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摘 要：讨论了美国NASA深空网（DSN）对深空飞船所采用的同波束干涉（SBI）技术概念和测量原理，并介绍了这一技术的应用和发展情况。
关键词：深空网;测控技术；同波束干涉; 测量技术
Same Beam Interferometry Instrumentation Technology of
American Deep Space Network
LI Guo-qiang
(Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology,
Beijing 100094, China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：This paper discusses the concept and instrumentation principle of Same Beam Interferometry (SBI) technology for deep space spacecraft by American Deep Space Network(DSN), and describes the application and development of this technology.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Deep Space Network(DSN); TT&C technology; Same Beam Interferometry (SBI);Instrumentation technology
一、前言
美国NASA深空网（DSN）是针对执行月球、行星和行星际探测任务的飞船进行跟踪、导航与通信的地基全球分布测控网，可以提供双向通信链路，具有对飞船实施指挥控制和接收图像、遥测等科学数据等功能。深空网由在全球按间隔120°分布的3个深空通信测量综合设施组成，分别位于美国加州戈尔德斯顿、澳大利亚堪培拉和西班牙马德里，每处综合设施都有4～10个深空站，配备大口径抛物面天线（主要有70 m、34 m和26 m）、高灵敏度接收系统、信号处理中心和通信网络系统。
二、同波束干涉技术
同波束干涉（Same Beam Interferometry，SBI）技术是指当两艘飞船在角度意义上非常接近时，它们可以在地面天线的同一波束内得到观测。使用两个深空网天线对两艘飞船同时观测，可以产生差分干涉测量，如图1所示，它可以提供在天平面上两航天器非常精确的相对角位置测量。在1991年8月，当时“麦哲伦号”和“先驱者12号”正处在金星轨道上，NASA对它们实现了SBI测量并验证了其在轨道确定中的作用。
从地球上看上去，通常两航天器之间的角度比航天器与射电星之间为10°的角度要小得多。由于许多测量误差与该角度的大小成比例，航天器-航天器的测量能够比传统的干涉测量更加精确。如果两个航天器位于同一天线的波束内，两个航天器的载波相位可被同时跟踪。这样使用载波相位而不是群时延（或延迟率），可以进一步提高测量精度。同波束干涉测量可能达到的精度比传统的航天器-射电星干涉要提高3倍。
 两个在火星轨道上的航天器的弦对角从地球看过去是很小的。这个角度通常小于单个无线电天线的波束宽度，因而两个航天器可同时被一个地面站跟踪。同波束干涉（SBI）技术包括使用两座相距很远的天线，每个天线观测两个航天器，测量在天平面上两航天器的分离角。因此，SBI数据的信息内容是对传统多普勒数据提供的径向信息的补充。在联合轨道估计过程中，用SBI数据补充多普勒数据可以降低对引力模型误差的敏感度，并使轨道确定精度得到提高。SBI测量将取决于许多因素，如数据弧段的长度、数据的精度和加权、轨道几何与引力模型误差。美国NASA使用SBI测量技术确定火星着陆舱——漫游器的相对位置的精度在几米的量级。
三、测量原理与误差分析
对两个航天器的SBI测量如图1所示，两个地面站测量每个航天器随时间变化的载波信号相位，将两航天器间以及两地面站之间的被测相位做差分，就得到一个在天平面（沿基线投影方向）上两航天器间分离角的瞬时测量值。相关测量随同每个航天器的多普勒数据一起用于联合轨道估计过程中。在一次估计过程中使用所有的数据，通过数据中的动态信号将两个航天器的轨道与引力中心联系在一起。
SBI测量与差分单向距离测量（ΔDOR）相似，因为后者是通过两个相距很远的地面站对两个源进行观测。ΔDOR测量确定航天器的差分单向距离，并将其与一个角度上邻近的射电星的干涉延迟进行比较，来校准地面站时钟及其他共同模式误差。ΔDOR测量在下行链路载波上调制单音信号来确定群时延，其精度是与覆盖带宽相对应的波长的几分之一。对于X波段（8.4 GHz）的ΔDOR测量，40 MHz覆盖带宽对应的波长约为7.5 m。SBI测量的优点在于，两在轨航天器间分离角（1mrad的几分之一）比ΔDOR测量的航天器-射电星分离角（典型为10°或约175 mrad）小得多。SBI测量所确定的相位延迟的精度为载波波长的几分之一，在X波段为3.6 cm。较小的分离角与使用相位延迟而不是群时延相结合，可以产生0.2 mm的理论SBI测量精度，而传统X波段ΔDOR测量的精度是14 cm。
X波段SBI测量的误差预算假设太阳-地球-探测（SEP）角为20°，航天器分离角Δθ为100 μrad，地球与航天器的距离为1.4 AU（天文单位，指日地距离），投影基线长度8 000 km（洲际基线的代表值）,所列出的最大误差成分来自由太阳等离子体引起的延迟的不完全抵消。几乎所有带电粒子的影响都可以通过双频测量消除,然而未来的SBI测量的机会不能保证两个航天器都有两个频率。
 图2相对各种飞船分离角和太阳－地球－探测器夹角以Kahn模型计算的太阳等离子体对X波段同波束干涉数据的影响下面以1995年NASA对抵达火星的俄罗斯“火星94”任务航天器和美国“火星观测者”进行SBI测量的情况，介绍说明SBI测量的误差和定轨的精度。
“火星94”航天器由一个X波段发射机来提供在巡航期间DSN进行ΔDOR测量所需要的信号，但它仍将依靠C波段（6 GHz）传送遥测数据和进行传统多普勒与距离数据跟踪。“火星观测者”将使用X波段进行遥测和导航，尽管它有34 GHz的试验能力。因为太阳等离子体的影响在SEP角大于20°的情况下将会更小，通常，带电粒子的影响将会比表1中所示的要小。在这方面表1给出的测量误差预算是有些保守的。误差预算中的各项在下面简要地进行讨论。
 1.太阳等离子体
太阳等离子体误差通过使用薄屏冻结扰动模型来计算，差分延迟误差用数值计算，样本结论见图2所示。可以看出对于小的航天器分离角，差分延迟误差与分离角和SEP角基本呈线性关系。该模型用于SBI测量的能力还需用一些试验数据来检验。
2.电离层
美国深空网（DSN）的电离层校正由全球定位系统（GPS）测量提供。在X波段，校正后的地球电离层延迟误差映射在任意视线方向上约为30 mm。对相邻视线的差分延迟误差由下式给出：
式中,Δθ是航天器间分离角度（弧度）, F是相对于Δθ方向的角度的映射函数的导数因子, 2因子的引入是因为在两个站的误差相互独立。 映射函数表示电离层校正中最大的误差，对于SBI数据所需的小分离角情况是未知的。用于GPS校正的映射函数导数的最大值（分离角在俯仰方向上）为3.5/rad。
3.对流层
对流层误差由下式给出：
其中,E为俯仰角, Δθ为两航天器俯仰角的差，对流层延迟误差对应在低仰角（1/sinE）的值是40 mm。 表1中所列的对流层误差，假设两航天器间的仰角为15°，仰角误差100 rad，因子2表示两个站的误差相互独立。
4.系统噪声
接收的信号包含航天器的信号和地面接收机产生的与系统运行温度成比例的噪声，系统噪声误差取决于接收信号功率与噪声功率的比值。在更长的时间段内进行平均，电压信噪比（SNRv）会更高。由系统噪声引起的SBI相位误差由下式给出：
其中,λ为X波段波长（36 mm），“火星94”航天器发射机的额定功率为1 W，天线在X波段增益是17 dB。对5 min的积分时间，DSN 34 m天线的SNRv值为175。“火星观测者”的SNRv将接近该值的10倍，因为其发射的载波信号功率效率更高。对于“火星94”航天器，忽略“火星观测者” SNRv误差，每个站都存在独立误差，这引入了因子/2。
5相位漂移
SBI观测量是由从两航天器发射并在两地面站接收的正弦信号双差分测量相位得到的。地面接收机引入相位漂移，该漂移取决于多普勒信号频率，因而通常对每个站和每个航天器是各不相同的。测量的相位漂移可分为两类：随频率线性变化的相位漂移（不发散）和具有非线性频率函数关系的相位漂移（发散）。发散误差由下式近似给出：
εd=2×(0.5deg)×λ/(360/deg) (mm) （4）
其中, 0.5deg 代表VLBI接收机系统中的相位漂移。每一个航天器在各个地面站产生的独立误差引入因子2。相位漂移的影响可以通过更好地测量设备或非常靠近的航天器频率来减小。
6. 晶振漂移
两航天器发射频率间的未知偏差引起的误差由下式给出：
其中,c为光速，τ是两站在接收时间上的差（这里假设是10 ms），f是各航天器发射机的额定频率 ，Δf是未知的发射机频率偏差。对于双向传送，两个航天器使用由独立的频率标准产生的不同的上行链路，对Δf/f的估计由测站时钟速率标校的期望精度（5×10-14）提供。对于单向传送，径向多普勒测量用来估计星上晶振额定频率的修正。晶振频率精度可以根据跟踪覆盖和晶振稳定度来估计。对于单向传送，Δf/f的估计精度为2×10-12。
7.基线
由于角度测量是从两地面站接收的时间信息中推导出来的，所以站址误差和地球地极指向误差都会影响SBI测量数据。必须监视地球地极指向和地球转速的随机变化，以保持这些测量量中信息的质量。在JPL，目前实时数据分析中地球指向信息的精度维持在30 cm。分析两周前的数据，地球指向误差小于5 cm。如果需要的话，实时分析中地球指向的精度可以提高，如果使用来自GPS的数据，精度有望达到5 cm水平。已经通过VLBI和卫星激光测距确定了DSN站的站址，精度优于5 cm。总的来说，7 cm 可以代表由站址和地球指向误差引起的基线误差。SBI误差由下式给出：
8.地面站测量
在地面站测量设备中，未校准的群时延或时钟偏差引起下面形式的相位延迟误差：
其中, ρi是地面站与航天器i之间的径向距离率（mm/s）, δτI是未校准的测量设备延迟（s）。此项误差在接收信号期间随多普勒漂移的变化而慢变。在1 h以上的数据弧段，距离率的变化限定在6×106mm/s。所有的站延迟应当校准到2×10-8mm/s。由非发散测量设备影响因素导致的最终SBI误差漂移不超过0.12 mm。
图3~6给出了“火星观测者”和“火星94”飞船只用多普勒的定轨精度与使用多普勒加SBI的定轨精度的情况对比。我们可以看出,使用多普勒加SBI的定轨比只用多普勒定轨的精度要高数倍。
四、结束语
同波束干涉测量技术目前在美国NASA被列为未来重点研究开发项目，这一技术与单向测速与再生测距技术、下一代VLBI技术（FSR/VSR）、CEI测量技术和飞船对飞船的跟踪技术等一同被美国NASA列为未来深空无线电跟踪技术的发展方向。该技术对于我国未来开展深空探测、建立深空测量站进行深空导航具有借鉴意义。
参考文献
［1］Wolff S. Deep Space Network［EB／OL］. http://ds1.jpl.nasa.gov/dsn/index.html.
［2］Catherine L Thornton，James S. Border Radiometric Tracking Techniques for Deep- Space Navigation (JPL Publication 00-11)［Ｚ］. California Institute of Technology：the Deep-Space Communications and Navigation Systems Center of Excellence Jet Propulsion Laboratory，2000.
［3］W M Folkner，J S Border Orbiter-Orbiter and Orbiter-Lander Tracking Using Same-Beam Interferometry［R］.NASA Code 310-10-63-88-01ＮＡＳＡ，1992. |
