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1、第27卷第3期宇 航 学 报Vol.27No.32006年5月 JournalofAstronauticsMay2006高精度星间微波测距技术1,211111,2佘世刚,王 锴,周 毅,申 健,吴国富,黄欹昌(1.兰州空间技术物理研究所,兰州730000;2.兰州大学信息科学与工程学院,兰州730000) 摘 要:卫卫跟踪(SST)技术是目前地球重力场测量最有价值和应用前景的方法之一。高精度K波段星间微波测距系统(KBRKBandRangingSystem)是低低卫卫跟踪(SST-ll)重力卫星的关键有效载荷,它是一微米量级的测距系统,通过
2、处理高精度的星间距离和距离变化率数据,可以恢复出地球重力场。在研究星间双路微波测距原理的基础上,提出了一种KBR系统的基本结构,详细描述了数据处理过程和KBR系统研究需要突破的关键技术,分析了国内目前的研究水平,给出了我国未来开展KBR系统研究的一些建议。关键词:星间测距;KPKa频段;重力测量中图分类号:V443 文献标识码:A 文章编号:100021328(2006)0320402205密加速度计,用于测量非保守力的影响;最核心的有0 引言效载荷为高精度K波段微波测距系统(KBR),测量[1,4]地球重力场的精确测量在海洋学、水文
3、学、冰川精度可达到1μmPs,足以测出地球表面重力场异学、测地学等地球物理科学方面具有极其重要的作常所引起的卫星间距的变化。MacArthur在1985年用。利用卫星可以精确测量地球重力场,目前主要利用91GHz和61GHz系统试验证明这个测距系统[5]有两类技术方法,即卫卫跟踪SST(satellite2to2satellite是可以实现的。tracking)技术和重力梯度技术。卫卫跟踪SST又有本文着重介绍KBR系统的测量原理、基本结构高低卫卫跟踪(SST2hl)和低低卫卫跟踪(SST2ll)两种和数据处理过程。技术模式。低低卫卫跟踪由两
4、颗同一轨道的低轨卫1 双路微波测距系统原理星组成,在飞行方向上相距几百公里。卫星飞过重力异常区域时受到摄动,速度发生变化,改变轨道。KBR利用双路微波测距系统,其测量原理如图通过测量两颗卫星间的距离和距离变化率,再扣除1所示。两颗卫星分别命名为卫星p和卫星q,每[1]非保守力的影响,可以恢复出地球重力场模型。颗卫星发射KPKa频段连续微波信号,被另一卫星有文献表明,当星间的距离和距离变化率测量达到接收,并测量相位的变化,测量结果传到地面进行综几十微米量级时,重力场恢复精度可以达到120合处理,从而得到星间的距离变化。为了去掉电离[2]阶。层的
5、干扰,使用双频段测距系统。[3]SST2ll是Wolf在1969年提出的,经过30多年的探索努力,该技术逐渐趋向成熟,特别是2002年3月成功发射了德美合作研发的GRACE(GravityRecoveryAndClimateExperiment)卫星,使地球重力场研究进入一个新的里程。GRACE由两颗同一轨道的低轨卫星组成,其轨道倾角接近90°,高度为300～500Km,两颗卫星相距220±50km,卫星的设计寿图1 双路微波测距系统原理Fig.1Diagramofdual2waymicrowaverangingprinciple命为5年,用
6、于探测重力场和气象实验。GRACE卫p星发射微波信号为星携带了重力场测量的三大有效载荷。双频GPSA(t)=A0cos(2πfpt+<0p)(1)接收机,用来确定轨道,轨道精度优于5cmP方向;精收稿日期:2005211215; 修回日期:2006201223第3期佘世刚等:高精度星间微波测距技术403q星发射微波信号p星得到的相位B(t)=B0cos(2πfqt+<0q)(2)Ψp=2πfpt+<0p-2πfq(t-τ)-<0q(6)式中A0、B0为信号振幅;fp、fq为信号频率;<0p、q星得到的相位<0q为信号初始相位。Ψq=2πfqt
7、+<0q-2πfp(t-τ)-<0p(7)在t时刻,p星接收到τ时间前q星发射的微波两个相位在地面进行综合得到信号,与本地发射信号混频,相乘得Ψp+Ψq=2πfpt+<0p-2πfq(t-τ)-<0q+A(t)B(t-τ)=A0B0cos(2πfpt+<0p)2πfqt+<0q-2πfp(t-τ)-<0pcos(2πfq(t-τ)+<0q)=2π(fq+fp)τ(8)A0B0所以信号传输时间为=[cos(2πfpt+<0p-2ΨΨp+qτ=(9)2πfq(t-τ)-<0q)+cos(2πfpt+2π(fq+fp)<0p+2πfq(t-τ)+<
8、0q)](3)再乘光速c,得到两颗卫星之间的距离为经低通滤波,滤除高频分量后,得到Ψp+ΨqR=cτ=c(10)A0B02π(fp+fq)A(t)B(t-τ)=co
