上改进和更新现有的软硬件系统。我们利用国内ＶＬＢＩ的现有设备，开展了对地球同步卫星的首次国内差分ＶＬＢＩ观测。２差分ＶＬＢＩ原理ＶＬＢＩ的基本观测量是时延和延迟率。时延定义为射电源发出的同一信号到达地面上不同位置处的两台射电望远镜的时间差。时延的主要部分称为几何时延（τｇ），由射电源和观·测台站的几何位置决定。时延（τ）模型和延迟率（τ）模型可以定性地写成：τ＝τｇ＋τｅｒｒ，（１）···τ＝τｇ＋τｅｒｒ．（２）上式中τｅｒｒ包括电离层、中性大气、钟差和仪器误差等各种系统误差以及ＶＬＢＩ测量的随机

6、误差对时延的贡献。变量上方加“·”表示对时间求导，下同。图１给出了差分ＶＬＢＩ观测的几何关系。对于遥远的河外射电源而言，由于没有视差，传播到两个地面观测站的电波路径是平行的。其Ｑ几何时延（τｇ）可以写为Ｑｃτｇ＝－Ｂ·Ｉ．（３）上式中ｃ为真空中光速，基线矢量Ｂ＝Ｒ２－Ｒ１，Ｒｉ（ｉ＝１，２；下同）为第ｉ个观测站的位置矢量，Ｉ为射电源方向单位矢量。对上式求导，可以得到几何延迟率：···Ｑｃτｇ＝－Ｂ·Ｉ－Ｂ·Ｉ．（４）图１差分ＶＬＢＩ观测的几何关系ＳＦｉｇ．１ＧｅｏｍｅｔｒｙｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＶＬＢＩｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ对于空间飞行器而言，几何时延（τ

7、ｇ）可以写成：Ｓｃτｇ＝ρ２－ρ１．（５）即飞行器相对于两个观测站的单向斜距差（ＤＯＲ），上式中ρｉ＝‖ρｉ‖，ρｉ＝ｒ－Ｒｉ，ρｉ是第ｉ站的斜距矢量，ｒ是空间飞行器的位置矢量。相应的几何延迟率为····Ｓｃτｇ＝（ρ２ｕ－ρ１ｕ）·ｒ＋ρ１ｕ·Ｒ１－ρ２ｕ·Ｒ２．（６）ρｉ上式中ρｉｕ＝，也即第ｉ站的单位斜距矢量。由于（６）式等号右边的第一项远远大于其它‖ρｉ‖项，飞行器的几何延迟率又称为单向差分多普勒（ＤＯＤ）。虽然ＶＬＢＩ技术能精确地测量ＤＯＲ和ＤＯＤ，但其中包含多项未知的系统差。利用差分ＶＬＢＩ技术，同时或交替观察飞行器及其附近的河外射电源，可以极大地消

8、除它们之间的共同误差源。