一种用于同步静止卫星监测的微型VLBI网

张志斌，王维，杨鹏,2，KALIUZHNYI Mylolay，米立功，李光辉，李鹏，唐正宏，崔朗，黄勇，王广利,2

1. 中国科学院上海天文台，上海 200030 2. 中国科学院大学，北京 100049 3. 尼古拉耶夫天文台，尼古拉耶夫 54030 4. 黔南民族师范学院，都匀 558000 5. 中国科学院新疆天文台，乌鲁木齐 830011

地球静止轨道(geostationary orbit, GEO)卫星绕地公转周期与地球自转周期相符，且轨道离心率和轨道倾角均为0，在通信、广播、侦查、勘测、气象以及中继等方面扮演着重要角色。当前地球静止轨道带的空间资源已相当稀缺[1]，可行的解决方案是提高GEO卫星的测定轨精度，从而使地球轨道带可容纳更多的GEO卫星。然而GEO卫星因受日月引力、太阳光压、地球引力与离心力间轻微偏差等因素扰动，会产生复杂位置漂移并偏离其平衡点，进而可能导致目标丢失，相邻卫星间产生无线电频率干扰以及引发潜在碰撞风险，因此，极有必要开展GEO卫星的动态实时监测。

当前GEO卫星的监测手段主要包括光学观测和主被动射电观测。在光学观测方面，卫星激光测距精度为厘米级[2]；传统地基光学，如GEO卫星天文定位工程利用0.33 m和2 m口径的望远镜获得了小于百米的定轨精度[3]；加拿大团组利用0.36 m的光学传感器，实现了对全球卫星定位系统(GPS)卫星1 as的测角精度[4]；也有在视宁度较好的条件下，利用2 m大口径光学望远镜将GEO卫星测角精度提高到了0.3～0.5 as范围内[5]；上海天文台利用漂移扫描的方法，获得了0.2 as的GEO卫星观测精度[6]。在射电观测方面，因射电频段与口径之比要远大于光学，其测角分辨率相对较差。射电观测中的主动手段，如双程雷达对GEO卫星的测距精度为15 m[7]；作为常规的GEO卫星跟踪技术，统一S频段测距(USB)利用3～5 m精度的测距数据可获得百米级的轨道测定精度[8]；中国区域定位系统则利用星上转发器实现了地面站到卫星的距离测量，其测距精度与其对GEO卫星的定位精度分别为几厘米和十几米[9]；国家授时中心的卫星授时和测距系统可获得约1 m的GEO卫星定轨精度[10]；欧洲卫星协会的传输流信号数字高级测距(DARTS)利用两套测距接收机分别发送和接收GEO卫星转发信号来确定测距回路耗，其测距精度为5 cm[11]。射电观测中的被动手段，如中国VLBI网曾用于北斗GEO卫星的标校，采用2.2 GHz的信标及3 250 km的最长基线，获得了10 m的定位精度[12]；中国首套VLBI全球观测系统(VGOS)测角网观测GEO卫星所得时延测量精度约10 ps[13]；另外，利用连线相位干涉方法测定GEO卫星位置的仿真结果表明，两条10 km正交的短基线，可实现100 m的卫星定轨精度[14]；近年来，尼古拉耶夫天文台的研究人员利用分布于乌克兰本土的4座小型被动式相关测距台站，实现了对GEO卫星Eutelsat 13B数千米级的定位精度[15-16]。上述各射电技术中，光学手段因受白昼及天气影响，导致其监测GEO卫星的时段有限，故多用于定轨标校。若要实现GEO卫星的持续监测，射电方法是必要手段。其中，主动设备对发射功率能力具有一定要求。作为一种被动相关测时技术，VLBI在GEO卫星观测及深空探测中扮有重要作用[17-18]，然而传统大型VLBI天线用于GEO卫星的专用观测时段极为有限，并不能做到持续监测，传统VLBI设备单站造价均在千万元以上，不可移动，且需专业团队维护。

近年来，针对上述问题，中国学者也在研制全天时、全天候、低造价、小型化、快部署、被动式、专用型的GEO卫星射电监测系统，并于近期成功研制出一种满足上述特点的微型VLBI观测系统。由于国际VLBI领域常将十几米口径天线称为“小天线”，故此处将1 m口径天线称为“微型天线”，并将微型VLBI观测系统组成的测网称为微型VLBI观测网(MVN)。本文将介绍MVN的系统组成、性能、试观测结果和相关技术。

1 MVN主要技术及性能

1.1 MVN的系统和结构

MVN系统基于VLBI基本原理，按GEO卫星信号的接收处理顺序，依次可分为数据接收存储、数据相关处理和对GEO卫星开展定位及定轨三部分，如图1所示，其中MVN测站用于接收存储GEO卫星转发的信号，RCO计算机用于开展数据相关处理和对GEO卫星开展定位和定轨。具体为GEO卫星转发信号由各远端测站采集并推送至RCO计算机中，RCO计算机对各站观测信号开展归档及相关处理，从而获取各站间基线时延，这些时延是用以对GEO卫星开展定位和定轨的输入量。

图1 MVN系统组成Fig. 1 System components of MVN

1.2 站网组成

MVN于2019年6月建成，当前包括3座测站：上海站(Sh)、南山站(Ur)以及都匀站(Du)。3条基线Ur-Sh、Ur-Du和Sh-Du长度分别为3 247 km、2 629 km和1 431 km。除上海站拥有2套天线及终端系统用以本地调试及技术研发外，其余两站各有1套天线面板及MVN终端接收设备。

1.3 MVN单站接收系统

MVN单站系统组成与信号传输流程分别如图2和图3所示，具体如下：GEO卫星信号由天线面板反射至馈源，再经电缆传输至计算机中预装的DVB-S模块，由DVB-S模块解码出卫星调制信息中的In、Qu信号，并注入数字示波器的内存中，同时示波器每秒通过USB端口向计算机中输入一次In、Qu信号，示波器释放信号的时刻由输入示波器的秒脉冲(PPS)信号控制，触发延迟时间约100 ms；另一方面，全球导航卫星系统(GNSS)授时模块向计算机中同时注入天宝标准接口协议(TSIP)数据包，除授时信息外，每个TSIP数据包中还包括GNSS授时天线坐标、GNSS卫星数目等。一旦计算机接收到该数据包，计算机将从示波器内存中读取In、Qu信号，从而实现对In、Qu信号的时间标记。当前各站点采用统一配置，具体为：数据记录采样率为51.2 MHz，频次配置为1 s。VLBI是一项测时技术，GNSS授时模块的授时精度，一定程度上影响着系统精度，经测试，单站GNSS秒脉冲(PPS)授时精度与采样率相当，为10～20 ns。

图2 MVN单站组成Fig.2 Constitution of the single station of MVN

图3 MVN单站信号传输流程Fig.3 Signal transmission flow chart of the single station of MVN

1.4 相关处理流程

在MVN系统设计时，充分利用了GEO电视卫星信号的调制特点，采用了历元间信号相位差分存储策略，如下式所示，这不仅避免额外的大气时延介质修正，同时减少了单站的数据存储量：

(1)

式中：Si为单站记录数据；Ii和Qi分别为第i时刻所解码的In和Qu信号；φi和Ai分别为第i时刻的信号相位与幅度。

为了进一步压缩测站数据量，MVN中针对GEO卫星采取了定制设计，即每秒中用200 μs采集一次数据，相较传统VLBI，每小时数据量仅为30 M字节，可通过互联网实时或定时将各测站数据汇集到RCO计算机中开展数据相关处理。此处对相关原理作简要说明，互相关谱的傅里叶逆变换如下：

(2)

式中：X(f)为一路信号的傅里叶变换谱；Y*(f)为另一路信号经共轭变换后的傅里叶变换谱。选取cxy(τ)最大峰值处所对应的时延即为相关处理所求残余时延。利用式(2)可找出相关峰值的位置(粗位置)，但该位置精度受限于采样点数，对互相关谱进一步开展了希尔伯特变换，基于峰值粗位置，利用信号互相关谱希尔伯特变换的逆变换特性，对希尔伯特变换谱的零点交叉位置开展精搜索，从而通过内插获得残余时延的精确相关值。除残余时延外，总时延中还包括几何时延(星站间几何位置所计算的时延)、设备间相对延迟以及测站间残余大气延迟等，最后以总时延作为后续定位和定轨的输入量。

利用MVN时延对GEO目标开展定位和定轨的原理：根据测站与GEO目标之间的几何关系，构建理论时延，然后通过代入观测时延，得到拟前残差(闭合差)序列，从而对GEO目标位置或轨道信息参数化，进一步得到GEO的位置、速度或根数，以及时延的拟后残差[12]。

2 测网观测能力分析

2.1 本地系统差校正

基于GEO目标相对测站“静止”的特点，MVN各站舍去了GEO卫星自动跟踪功能以及相位校准功能，这将引入系统误差。通过电缆换接法与开关机测试法来标定各站间的系统差。本地标定系统误差后，再将设备部署到各远端站。具体如下：针对并置站多套接收终端采用不同组合方式换接电缆，从而获得多组时延值，通过构造多个误差方程，通过平差便可标定设备(测站)间的相对延迟，这些相对延迟包括并置站间几何时延、电缆间相对延迟以及示波器采样相对延迟，从而克服了系统无法开展相位校正和射电源修正的缺陷。

此外，通过开关机测试表明，接收设备各部分间的相对时延并不会随测站采集计算机的开关机而变化，这是本地测站可远程部署的前提，以上测试也表明了系统误差标定的可靠性。不仅如此，测站异地部署后，MVN还利用了光学测角信息来标定各基线的系统差。

2.2 单站接收系统精度

通过开展本地测试表明，单基线所测定的时延精度约25 ns ，这与各接收终端所用 GNSS 授时模块精度的推算结果一致。这里采用闭合时延来评估扣除系统差后的单站观测精度，闭合时延Δ计算公式如下，该值独立于系统误差。

Δ=τAB+τBC+τCA

(3)

式中：τAB，τBC和τCA表示3条基线相关处理后的实测时延序列。如图4所示，其中各子图横坐标0时刻均为2018年11月5日00:00:00(协调世界时)，在开展多站台的本地并置测试时，A、B、C三个终端接收信号时，因终端C的授时模块对温度变化较敏感，使得基线AC、BC的时延序列均在100～110 h处出现浮动，但这些影响并不会体现在闭合时延中，由图4可知，闭合时延精度为4.6 ns。由于3个终端均采用相同的硬件配置，可推出扣除系统差后的单站观测精度为2.6 ns。

从图4中也可看出，GNSS授时设备尽管型号相同，但温敏特性却不同，因此并不能建立统一的温度时延改正模型来修正时延序列。对此，通过充分研究时延的温度特性后，对各站GNSS授时模块采取了温控措施，最终获得了总体平稳的时延序列。

图4 本地测试中各基线时延随温度 变化特性及闭合时延Fig. 4 Characteristics of baseline delay variations with temperature in local testing

2.3 MVN的观测结果

本文利用MVN各日观测时延对亚太6C卫星定轨，所用策略如下：分析过程采用的天文常数、参考系、力学模型和测量模型参照(2010)IERS规范[19]。力学模型包括：日月引力摄动；固体潮摄动；海潮摄动；地球形状摄动(JGM2地球引力场模型，截取到10阶次)，同时考虑日、月、太阳系行星的第三体摄动，不考虑大气阻力；太阳光压摄动，固定光压参数为1.24；广义相对论；地球自转形变摄动；经验加速度。测量模型包括：Saastamoinen-NMF大气折射模型、固体潮引起的台站位移、永久潮汐项对台站的影响、海潮负荷潮对台站的影响、地球自转形变对台站的影响。定轨计算中涉及到的参考系包括：J2000.0平赤道(X-Y平面)和平春分点(X轴方向)、IAU76岁差、IAU1980章动模型(加上IERS章动改正)、DE403/LE403行星历表、地球参考架ITRF2000。

为监测MVN的测量精度和性能，采用了2019年6月18日至6月25日为期1周针对亚太6C 卫星的3站连续观测数据，并对时延数据开展了分段平滑，平滑窗口为1 min，通过1周观测，MVN共获得32 448条1 min分辨率的时延，以此对亚太6C定轨及评估MVN观测能力。

为进一步标定系统差，利用了上海天文台丽江观测站6月20日及6月21日针对亚太6C地球静止卫星的177组光学测角数据，来评估MVN 对GEO卫星测定轨的外符精度。各基线所标定的系统差如表1所示。MVN中各站以GNSS天线位置为站点坐标初值，但因条件所限，GNSS天线位置与天线面板相距甚远，这是引起较大系统差的主要原因。Ur站GNSS天线固定于观测室外墙一侧，所测GNSS卫星数目较少，导致该站部分观测弧段授时精度较差，进而也会引起系统差，此外Ur站距离目标较远(不同于Sh、Du的54 dBW，卫星在该处辐射功率为46 dBW)，与Ur相关基线的时延观测精度相对要差2～3 ns。由于MVN具备良好的几何构型，时延观测精度相较本地测试提高了4～5倍。

表1 MVN各基线精度统计

亚太6C卫星的轨道内符精度通过利用各天时延定轨所推算的位置和速度的重叠弧段来评定。观测时延按天共分为8个弧段，其中前7个弧段用24 h观测数据定轨，然后预报12 h目标位置信息。亚太6C卫星初轨由其初始位置(134°E)解得，轨道信息则通过每日时延求解并逐日更新。表2为MVN观测GEO卫星轨道内外符精度统计，其中“平均”表示对8个观测弧段内的每日定轨残差中误差取平均，“最大”表示所有观测弧段中出现的最大残差值；“R、T、N”分别表示径向、切向和法向分量；轨道的外符精度则利用上述光学测角数据来确定。在亚太6C GEO卫星的位置分量误差中，N方向上最小。由于地球静止轨道的动力学约束，R方向分量误差要小于T方向分量误差。由1周观测数据来看，MVN测量GEO卫星坐标和速度的最大误差与平均误差均相近，位置的内外符精度分别为105 m和373 m，速度的内外符精度分别为0.6 cm/s和3.4 cm/s。

表2 MVN观测GEO卫星轨道内外符精度统计

3 结束语

当前MVN对地球静止卫星的定轨能力为百米级(内外符分别约100 m和400 m)。相较传统VLBI，MVN具有全天时、全天候、低造价、小型化、快部署、被动式、专用型等优势，这对GEO目标监测以及完善光学手段监测具有重要意义。

MVN单站设备成本价格可控制在数万元内，相比主动式发射站及传统VLBI单站千万级的修建耗资，MVN整套系统硬件价格可谓微不足道。

为适应今后GEO卫星的高精度监测，MVN会开展必要的功能扩展，改造方向包括：增加测站提高覆盖度与可靠性；扩展所能兼容的频段与信标类别；提高授时精度至2 ns；加入转盘等指向装置，将天线改造为赤道式或全天式，便于快速切换观测目标等。通过这些精细化手段，有望将GEO定轨精度提高到几十米内，这将对GEO目标的常规监测发挥重要作用。

致 谢：感谢上海天文台光学天文研究室毛银盾和罗浩在光学测角数据与数据远程传输方面所提供的帮助；感谢尼古拉耶夫天文台Oleksandr Shulga教授在授时系统温控方面所给建议。