纸质出版日期:2021-01-25,
网络出版日期:2021-01-14,
收稿日期:2020-10-30,
录用日期:2020-12-22
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空间引力波探测在卫星发射入轨、科学实验运行等阶段都对卫星测定轨有较高的任务需求。天琴计划采用地球高轨道卫星,可利用的跟踪测量手段更加丰富,轨道跟踪测量和确定精度受到测控距离、测量系统误差、编队尺度、轨道控制以及测站跟踪几何等因素的影响。本文围绕天琴卫星测定轨技术,介绍了天琴卫星测定轨任务需求,分析了可用于天琴卫星轨道跟踪测量的多种手段的水平和技术特点,并对天琴卫星高精度轨道确定技术的发展趋势进行了展望。
The detection of gravitational waves has a high mission demand for satellite orbit determination at the stages of satellites launching into orbits and the operation of scientific experiments. The TianQin project planning to use high orbit satellites, having a greater variety of tracking measurements, the orbit tracking measurement and determination accuracy are influenced by measurement and control distance, measurement system error, formation scale, orbital control, and station tracking geometry, etc. This paper focuses on the tracking measurement and determination technology of TianQin satellite orbit, introducing the requirements of the mission of TianQin satellite orbit determination, analyzing the level and technical characteristics of the various means available for the tracking and measurement of TianQin satellite orbit, and providing an outlook on the development trend of the technology of high-precision TianQin satellite orbit determination.
空间引力波探测是研究恒星演化、黑洞和星系形成等天体物理以及宇宙学重大问题的一个重要途径,与激光干涉引力波天文台(The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)、Virgo等地面引力波探测不同,空间引力波探测不受地面臂长尺度的约束,探测频段更低,灵敏度更高,探测波源也更加丰富,为认识宇宙演化提供了一个全新的窗口,是当今物理、天文等学科研究的国际热点[
20世纪90年代以来,美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)和欧洲航天局(European Space Agency,ESA)合作支持的空间激光天线干涉仪(The Laser Interferometer Space Antenna,LISA)计划,是目前国际上发展最为成熟的空间引力波探测计划。LISA计划在日心轨道上发射三颗卫星组成臂长为500万公里的等边三角形编队,轨道平面与黄道面成60°夹角,三角形中心滞后地球20°,由于技术难度大,LISA臂长目前降至250万公里[
“天琴计划”是中山大学发起的空间引力波探测项目,该计划于2015年7月启动,预计在2030年左右发射三颗地球高轨卫星,不同于LISA的绕日卫星,天琴卫星轨道高度10万公里左右,臂长约17万公里,采用地球高轨道、大尺度、等边三角形的编队构形设计,轨道运行中,编队平面与黄道面保持垂直,并维持法向的空间指向一个特定的引力波源RXJ0806.3+1527[
本文以天琴计划为背景,在分析天琴卫星测定轨的技术手段和方法之后,对天琴轨道确定技术做了详细的分析与展望,对提升我国空间引力波探测研究的国际竞争力,以及未来深空探测器测定轨技术的发展具有十分重要的意义。
空间引力波探测在卫星发射入轨、科学实验运行等阶段都对测定轨有一定的任务需求。一方面是来自星间激光干涉仪对波束指向的需求,卫星轨道位置应满足分辨率需求,精度足以判断远距离卫星是否位于其他两颗卫星激光干涉仪的主波束内,这与激光频率和编队臂长大小有关。另一方面是来自时间延迟干涉TDI(Time Delay Interferometry)对臂长测量的需求,空间引力波探测方案采用迈克尔逊激光干涉技术,由于空间中卫星漂移,不能像地面能够做到等臂长干涉,此时激光频率噪声无法在干涉过程中直接消除。为消除激光频率噪声,采取后数据处理时间延迟干涉TDI技术来降低激光频率噪声,使得空间不等臂长干涉等效于等臂长干涉,从而使得激光频率噪声达到探测引力波频段范围内要求的噪声以下。TDI依赖于臂长的精确测量,臂长精度要求又与激光频率噪声功率谱密度、以及其他次噪声功率谱密度(如激光散粒噪声)密切有关,根据TDI的数据处理压制激光频率噪声原理,可建立臂长精度与激光载荷测量误差的相关模型,给出臂长精度指标。再者是来自编队构形初始化和构形保持的精度需求,为了消除后续演化的间距漂移,满足科学载荷测量对构型稳定性的长期要求,通常要求编队臂长的变化范围、速率、呼吸角、轨道面法向等满足一定变化范围要求,当轨道推进器与探测器分离时,对卫星入轨的位置和速度精度有一个严格的要求,入轨误差超出这个范围,卫星不能进入预定轨道,影响到整个空间引力波探测任务的长期稳定运行。从轨道稳定性需求出发,通过建立目标函数,建立传递模型,在对轨道优化的同时分析入轨误差对构型稳定性的影响,给出入轨误差指标要求。
通过对比LISA等国外空间引力波探测卫星轨道跟踪测量方法,结合天琴卫星轨道的特殊性,总结了天琴卫星测定轨的主要手段有深空网无线电测距测速USB/UXB、甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)、卫星激光测距系统(Satellite Laser Ranging, SLR)和全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)等。其中,深空网无线电测距测速USB/UXB、VLBI主要应用于深空探测和高轨任务,SLR和GNSS主要应用于低、中、高轨探测任务。
深空网无线电测距测速USB/UXB手段主要用于地球高轨道和深空探测任务中,由地基测控设备来实现对卫星的跟踪测量,为了更好地实现对卫星连续、全弧段的跟踪测量,逐渐发展了深空网(Deep Space Network,DSN)。USB测距测速最早在美国Apollo探月系列任务得到应用。随着探测距离和精度要求越来越高,深空站也不断更新换代,测量频段从20世纪60年代的S频段到90年代的X频段,后又逐步向使用Ka频段发展[
美国深空网由分布于加利福尼亚戈尔德斯顿、澳大利亚堪培拉和西班牙马德里的3个地面站以及位于加利福尼亚的任务操控中心构成,其中3个深空地面站经度相差120°,可以实现全天候、全弧度测控任务[
中国深空测控系统是在探月工程“绕”“落”“回”三步走战略下,由新疆喀什、黑龙江佳木斯、阿根廷内乌肯省组成的。其中,喀什和佳木斯两个深空站主要工作在S、X 频段,内乌肯省深空站则具备X、S、Ka三个频段功能的测控和数据接收能力[
甚长基线干涉测量VLBI技术诞生于20世纪60年代后期,最早被应用于研究射电源结构,目前常用在大地测量和天体物理中,其测量精度达到亚毫角秒量级,是当前角分辨率最高的天文观测技术,在深空探测、天体物理等多个领域中发挥着重要作用,被广泛应用于航天器精密定轨。VLBI技术常用于联合无线电测距测速用于轨道测定,对横向参数敏感;基线越长角精度越高,时延精度优于1 ns,时延率精度优于1 ps/s。中国VLBI网目前由上海25 m、北京5 m、昆明40 m和乌鲁木齐25 m的4台射电天文望远镜,以及上海数据处理中心组成。国际上,天文射电望远镜测站主要分布在欧洲和东亚地区。VLBI主要分为差分单向多普勒 (Differential one-way Doppler,DOD)和差分单向测距(Differential one-way ranging,DOR)VLBI两种技术[
VLBI对于视线垂直方向上轨道变化高精度的测角能力,常用于辅助USB/UXB测距测速手段进行深空探测。嫦娥二号工程中首次开展了X频段测控通信技术试验[
SLR卫星激光测距通过精确测定激光脉冲从地面观测点到装有反射器卫星的往返时间间隔,计算出地面观测点至卫星的距离[
全球卫星导航系统GNSS主要包括美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、俄罗斯的格洛纳斯全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GLONASS)、欧盟的伽利略导航系统(Galileo satellite navigation system,Galileo)和中国的北斗导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)。近年来,随着高精度导航定位需求不断牵引,GNSS在世界范围内得到了迅猛发展。日本和印度也纷纷加入到导航卫星资源的争夺中,迅速构建了自己的区域卫星导航系统QZSS(Quasi-Zenith Satellite System)[
与低轨GNSS定轨相比,高轨卫星距离GNSS卫星较远,接收到的导航信号弱,且会受到地球阴影的遮挡,连续跟踪弧段时间短,可见GNSS卫星数量少,这些制约了高轨GNSS定轨应用的发展。NASA自20世纪90年代便开始试验高轨GNSS定轨技术,1997年发射的Equator-S卫星,轨道远地点高度11 Re(Re为地球半径),搭载了高轨GPS接收机进行定轨试验,信号的信噪比能达到40 ~ 47 dB-Hz,验证了高轨GNSS定轨技术的可行性。近年来,国外陆续发射了多个利用高轨GNSS进行定轨的卫星任务,典型的计划如NASA的多尺度磁层任务(Magnetospheric Multiscale,MMS)和地球同步环境探测卫星(The Geostationary Operational Environmental Satellite,GOES-R)[
结合天琴卫星测定轨技术特点,展望未来天琴卫星高精度轨道确定技术的发展趋势为:
(1)多跟踪测量手段融合精密轨道确定。天琴卫星与近地轨道卫星相比跟踪距离更远,测量精度和跟踪几何条件受限。单一跟踪测量手段的测量信息少,轨道解约束弱,定轨结果更容易受到系统偏差、测量噪声以及观测资料个数的影响。与LISA计划的日心轨道相比,天琴卫星地心轨道的一个显著优势是测控距离被缩短,可利用的跟踪测量手段将更加丰富。可联合使用深空网无线电测距测速、甚长基线干涉测量、全球卫星导航系统、卫星激光测距等多种测量手段,研究多源数据融合精密轨道确定,实现多种手段优势互补[
(2)微小摄动力、无拖曳控制力和机动力建模补偿。对于天琴卫星而言,太阳光压摄动是除引力外最大的非保守摄动力项,太阳光压摄动力的建模至关重要。再者,空间引力波探测器在轨需要持续进行无拖曳控制和一定次数的编队构形保持机动控制,这使得轨道摄动力的高精度建模变得更加复杂,影响轨道产品的精度和可靠性。需要在精密定轨中精细化建模分析微小摄动力、无拖曳控制力和机动力,补偿这些力的影响[
(3)测量系统误差建模与校准。天琴卫星测控距离远,定轨观测几何变化小,测量中的系统误差很难通过滤波平滑方式消除,成为影响定轨精度提升的主要原因。以深空网为例,其作用距离远、连续性好,但存在测站硬件延迟、转发器时延和大气传播延迟等系统偏差,其中大气传播延迟误差可通过地面大气延迟标校设备大部分扣除,但测站硬件延迟、转发器时延难以通过自身扣除,是主要的系统误差来源,需要进行在轨标定[
(4)星间测量信息约束下的多星联合定轨。超高精度的星间激光干涉信息约束,成为空间引力波探测卫星高精度测定轨的一个优点。传统的定轨处理方式一般采用单个卫星逐个定轨的处理方式,无法充分利用星间超高精度的信息约束来提升轨道精度。可研究建立分布式卫星整网联合参数估计模型,增加超高精度的星间测量信息约束,形成多颗卫星整网约束,一体化求解每个卫星的轨道参数,提升定轨性能[
高精度卫星测定轨是实现天琴空间引力波探测的关键技术之一。首先,介绍了天琴卫星测定轨的任务需求;然后,总结给出了可用于高轨道卫星测定轨的多种测量手段,分析每个手段的特点以及所面临的挑战;最后,分别从多跟踪测量手段融合精密轨道确定、微小摄动力、无拖曳控制力和机动力建模补偿、测量系统误差的建模与校准以及星间测量信息约束下的多星联合定轨等方面,对天琴卫星高精度轨道确定技术进行了分析与展望。
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