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题名	SELENE及嫦娥三号VLBI观测数据的分析及应用
作者	贺庆宝
答辩日期	2017-12
文献子类	博士
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	上海
导师	刘庆会
关键词	差分相时延， 时延率， 信噪比， 月球热辐射， 信号反射， 相位连接
其他题名	Analysis and application of VLBI observation data of SELENE and CE3
学位专业	天文技术与方法
英文摘要	摘 要 我国的深空探测从探测月球开始，在2004 年正式启动探月任务，并于2013 年12 月2 号发射了嫦娥三号月球卫星，在2013 年12 月14 日实现月面软着陆。 日本在2007 发射了SELENE 探月任务，包括两个小卫星(Rastr, Vstar)和一个主卫 星。嫦娥三号及SELENE 任务中， 都使用了VLBI (Very Long Baseline Interferometry)技术对其跟踪测量，以提高卫星的测定轨精度。VLBI 实质上是测 角，同样的时延精度，如果探测目标越远，其测定轨精度越差。我国将于2020 年左右发射火星探测器，后续还有小行星以及木星探测。随着我国深空探测目标 越来越远，我国VLBI 时延测量精度也面临着更高要求。本文围绕提高VLBI 时 延测量精度的背景，利用嫦娥三号及SELENE 的VLBI 数据，主要针对数据分 析及处理方法做了如下几个方面研究，并取得了创新性的研究成果。 一、研究了双探测器单点解算VLBI 差分相时延的方法。利用SELENE 同波 束VLBI 数据，通过改进算法，提高差分群时延的解算成功率。其次发现利用来 自异源的两对频点信号(f1, f3)的相关相位解算差分相时延存在较大误差，而利用 来自同源的两对频点信号(f2, f3))的相关相位求解差分相时延的误差仅为异源信 标的1/64。基于上述分析结果给出了适宜于同波束VLBI 观测的同源信标设计方 案。最后，在使用同源信标的基础上，改进算法，使得差分相时延的单点解算成 功率进一步提高。 二、研究了VLBI 时延率和差分时延率的统计特性。利用SELENE 的Rstar 和Vstar 的VLBI 数据统计分析了其一年的时延率和差分时延率结果。结果表明 在角距离小于0.1°时，差分时延率的随机误差中已基本不受中性大气和电离层的 影响，主要由热噪声引起。在角距较大时，差分时延率能除去一部分中性大气和 电离层的影响，其随机误差仍比单卫星时延率的随机误差要小。2008 年全年的 统计结果表明，在60 s 积分5 点直线拟合情况下，单卫星时延率的随机误差约 为0.2 ps/s，且在7~8 月份时最大。差分时延率的随机误差在0.09 ps/s~0.17 ps/s 之间，在不同月份基本稳定。 三、研究了月球热辐射对月球卫星下行信号信噪比的影响。嫦娥三号在绕月 期间的下行信号信噪比有着约2 h 的周期性变化，且幅度较大(>5 dB)。经算得， 由于月球热辐射造成天线系统接收的噪声温度随时间变化，且变化趋势与信噪比 趋势刚好相反。由此得知其主要原因是地面天线波束和月球球面的交叉面积不同致使月球热辐射的能量在不同时刻进入到地面天线波束的能量不同引起，变化周 期即是卫星的轨道周期。另外，2 比特量化谐波会对信噪比的计算会产生影响， 当整个通道信号的信噪比大于2 dB 时，其计算值会小于理论值。 四、研究了电磁波在卫星表面反射之后被地面跟踪天线接收对VLBI 时延的 影响。嫦娥三号VLBI 群时延在整个任务期间均有着数百皮秒幅度抖动，周期为 数十秒，而在嫦娥五号再入返回飞行器VLBI 时延中却没有类似抖动。经分析得 知嫦娥三号卫星复杂的外形使得信号的反射波进入地面的观测天线波束，对群时 延产生数百皮秒抖动，对相时延产生数皮秒抖动，同时对信号信噪比也产生幅度 变化。在嫦娥五号再入返回飞行器任务中，没有出现类似嫦娥三号的时延抖动是 因为其卫星简单的外形构造使得反射波几乎不会指向地球。最后，为避免反射波 传播到地球，设计了一种卫星外表结构的模型。 五、提出了用窄带解算单个探测器VLBI 相时延的新方法。利用嫦娥三号着 陆器数传数据研究了一种利用窄带宽(1 MHz)内两个频点的相关相位解算相时延 的新方法，并做了实际解算，且仅利用VLBI 相时延对着陆器进行了定位，其定 位结果与目前精度最高的结果相差百米左右，验证了新方法解算相时延的可行性 以及仅利用VLBI 相时延也能进行着陆器定位的有效性。 六、研究了差分VLBI 观测时的相位连接新方法。利用嫦娥三号及嫦娥五号 再入返回飞行器的VLBI 数据研究了相位连接的两种方法。第一种方法是先利用 两个频点的差分相位和单频点相位的变化趋势一致的思想来大致连接单频点相 位，然后通过两个观测弧段(scan)相位的多项式拟合以及基线相位闭合的方法微 调每个scan 的模糊度，最终实现每个scan 相位的无模糊度连接。第二种方法也 是先利用差分相位大致连接两个频点的相位，然后利用两个频点的差分相时延应 连续变化的特征来微调每个频点相位的模糊度，最终实现每个scan 相位的无模 糊度连接。 在上述的研究中，主要有如下几个方面创新点。首次发现利用同源信标解算 差分相时延要优于异源信标解算结果，首次发现由于月球热辐射对绕月卫星的信 噪比有周期性的影响，首次发现由于电磁波在卫星表面反射造成VLBI 群时延数 百皮秒量级抖动并给出避免反射波返回地球的卫星外形结构，首次提出利用窄带 信号解算相时延，首次提出利用差分相时延连接VLBI 相关相位的方法。
语种	中文
学科主题	射电天文学
内容类型	学位论文
源URL	[http://119.78.226.72/handle/331011/29833]
专题	上海天文台_中国科学院上海天文台学位论文
作者单位	中国科学院上海天文台
推荐引用方式 GB/T 7714	贺庆宝. SELENE及嫦娥三号VLBI观测数据的分析及应用[D]. 上海. 中国科学院研究生院. 2017.

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