作者：董光亮,耿虎军,李国民,石磊,魏贺佳
出版社：清华大学出版社
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中国深空网:系统设计与关键技术(下)深空干涉测量系统试读：
前言
深空网是人类与深空探测器联系的桥梁与纽带。深空网拥有深空测控通信能力，是开展月球探测必须具备的前提条件，也是探月工程最具挑战性的任务之一。探月工程启动后，我国的测控工程师们以探月工程为牵引，兼顾火星、小行星等深空探测任务的需求，描绘出中国深空网的蓝图——在布局上，由分布在中国东部、西部以及南美洲的3个深空站提供全球90%以上的测控覆盖；在频段上，兼容了目前国际上深空测控任务使用的所有频段；在天线口径上，按照4亿千米火星探测的基本要求设计。
佳木斯66m S/X双频段深空测控通信系统（DSF1）和喀什35m S/X/Ka三频段深空测控通信系统（DSF2）的设计建设正是在这一蓝图下进行的。经过5年的研制建设，这两套深空测控通信系统均于2013年正式投入使用。它们的建成，极大地提升了中国远距离测控通信能力，成为中国航天测控发展史上又一个重要的里程碑。
这两套深空测控通信系统基于国内自主研发，成功实现了波束波导馈电系统、10kW速调管功放、超低温制冷场放、微弱信号超窄带接收机、氢钟建造及干涉测量等技术。按照空间数据系统咨询委员会（CCSDS）建议书中的深空测控任务标准，这两套系统已经具有音码测距、伪码测距、载波相位测量、三向测量等功能，采用空间链路扩展（SLE）协议，可以和符合CCSDS建议的其他国外深空测控站实现深空测控任务的国际联测和数据交互。
2012年，两套深空测控通信系统在嫦娥二号与图塔蒂斯小行星交会飞越探测中获得成功应用，并于2013年作为主力测控通信设备圆满完成了嫦娥三号探月飞行任务。这标志着中国深空测控通信能力的形成，使中国成为国际上第四个具有独立完成深空测控任务能力的国家。
北京跟踪与通信技术研究所是这两套深空测控通信系统的总体设计单位，西南电子技术研究所是66m S/X双频段深空测控通信系统的总体研制单位，石家庄通信测控技术研究所是35m S/X/Ka三频段深空测控通信系统和深空干涉测量系统的总体研制单位，西北电子设备研究所、中原电子技术研究所、北京遥测技术研究所、中国西安卫星测控中心、中国人民解放军装备学院、合肥低温电子研究所等单位承担了这两套系统有关分系统的研制工作。在此，对他们为中国航天测控事业作出的努力和贡献表示衷心的感谢！
中国深空网及其深空测控通信系统的研制，为设计师队伍提供了极富挑战的创新实践平台。他们积极进取，勇于探索，采用大量电子与信息技术领域的尖端技术，攻克多项关键难题，取得了许多宝贵经验和技术成果，成为航天测控领域一笔宝贵的财富。把这些来之不易的技术成果固化下来，是编写本套图书的主要目的。
本套图书由三个分册组成，分别是《S/X双频段深空测控通信系统》《S/X/Ka三频段深空测控通信系统》和《深空干涉测量系统》，对应着佳木斯66m深空测控通信系统、喀什35m深空测控通信系统以及由这两套深空系统与数据处理中心组成的甚长基线干涉测量（VLBI）系统。书中对上述设备系统级和分系统级的功能与技术指标、组成及工作原理、方案设计、关键技术等进行了系统详尽的描述，希望为我国深空测控通信系统的使用者提供详尽系统的技术资料，为我国后续深空测控通信系统的设计提供有益的参考和借鉴，也希望能为对深空测控通信感兴趣的同行们提供有用的技术资讯。
本套图书的编写人员均为中国深空网的设计和研制人员。他们在承担繁重工程任务的同时，挤出时间从事写作工作，对深空测控通信系统涉及的技术进行了细致的归纳梳理和认真的分析总结。由于我们写作水平有限，书中难免有疏漏和不当之处，恳请读者批评指正。《中国深空网：系统设计与关键技术》编审委员会2016年5月第1章系统1.1 概述
甚长基线干涉测量（VLBI）是当前天文学使用的一项高分辨率、高测量精度的观测技术，在天体物理方面主要应用于类星体、射电星系、星际脉泽源等致密射电源毫角秒级的精细结构研究和精确定位等。在天体和大地测量中，它在建立天球参考系、测定地球自转全部参数和地面参考系的基准点等方面具有不可取代的作用。
由于VLBI技术具有很高的测角精度，所以自20世纪60年代起，也逐步应用于深空探测。20世纪60—70年代美国阿波罗登月计划中对于月球车运动路线的测量和80年代美国和苏联分别实施的金星大气风速测量中，均使用了VLBI技术，其测量精度分别达到了数米和几十厘米每秒。深空干涉测量系统是基于VLBI技术发展起来的，工程上称为单向时延差（DOR）测量和单向多普勒频差（DOD）测量。20世纪70年代，为消除DOR、DOD测量过程中的站间时间同步、站址、电离层、对流层等公共误差，采用了分时工作、顺序观测或者同时观测深空航天器和射电星再对应做差的方法，其测量元素为差分单向距离差和差分单向距离变化率，所以又称之为双差分单向时延差（ΔDOR）和双差分单向多普勒频差（ΔDOD）测量技术。它实质上对应的是航天器和射电星之间的相对位置或相对位置变化率。利用同样的原理，如果两个以上的深空目标同时位于深空测控站的同一波束内，则可以测量同一波束内深空航天器间的相对位置，工程上称为同波束干涉测量（SBI）。
深空干涉测量系统具有DOR/DOD测量、ΔDOR/ΔDOD测量和SBI的能力，具有航天器信号、射电星信号数字基带转换能力，具有S/X双频段DOR/DOD干涉测量的能力，具有S/X双频段ΔDOR/ΔDOD干涉测量的能力，具有S/X双频段SBI的能力。1.1.1 基本原理
干涉测量就是利用两座相距很远（数千千米）的观测站同时接收来自同一源的信号，测量其到达两站的DOR或DOD，从而获得目标到两个站基线的夹角，如图1-1所示。
两个地面站的天线指向同一个深空目标，如射电星或航天器。由于目标距离遥远，到达两个地面站的信号是互相平行的。信号经过天线接收、低噪声放大并下变频至中频，由采集与格式化记录系统对信号进行A/D采样，经过格式化处理记录在磁盘上。在观测完毕后，将数据送到数据处理中心，经过回放和互相关处理，得到时延差和时延差变化率。如果通信链路容许，也可以通过网络等手段，将数据实时传送至数据处理中心。
利用VLBI技术，可获得高精度的航天器空间角度信息。用两副以上的天线交替接收航天器信号和射电星信号，将所接收的信号经相关处理和参数解算后，可获得观测时刻航天器的位置、速度以及与基线之间的夹角（见图1-1中的θ），由此通过定轨解算便可精确地测定出航天器的轨道。很明显，干涉测量技术有常规技术无法比拟的优势，特别是在目标角度信息的获取上，可以弥补传统测距测速技术的不足。因此，干涉测量技术和传统测距测速技术的联合定轨精度也就远高于常规定轨技术。图1-1 干涉测量的工作原理1.1.2 技术特点
与常规测控和深空测控相比，深空干涉测量具备以下技术特点。
1）接收信号微弱。深空干涉测量系统的观测对象是射电星和深空航天器。在S频段和X频段，用于深空探测的射电星流量密度一般小于1Jy。为解决微弱信号的接收问题，国际上普遍采用大口径天线，如美国国家航空航天局（NASA）以70m和35m口径天线为主，欧洲空间局（ESA）采用了35m口径天线，我国喀什深空站天线口径为35m，佳木斯深空站口径为66m。即使采用了大口径天线，深空站接收信号的载噪比也普遍低于-20dBHz。
2）积分时间长。正因为接收信号微弱，为提高处理增益，深空干涉测量系统一般采用长积分时间的处理方法，典型的积分处理时间为5min。长积分时间对深空站时钟频率稳定度、准确度提出了比以往测控设备更高的要求。
3）处理带宽宽。测量精度与处理带宽成正比，处理带宽越宽，测量精度越高。为获得纳秒级的测量精度，我国深空干涉测量系统的处理带宽设计为100MHz。
4）处理算法复杂。深空干涉测量系统的高精度是基于时延补偿算法、相位补偿算法以及各类误差源的准确估计和修正实现的，处理算法较以往测控设备更复杂。
5）可获得更高的测量精度。在佳木斯—喀什基线，干涉测量系统DOD测量模式下，模型修正后精度优于1mm/s；DOR测量模式下，模型修正后精度优于90cm；ΔDOD测量模式下，精度优于0.5mm/s；ΔDOR测量模式下，精度优于15cm；SBI模式下，精度优于3cm。1.1.3 关键技术
基于深空干涉测量的技术特点，结合设备研制实现，提出并解决了以下关键技术。（1）波束波导大口径天线技术
大口径天线是深空干涉测量系统实现的基础。我国深空站采用了波束波导大口径天线技术。波束波导大口径天线研制的关键技术包括波束波导设计技术、波束波导馈电系统波束倾斜补偿技术、高精度位置编码技术、大口径天线副面调整技术、大口径天线标校测试技术、阵风扰动对天线影响补偿技术、波束波导镜面位置的调整方法、天线反射体面精度测量及调整技术、波束波导天线三轴中心位置的确定及测量方法等。具体见《S/X双频段深空测控通信系统》分册和《S/X/Ka三频段深空测控通信系统》分册。（2）低相噪本振和低温接收机技术
1）超低相位噪声技术。频率综合器是测控系统中的核心部件，它的相位噪声和杂散性能直接影响到接收机的动态范围、接收门限等指标。频率综合器的基本任务主要有两条：一是能够产生所需的频率值；二是所产生的频率必须“纯净”，即杂散信号要小、相位噪声要低。深空干涉测量对本振的1～10Hz频率之间相位噪声提出了较高的要求。
2）低温接收组件设计与实现。深空干涉测量为追求接收系统G/T值最优，一方面是增加接收天线的有效接收面积，另一方面是降低接收机的噪声。通过制冷降低低噪声放大器的工作温度以获得极低的噪声。这是国内测控领域首次采用超低温接收机。
3）超导滤波技术。为了进一步提高系统的G/T值，除了采用低温接收机降低系统噪温，还要降低接收链路中各部件的插损。其中超导滤波器的设计需要解决功率承载设计技术，超导滤波器及组件的各次谐波抑制技术，高性能超导滤波器、陷波器的研制及集成技术，超导滤波器、陷波器及组件的可靠性、稳定性的保障技术等关键技术。（3）高稳定性原子钟
1）高稳定性主动型氢钟。高稳定性氢钟是干涉测量的基础。干涉测量过程中对射电星标校完成后，转入对目标的跟踪，此时，时钟的稳定性将影响测量误差。
2）屏蔽钟房的建设。原子钟正常工作及高性能指标的发挥与钟房的环境条件有十分密切的关系。原子钟房的温度建议保持在22℃(1)左右，波动小于0.5℃。钟房内，磁场强度应小于0.5Gs，波动应小于0.05Gs，因此需要对钟房采用电磁屏蔽措施。钟房为全钢、六面体结构。原子钟房不设窗户，大门为金属密封门。钟房主体须有良好、可靠的接地系统，其接地电阻≤1Ω。（4）基带转换与记录
1）基于信道化接收的宽带全频谱数字基带转换方法。终端的信号带宽宽（100MHz），同时要求可任意选取其中的16个子通道下变频至基带。这其中包括了多速率信号处理、多相信道化滤波器组、高效数字滤波器、实信号输出方法以及子带生成算法等多项关键技术。
2）数字自动增益控制（AGC）设计。根据增益控制量的不同，AGC环路可分为线性AGC环路和对数AGC环路。由于线性AGC环路的时常数随输入信号幅值的变化而变化，为了避免这一问题，通常采用对数AGC环路。
3）VLBI接口标准（VSI）和VLBI科学接收机（VSR）数据格式编辑及高速缓存技术。根据设计要求，系统有VSI和VSR两种工作模式，各具有不同的数据格式。这两种格式在帧结构、内容和实现方面有很大不同，并且对于同一种格式，由于通道数目、各通道量化位数以及记录速率的不同，数据格式编辑模块的逻辑结构也不同，因此数据格式编辑模块的工作模式就有很多种。（5）相关处理及后处理
1）软件相关处理技术。深空测控干涉测量系统中心处理设备的功能是收集各站采集的数据进行处理，从数据中得到每条基线的时延差、时延差变化率、条纹相位以及相关幅度，是干涉测量处理的核心，需要强大的计算能力。目前相关处理技术有硬件相关处理机和软件相关处理机两大类。硬件相关处理机的优势在于直接由硬件来完成相关处理，速度比较快；软件相关处理机的优势在于它有良好的可扩展性、可升级性，良好的兼容性以及可快速开发性。随着通用计算机平台运算能力的不断增强，软件相关处理机的优势更加明显。本系统采用基于高性能集群运算方式的纯软件相关处理机，实现对射电星、航天器目标的VSI、VSR数据格式下的干涉测量数据实时处理（4台站、每台站128Mb/s）和事后高精度处理。
2）大气参数实时修正技术。深空干涉测量系统通过测量目标信号到两个观测站的时延差，得到目标的高精度角度。时延差的测量精度在纳秒量级。影响测量误差的主要因素有航天器热噪声误差、站址误差、设备通道时延漂移误差、天线相位中心变化、校准信号稳定性误差、数据时标误差、站间时间同步误差、对流层延迟误差、电离层延迟误差、地球定向参数误差等。其中对流层延迟误差以及电离层延迟误差可以通过温度、湿度、大气压力以及GPS测量数据进行事后修正，这种修正方式对于观测射电星来说是没有问题的。而航天器需要实时测定轨，也就是需要干涉测量系统提供实时高精度测量结果，因此要求对上述误差进行实时修正。
3）载波辅助本地相关处理技术。航天器DOR侧音信号是NASA、ESA和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）等机构共同推荐用于深空航天器精确导航时星载的标准发射信号，在空间数据系统咨询委员会（CCSDS）标准中对其进行了严格定义。因此，航天器DOR侧音信号是未来开展深空航天器干涉测量国际联测必然要处理的信号。在我国嫦娥二号工程中开展的ΔDOR观测中也利用该信号进行了处理试验。当前，作为DOR侧音的信号形式有两种：专门的DOR侧音信号和副载波的偶次谐波。当采用一定的调制度时，接收0端各个通道（载波通道和谐波通道）接收信号的C/N相差较大，尤其0是副载波的高阶谐波C/N较小，无法获取足够的信噪比（SNR）进行载波跟踪，这种情况下就必须利用各个通道载波的先验关系，利用C/00N较大的载波通道辅助C/N较小的谐波通道进行相关处理，可提高系统的稳健性和测量精度。
4）优化算法提高系统数据处理的实时性。本系统采用了基于地心模型的单站时延补偿和相位补偿的处理方式完成射电星信号的相关处理，并采用时间与通道并行的处理方式，克服传统基线补偿与处理模式下观测站数据存在的重复分发、重复计算等不足，降低了计算量和复杂性，提高了系统实时性。对于航天器信号相关处理，则采用基于站心模型的单站时延补偿和相位补偿的处理方式，对于抑制载波信号则利用传统相关处理方式，对于残留载波或DOR侧音信号则采用基于载波辅助的本地相关处理方式。1.2 系统技术指标1.2.1 接收频段
S频段：2.2～2.3GHz；
X频段：8.4～8.5GHz。1.2.2 中频接口
中频接口：320MHz。
中频带宽：S频段≥100MHz；
X频段≥100MHz。1.2.3 相关处理能力
能同时进行4个观测站、6条基线基带数据的相关处理。1.2.4 测量精度
干涉测量系统的测量精度要求如下：
1）DOD测量模式，模型修正后精度优于1mm/s；
2）DOR测量模式，模型修正后精度优于90cm；
3）ΔDOD测量模式，精度优于0.5mm/s；
4）ΔDOR测量模式，精度优于15cm；
5）SBI模式，精度优于3cm。
上述精度条件是佳木斯—喀什基线对航天器进行X频段的干涉测量，航天器信号扩展带宽为40MHz。1.3 系统组成及工作原理1.3.1 系统组成
我国深空干涉测量系统的组成如图1-2所示。该系统包括任务中心、运管中心、北京和西安干涉测量系统数据处理中心、4个深空站等（目前已经研制完成的是佳木斯66m深空站和喀什35m深空站，正在研制的是南美35m深空站和纳米比亚18m深空站）。图1-2 深空干涉测量系统的组成
任务中心负责深空站观测任务的规划和下发，运管中心负责深空站设备参数的下发。中心数据处理分系统主要由高性能集群运算计算机组成，运行中心数据处理软件。中心数据处理软件包括数据接收及预处理功能模块、相关处理功能模块、综合处理模块和监控模块，主要完成数据的接收、存储、预处理、数据分发以及DOR/DOD、ΔDOR/ΔDOD、SBI的相关解算。同时北京中心还负责深空干涉测量的观测纲要的编写。
深空站主要包括天伺馈分系统、时频分系统、干涉测量射频信道分系统、数据采集与记录分系统、延迟校准分系统、站内监控分系统和大气参数测量分系统。
天伺馈分系统主要由天馈子系统、天线控制子系统和天线机械结构子系统组成。目前投入运行的喀什35m口径天线和佳木斯66m口径天线均采用波束波导（BWG）的设计方案。天馈子系统主要完成对来自空间目标的微弱信号的收集。它由天线主副反射面、波束波导、馈源辐射器与双色平面反射器组合、馈电网络、单脉冲双通道跟踪网络（喀什站具备S/X/Ka三个频段、佳木斯站具备S/X二个频段）和其他微波功能组件组成。天线控制子系统主要完成对天线的各种操控，使天线指向目标，利用引导信息完成对目标的角度引导跟踪，利用跟踪误差信息完成对目标的角度自动跟踪。它由天线驱动单元、天线监控单元、天线轴角编码单元和天线控保单元等组成。天线机械结构子系统主要完成对天线反射面的支撑和天线的各种机械运动。它由天线反射体及其支撑机构、天线俯仰组合、天线方位组合、天线保护装置等组成。
时频分系统由高精度主动型氢钟、频率和时间信号产生器、实时测试与完好性检测设备、时频监控以及联试时频等五部分组成。时频分系统配备两台主动型氢钟和频率净化器（CLEAN），为其他分系统提供所需的高精度频率基准、时间信号和时标脉冲。
干涉测量射频信道分系统工作在S/X二个频段，由低温接收机、干涉测量下变频器、中频开关矩阵等组成。其功能是将S和X频段的射频信号下变频为中心频率320MHz的中频信号，选择后送数据采集与记录分系统。
数据采集与记录分系统主要完成中频信号调理、数据采集、频道选择以及基带转换和数据记录等功能，是后续相关处理的基础。目前分别配属于我国喀什和佳木斯深空站，每套干涉测量采集与记录分系统由3台完全相同的基带转换与记录设备组成，每台设备又包括数据采集基带转换单元和数据存储单元。3台设备中2台设备在线工作，另外一台设备用于备份。
延迟校准分系统由脉冲产生单元和地面单元组成。脉冲产生单元产生的延迟校准信号在低噪声放大器（LNA）前端馈入，用于校正通道时延不一致性。地面单元为脉冲产生单元提供100MHz/10MHz频标，并具有在线标定频标传输线时延的能力，实时测量频标传输线时延值。
大气参数测量分系统完成相关气象参数的测量，提供电离层和对流层大气时延修正值，分系统包括水汽微波辐射计、GPS双频接收机和气象仪等。水汽微波辐射计测量大气辐射亮度、温度，提供对流层湿项距离误差修正功能。气象仪测量温度、湿度和大气压，提供对流层干项距离误差修正功能。GPS双频接收机跟踪GPS载波信号，提供电离层距离折射误差修正功能。1.3.2 VLBI/ΔVLBI的工作原理
深空干涉测量的工作原理是由VLBI发展起来的，因此，这里首先简要介绍VLBI的相关知识。众所周知，太阳光中包含大量的紫外线辐射和红外线辐射，这些辐射大部分被地球的大气吸收了。但是，在1931年科学家非常意外地发现了一个探索宇宙的射电窗口。来自外层空间的星体发出一种非常稳定的射电噪声，无线电波可以穿透光波通不过的尘雾，因此可以通过无线电波研究外层空间的星体。射电干涉仪就是在此基础上发展起来的。
如图1-1所示，观测时，两个地面站指向同一个目标，基带转换与记录采集数据，经过格式化处理记录在磁盘上。在观测完毕后，将数据送到数据处理中心，经过回放、相关处理，得到时延和时延变化率。如果通信链路容许，也可以通过网络等手段，将数据实时传送至数据处理中心。
数据处理的目的是得到VLBI的测量值，包括：干涉条纹的相关幅度，射电星同一时刻辐射的电磁波到达基线两端的时间延迟差（即DOR），时间延迟差变化率（即DOD）。相关幅度提供有关射电星亮度分布的信息，时延和时延变化率提供有关基线（长度和方向）和射电星位置（赤经和赤纬）的信息。
在相关处理过程中，在有效的带宽范围内每隔较短时间就要对相关积分函数进行时延补偿和多普勒频移条纹旋转，使得能够通过相关相位条纹的斜率来估计时延量和剩余时延量。时延量反映目标相对观测位置，多普勒条纹旋转能够反映目标运动状态参数，如图1-3所示。图1-3 干涉测量的数据处理过程
在VLBI中，为了得到更高精度的时延测量值，通常采用带宽综合技术。时延测量精度与观测带宽有关，测量误差σ与观测带宽B成反比，观测带宽越宽，误差越小，精度越高。但是，因为记录速率的限制，观测带宽不可能无限地增大，从而导致时延观测的精度受限。为了解决这一问题，20世纪70年代提出在VLBI中运用带宽综合技术，其中心思想是通过一系列的窄带通道合成一个大的有效带宽。带宽综合技术将接收带宽在频域上划分为许多互相分得很开的通道，根据每个通道记录的信号来估计各通道的时延和时延变化率，然后通过最小二乘法拟合估计多通道时延，以此得到高精度的时延值。带宽综合技术突破了记录带宽对时延测量精度的限制，在相同的记录带宽下，能够获得更高的分辨率。
利用带宽综合技术可将对宽带信号的观测转化为对一系列窄带信号的观测，从而获得更高的测量分辨率。把它运用到VLBI中，可以进一步提高VLBI的分辨率。
如果只观测一个稳定的频率f（相应的波长为λ），则相关处理得到的结果τ还会有观测频率f的一个周期不确定性，即有：其中，c为光速，n为整数。若将上式用频率表示，则为：这就是通常所说的2π不确定性。如果同时观测多个频率，假定所观测的频率信号带宽均为B，则不确定性将在1/B的范围内。
不确定性问题可以采用非常巧妙的办法来解决，这就是所谓的频率切换技术，也称带宽综合技术。即除了可以观测一个带宽为B的频率窗口外，还可以顺序或同时观测其他的频率窗口。频率窗口可以这样设置：每个窗口都有一定的带宽，中心频率最低的窗口和中心频率最高的窗口跨越的带宽非常大，从每个窗口得到的数据可以作为不同观测进行处理，从而推算每个窗口的条纹相位。根据dφ/df=2πτ可知，各窗口观测得到的相位-频率曲线是一组平行的斜线，而所要找的时延值即是这组平行斜线的斜率。因此，如果在很宽的频率范围内对许多相位-频率曲线进行采样，就可以得到精确的时间差，即所要找到的时延差值，此时，时延差的误差为：maxmin其中，f-f为有效带宽，即窗口的最大频率间隔。1.3.3 DOR/DOD测量的工作原理
与射电星VLBI测量输出的同一波前时延差不同，航天器VLBI测量输出结果的物理含义是同一时刻两个观测站收到航天器信号的时延g差（图1-1中的τ）和时延差变化率。实际观测中，通常两个观测站首先对航天器附近的射电星跟踪测量进行系统时延差校准，再将天线对准航天器进行跟踪测量，这样可以有效地消除钟差、设备时延差等相对变化较慢的系统误差。1212
设f、f为航天器发射的两个单音信号频率，其频差为|f-f|，在T1AB1时刻观测站A、B收到的对应f信号的相位差记为（φ-φ），在同一2AB2时刻T观测站A、B收到的对应f信号的相位差记为（φ-φ），根据sc国际上对单向DOR的定义，单向DOR的时延差τ可以表示为：
由于工程上只能测量相位差的零头，因此单向DOR测量存在相sc，max1212位模糊，其中无模糊距离的大小为τ=c/|f-f|，可见频差|f-f|越12小，无模糊距离越大。单向DOR测量精度与频差|f-f|成反比，与相位差测量精度成正比；相位差测量精度取决于测量信号的信噪比和测12量设备本身，在相位差测量精度一定的情况下，频差|f-f|越大，测量精度越高。为解决解模糊和提高精度矛盾，航天器需要发射有一定跨度带宽DOR侧音。其中，单音信号／遥测副载波信号的频率、幅度、调制度等根据工程任务具体设计。sc
同样，观测时间内航天器时延观测量τ的变化率对应着两站间接收信号的多普勒差值，即DOD测量。
对航天器信号进行时延差测量时，有：式中，——同一时刻两观测站接收的航天器信号间时延差测量值；sc
τ——同一时刻两观测站接收的航天器信号时延差的真实值；time
τ——两个观测站的钟差；ch
τ——两个观测站的信道时延引起的测量误差；atm
τ——观测站与航天器视向路径上对流层和电离层引起的测量误差；sta
τ——观测站的站址误差。scsum可见，若要准确获得τ，需要获得τ。1.3.4 ΔDOR/ΔDOD测量的工作原理1.3.4.1 交替观测
地面观测站在短时间内对射电星和航天器进行交替观测，观测模式主要有射电星—航天器—射电星和航天器—射电星—航天器两种。在大多数情况下，ΔDOR和ΔDOD测量采用交替观测的方式。
对航天器的信号进行时延差测量时，如式（1-5）计算得到。在对航天器进行短时间观测后，将天线对准与角距临近的射电星，对射电星信号进行VLBI延迟差测量时，有：式中，——同一时刻两观测站接收的射电星信号的时延差测量值；g
τ——同一时刻两观测站接收的射电星信号时延差的理论值。
由于ΔDOR/ΔDOD交替观测的时间间隔较短，通常为几分钟，可timechatm认为τ、τ和τ误差量在短时间内的变化不大，将航天器观测前后的射电星观测结果内插至航天器观测时刻用于获取精确的标校系统量，将航天器DOR结果与射电星观测内插测量值作差后得到：即经过差分消除了两次观测中近似相等的公共误差，再经过运算就可以得到航天器与射电星的精确相对角位置。
因此，ΔDOR/ΔDOD测量的工作流程是，两个观测站先对准航天器附近的射电星，采集信号并记录，进行DOR/DOD处理得到射电星到两个观测站S和X频段的时延差和时延差变化率。再将观测站对准航天器，采集信号并记录，进行DOR/DOD处理得到航天器信号到两个观测站S和X频段的时延差和时延差变化率，分别减去前后射电星观测的内插测量结果，得到ΔDOR/ΔDOD测量结果。
与DOR/DOD测量的区别是，ΔDOR/ΔDOD测量的是射电星DOR和航天器DOR的差，最终获得的是航天器与射电星之间的夹角。而DOR/DOD测量获得的是航天器与基线之间的夹角。若将射电星观测时获取的残余系统差作为标校系统差，从航天器DOR观测结果中消除，从而提高航天器DOR/DOD的观测精度，也可视为航天器DOR/DOD观测的一种特例。1.3.4.2 同时观测
在少数情况下，若航天器与射电星角距较小，均在观测站天线的波束宽度范围内，可以进行ΔDOR/ΔDOD的同时观测。不足之处在于相关处理时两种信号会产生干扰，降低估计精度。对于相关处理器来说，输入为两观测站同时收到的S、X频段信号，处理结果为S、X频段的航天器与射电星的时延差和时延差变化率。1.3.5 SBI的工作原理
地面测控系统同时对位于天线同一波束内的两个航天器进行DOR和DOD测量，并分别做差的过程，就是SBI的实现过程，其差分结果中包含两个航天器的相对角位置和相对角位置变化率测量信息。
对航天器i的信号进行DOR测量时，有：式中，——航天器i信号的时延差测量值；i
τ——航天器i信号时延差的理论值；time
τ——两个观测站的钟差；ch
τ——两个观测站的信道时延差；atm
τ——观测站与航天器i视向路径上对流层和电离层引起的测量误差；sta
τ——观测站的站址误差。
由于两个航天器的角距很小，在同一天线波束内，两个航天器时timechatm延观测量中的τ、τ和τ是近似相等的，因此将两个测量值作差，有：即经过差分，近似完全消除了两航天器时延差观测值中的公共误差，再经过运算可以得到两个航天器的精确相对角位置。由上面分析可知，SBI相对于ΔDOR/ΔDOD观测，公共误差消除得更彻底，另外SBI观测对象为相位时延，其精度正比于DOR侧音的载波波长，远高于正比于最大横跨带宽对应波长的ΔDOR测量精度，因而观测精度较ΔDOR/ΔDOD更高。
SBI的工作流程是，当两个航天器同时在两个观测站的波束内时，两个观测站同时采集两个航天器的信号并记录，进行相关处理得到航天器1的S和X频段的时延差、时延差变化率，以及航天器2的S和X频段的时延差、时延差变化率。两组参数分别作差并处理，得到两个航天器的相对角位置和相对角位置变化率测量信息。两个航天器信号不同的多普勒频差保证了接收信号的分离，也可以人为设定两个航天器的信号频率以保证地面观测站接收到的信号频率能区别开，避免同频干扰。1.4 系统工作流程
在当前的深空测控系统中，深空干涉测量观测和其外测任务一样，是深空测控系统的工作模式之一，而这些系统的工作模式统一受任务中心规划和控制。
在常规测控时，任务中心将工作计划下发给各个深空站，各深空站接受任务后，站内设备按照规定的时间执行测控任务，并将外测数据和监控信息发送给任务中心。
执行实时深空干涉测量任务时，任务中心将编制的工作计划以及引导数据下发给运管中心和北京的中心数据处理分系统。运管中心再将计划下发给35m深空站、66m深空站和其他两个深空站。任务开始后，各深空站的气象数据、微波辐射计数据和GPS共视数据发送给运管中心；同时，各深空站干涉测量采集到的数据和基带转换数据通过专用网络送给北京的中心数据处理分系统，专用网络目前的带宽约为128Mb/s。北京的中心数据处理分系统根据深空干涉测量数据、气象数据和外测信息等，实时进行相关运算和修正，最终将测量获得的DOR和DOD送给数据处理中心进行定轨。
执行事后深空干涉测量任务时，任务中心将编制的工作计划以及引导数据下发给运管中心和北京或西安的中心数据处理分系统。运管中心再将计划下发给35m深空站、66m深空站和其他两个深空站。任务开始后，各深空站干涉测量采集到的数据和基带转换数据，以及气象数据、微波辐射计数据等，通过专用网络回放给北京或西安的中心数据处理分系统。中心数据处理分系统将所有的数据接收完成后再进行事后高精度处理，输出ΔDOR和ΔDOD给数据处理中心进行定轨。如果数据量较大，也可以将深空站存储数据的磁盘阵列送到中心的回放设备上，通过内部千兆网进行高速回放。1.4.1 深空干涉测量观测计划的编制1.4.1.1 射电星的选取
观测射电星的选取原则如下：
1）流量密度满足观测信噪比要求；
2）在天球上均匀分布；
3）射电结构致密。
信噪比SNR可按下式计算：c式中，S——射电星相关流量（Jy）；12
D，D——天线口径（m）；12
η，η——天线效率；s1s2
T，T——系统噪声温度（K）；
B——视频通道总带宽，即单通道带宽×通道数（Hz）；
T——积分时间（s）。c
按SNR≥7确定相关流量S的最小值，然后从致密射电源表中选取观测的射电星，再从上述符合要求的射电星中选取与航天器夹角最小的射电星作为跟踪目标。
本系统射电星的选取采取如下步骤：
1）按照表1-1生成射电星文件。射电星文件包括射电星的星号、星历以及S频段和X频段的流量密度。如果射电星的角径较大，或射电星的致密性较差，会导致无法出现干涉条纹。如仙后座，虽然其S频段和X频段的流量最大，但是其角径较大，干涉测量观测时没有条纹，因此，要在射电星表中剔除这样的射电星。
2）根据本次任务计算航天器的方位、俯仰值。
3）根据航天器的方位和俯仰值、射电星距离两个观测站的角距以及流量的加权，选取最适合的射电星。表1-1 射电星表1.4.1.2 观测频率的选取
观测频率的选取原则如下：
1）所选的观测频率必须在参加联测的各观测站的带通范围内，但不要太接近带通的边缘。
2）最小频率间距决定群时延测量的模糊度，例如当最小频率间距等于10MHz时，其群时延测量的模糊度为100ns，所以可以根据时延测量的精度来选定最小频率间距；最大频率间距决定群时延测量的分辨率，所以应尽可能利用各观测站的最大带通范围。
3）为了使时延分辨率函数的旁瓣尽可能低，各个通道的频率间距不要重复，可以按等比级数来选取频率，也可按其他无重复间距的方法。
4）根据航天器的轨道预报，选取能够覆盖航天器单音的子通道进行观测，即观测频率应尽可能接近航天器DOR音频率。1.4.1.3 Scan长度的选取
对某一个射电星的一次观测，称为一个“Scan”。为了达到足够的SNR，一个Scan的持续观测时间T一般为几百秒，T可按下式来估算：
SNR一般取7，按上述公式计算的为理想值，所以在计算结果的基础上还要加一定的余量。实际上，在一个观测计划中，选择两三档T值就可以了。T值不宜过大，一般不超过600s。虽然从理论上来说，增大T值可以增加SNR，但是由于氢钟的不稳定及大气波动的影响，T增大时会使相干性下降，即条纹幅度下降，使得SNR减小，抵消了数据量增加的好处。
对于ΔDOR观测，通常是射电星观测与航天器观测交替进行。考虑到射电星信号微弱以及电离层和对流层的时间相干性，一般要求交替观测周期不大于10min，每次观测时间典型值为6min，这样既达到了增加观测时间（积分时间）提高信噪比的目的，又满足了两目标差分消除电离层、对流层、站址、钟差等公共误差因素影响的要求。由于航天器信号的信噪比远高于射电星信号，一般情况下，航天器信号的积分时间小于射电星信号，通常为1s、2s或4s，默认值为1s。1.4.1.4 观测计划文件的生成
当选定了射电星、观测频率及Scan的T值后，即可以编制观测计划文件。深空干涉测量系统制定的观测计划文件采用XML格式。1.4.1.5 观测计划文件的传送
观测计划文件通常用电子邮件发送至各观测站，各观测站收到以后要认真检查，必要时可以试运行，如发现有与本观测站设备不匹配的问题，应及早与观测计划编制者联系。1.4.2 观测前的系统检测1.4.2.1 天线指向检测
深空站配备了标校子系统。标校子系统由标校计算机（含标校软件）、S/X频段低噪声放大器、S/X频段下变频器、辐射计、接口电路、记录仪组成。其工作原理如图1-4所示。图1-4 标校子系统工作原理
标校计算机是标校子系统的核心，配备有射电星位置计算、角误差数据处理等软件。工作时标校计算机实时引导天线控制单元（ACU）程序跟踪射电星，ACU在程序跟踪的基础上叠加偏置，找到信号最大点（电轴中心）后将带时标的角度数据再发给标校计算机，由标校计算机计算出该时刻射电星理论角度与天线实时角度之间的差值（ΔA、ΔE），经过长期观测获得大量有效数据后在标校计算机中用相应软件处理获得轴系误差修正参数。由于天线X频段波束宽度较窄，用于天线指向精度校准时较S频段精度更高，因此天线指向精度校准工作在X频段进行。实际应用时注意S、X电轴不平行问题。
标校子系统除完成角度标定及轴系误差修正外，还可完成X频段系统G/T值的测试。1.4.2.2 接收机本振频谱检测
利用自动测试分系统分别对S和X频段接收机的本振信号进行频谱检查，应满足技术指标要求，以保证信号的相干性。1.4.2.3 相位校准信号注入功率的检查
相位校准信号的参考信号是深空站的氢钟，本身又采用温度控制技术，输出的校准信号幅度和频率很稳定。在处理校准信号时可以进行长时间的积分，因此其输出的信号幅度可以比较低，一般每根离散0谱的C/N≤20dBHz。首先设置好基带转换与记录的观测频率，打开相0位校准信号，利用频谱仪测量相位校准信号单根离散谱的C/N，调整0相位校准信号输出衰减，使其C/N≤20dBHz。1.4.2.4 氢钟频率准确度的测量和时间同比
利用具有时间和频率比对功能的GPS定时接收机，可以很方便地测量氢钟的频偏。当只能使用没有时间和频率比对功能的GPS定时接收机进行校频时，可以用一个时间间隔计数器测量氢钟秒信号与GPS秒信号之差值，每隔一定时间（例如半小时左右）测量一次，则24h就可以获得几十个秒信号差值，其斜率即为频率之差值。氢钟准确度-12的偏差不宜过大，一般应当控制在2×10以内。在测量频差时，同时也获得了时间比对值，测量精度要求达到0.2μs以内，其时刻差不可太大，应调整至2μs以内。
深空站采用的是英国Time & Frequency Solutions公司生产的GPS共视（GPS CV）接收机。
GPS CV的基本原理是两个实验室的GPS接收机同时接收同一颗GPS卫星发送的信号，并将接收到的相位时间信号与本地钟的相位时间信号比对并记录数据，然后将两个实验室得到的同一时刻同一个卫星的数据相减，求出两站的钟差，从而消除卫星钟误差。在判断是否满足共视条件时，除同一颗卫星外，还必须同时满足以下条件：（1）跟踪长度是780s
国际GPS共视规范规定一次GPS跟踪长度为13min，因此我们要求跟踪长度必须是780s。此外加上2min的预置准备和1min的数据处理，全长为16min。（2）卫星仰角不小于15°
当GPS卫星仰角低于15°时，电离层时延误差难以精确消除。（3）接收时刻相同
两个实验室在同一时刻观测同一卫星，就可以完全消除卫星钟的误差，同时对于相距不大于3000km的两个接收机来说，它能降低由于共同的物理因素（如卫星位置误差和电离层干扰等）引起的不确定性。（4）计算步骤
1）对同一时刻，满足共视条件的两组数据相减，得到同一时刻不同卫星的共视结果（如果同一时刻有N对满足共视条件的观测结果，那么就有N个共视比对结果），然后，根据卫星的一致性对共视结果进行粗差判断和剔除；
2）对同一时刻，满足共视条件的两组数据进行平均（可以是算术平均，也可以是加权平均），得到共视结果的平均值；
3）对共视结果进行平滑消噪处理（如Vondrak平滑）；
4）对平滑结果进行插值，就可得到所需时刻的共视比对结果。1.4.3 DOR/DOD测量实施
DOR/DOD测量的实施按照下列步骤进行：
1）编写观测纲要。首先需获取航天器的轨道、频率以及任务的开始时间和结束时间。根据任务的开始和结束时间选取一颗适合观测的射电星；根据航天器的频率编写观测的频率、通道、量化位数和信号带宽。
2）下发观测纲要。观测纲要编写完成后，下发到各深空站。
3）深空站编写自动运行流程。深空站接收到观测纲要后，根据任务的起始时间，将设备加电预热。由于低温接收机从常温到低温工作制冷时间较长（大约2h），所以需要提前至少2h开机。正常情况下，S低温接收组件温度达到12K左右、X低温接收组件温度达到11K左右，即可开始工作。其他设备比如干涉测量信道、基带转换与记录设备、大气参数测量设备也同时开机。时频设备处于常加电状态，不能断电。
4）任务实施。任务开始后，各深空站根据自动运行流程的时间，统一观测射电星或航天器，同时，基带转换与记录设备采集记录信号。如果是实时任务，将采集的数据通过网络送中心数据处理分系统进行数据处理；如果是事后任务，则只记录数据。
5）实时观测或事后观测。中心数据处理分系统接收到各站的数据后，对数据进行相关运算，将运算结果减去通过射电星获得的总误差以及通过相位校准（PCAL）信号获得的信道时延值的变化量，得到航天器的时延差和时延差变化率，将此测量结果实时送出，从而完成DOR和DOD测量。1.4.4 ΔDOR/ΔDOD测量实施
天线首先指向射电星，并自动对射电星进行跟踪，基带转换与采集系统对数据进行采集；随后天线指向并跟踪航天器。跟踪一段时间后，再将天线指向射电星，在整个跟踪弧段一直采用这种交替观测方式直至观测结束。一般情况下，6min为一个观测周期，即观测射电星2min，再观测航天器2min，剩余的2min为天线指向转换时间。
观测接收后，采集的数据，通过网络实时发送到中心处理设备（或者将记录数据的磁盘直接送到中心）。中心数据处理分系统接收到各站的数据后，对数据进行相关运算，获得射电星的时延差和时延差变化率、航天器的时延差和时延差变化率。由于是分时观测，航天器和射电星的观测结果不是同一时刻的，需要采用拟合法将射电星的测量结果进行外推，将射电星无法观测的那段数据补齐，再用航天器的测量结果减去射电星的测量结果，并将结果送出，从而完成ΔDOR和ΔDOD测量。1.4.5 SBI实施
在进行航天器SBI时，天线指向并跟踪其中的一颗航天器，基带转换与采集系统对数据进行采集，同时将观测的结果通过网络实时发送到中心处理设备（或者将记录数据的磁盘直接送到中心）。中心数据处理分系统接收到各站的数据后，对数据进行相关运算，获得两个航天器的时延差和时延差变化率，两者相减并将结果送出，从而完成SBI。1.4.6 站内设备的自动运行
深空站工作频段多、设备量大、设备复杂度高，既要执行深空测控任务，也要执行干涉测量任务，随之带来的是对操作人员要求的提高。为了减轻观测站操作人员的压力，减少人为出错的可能性，提高系统的实际使用效率以及成功率，需要提高设备的自动化运行水平。为了实现这个目标，监控分系统在设备自动配置、工作计划编辑、流程编辑、按计划驱动自动运行等方面进行了设计。1.4.6.1 自动运行模式
深空站自动运行从总体上划分为三种模式：跟踪、遥测和遥控（TT&C）自动运行模式，干涉测量自动运行模式和“TT&C+干涉测量”自动运行模式。
由于TT&C自动运行模式、VLBI自动运行模式所需的设备相对独立，所以两种模式下的工作参数分为两种不同的宏进行存储，运行过程中分别调度各自的设备完成相应的任务。在“TT&C+干涉测量”自动运行模式中，如果对天线的指向发生冲突，以TT&C优先。1.4.6.2 干涉测量自动运行设计（1）设备预热
一般情况下，在任务前1h给系统加电预热。由于低温接收机从常温到低温工作制冷时间较长（大约2h），所以需要比系统其他设备至少提前2h开机，时频设备处于常加电状态，不能断电。正常情况下，S低温接收组件温度达到12K左右、X低温接收组件温度达到11K左右，即可开始工作。（2）干涉测量计划编辑
干涉测量工作过程由若干个观测弧段组成，每个观测弧段的关键参数为观测目标、观测开始时间和观测结束时间。观测目标为射电星时，应明确射电星星号。
干涉测量工作计划可以本地编辑，也可以根据中心设备参数配置文件自动形成。监控分系统提供的干涉测量工作计划编辑界面（35m深空站）如图1-5所示。图1-5 干涉测量计划编辑界面（3）干涉测量宏编辑
干涉测量宏可以在本地编辑，也可通过中心下发的参数配置文件自动生成。
本地编辑时，客户机可进行宏的创建、编辑、存储、调用。所有的宏以宏代号标识。宏编辑时，监控软件可提供界面输入所用频段干涉测量信道衰减、PCAL信号密度、PCAL信号大小、中频开关矩阵配置、记录设备模拟AGC增益、子带AGC增益、工作模式（VSI/VSR）及此种模式下航天器和射电星的记录参数（子带中心频率、带宽、量化位数）、大气参数测量设备记录文件的时间间隔等。（4）接收轨道根数和预报计算
系统接收（或索取）中心轨道根数或引导数据预计在跟踪前10min进行。
任务中需要天线指向航天器时，监控软件向ACU发送航天器指向命令，ACU根据预报数据自动指向。
任务中需要天线指向射电星时，监控软件向ACU发送射电星指向命令，命令中携带射电星星号，ACU根据星号自动查找射电星的赤经、赤纬，计算天线实际指向，自动引导天线指向射电星。（5）目标观测
在第一次目标观测开始前10min，监控软件自动将宏中参数下发到各分系统。系统监控软件有自动检查宏参数是否到位的功能，若宏参数执行错误，对具体发生错误的命令在界面给出明显提示。
在参数下发完成后，监控软件控制天线指向射电星或航天器，将大气参数测量设备天线置于数字引导状态；将ACU的实时角度信息转发到大气参数测量设备，用于引导大气参数测量设备天线与ACU天线同步；启动大气参数测量数据记录，以XML文件格式进行记录。
记录设备参数设置完成后，监控软件控制记录设备进入预览状态，对记录设备进行预热。在计划中观测开始前10s控制记录设备停止预览，并向记录设备发送记录指令，记录指令中包含观测开始时间和观测结束时间信息，记录设备收到记录指令后，自动按照开始和结束时间进行记录。
在需要交替观测的任务中，监控软件在上一次目标观测完成后，控制天线指向下一个目标，向记录设备发送下一目标的记录参数，然后控制记录设备进行预览、记录，重复上述过程，直到任务完成。1.4.6.3 “TT&C+干涉测量”自动运行设计
在天线指向航天器时，TT&C和干涉测量设备可以分别完成自己的任务，互不干涉。在干涉测量任务需要天线指向射电星时，采取TT&C任务优先的原则，不进行射电星的指向和记录工作。1.5 系统指标计算分析1.5.1 DOR测量误差分析
经过对射电星观测标校后，影响DOR测量的误差主要有航天器热噪声误差、站址误差、设备通道时延漂移误差、天线相位中心变化误差、校准信号稳定性误差、数据时标误差、站间时间同步误差、对流层误差、电离层误差、地球定向参数误差等。1.5.1.1 航天器热噪声误差
航天器热噪声误差与参与DOR计算的两个观测站的接收DOR侧音信号相关信噪比、积分时间以及侧音信号最大跨度带宽有关，当采用本地相关处理方法时，其时延误差测量的基本公式为：8式中，c——光速，取3×10m/s；BW
f——使用的信号频率带宽，在此取40MHz；obs
T——测量积分时间，取10s；101202
P/N，P/N——两站所接收侧音信号的载噪比，对于我国深空站口径为35m和66m的天线，设具有相同的系统噪温，取接收信号101202P/N、P/N分别为20dBHz和25dBHz。
分别代入上式得到由航天器热噪声引起的时延测量误差σ=3.1cm。1.5.1.2 站址误差
假设两个观测站之间的基线长度为d，Δd为基线测量误差，在极限情况下（观测站1、观测站2与目标在一条直线上），基线长度误差就是延迟测量差。站址误差和地球地极指向误差都会影响测量数据，因此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。
对站址误差修正通常有三种方法：高精度GPS法、数据拟合法和站址模型法。深空站采用高精度GPS法。利用全球导航卫星系统（GNSS）双频接收机的载波相位测量方式，采用静态观测模式时，在数据可利用率95%以上、基线长度为2000km时实时测量的精度为5cm，一个月的实际测试精度为1cm。
本方案采用高精度GPS粗测和站址长期观测数据拟合的方法估计
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