12年前的今天，我國(guó)首次月球探測(cè)工程嫦娥一號(hào)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。衛(wèi)星到達(dá)環(huán)月軌道后，經(jīng)過(guò)約1年半的探測(cè)，獲取了月球表面三維立體影像、完成了月球表面有用元素的含量和物質(zhì)類(lèi)型的分布特點(diǎn)分析，開(kāi)展了月壤厚度和地月空間環(huán)境探測(cè)，于2009年3月1日按照預(yù)定計(jì)劃受控撞月。嫦娥一號(hào)任務(wù)的圓滿(mǎn)成功，標(biāo)志著我國(guó)探索浩瀚宇宙的步伐開(kāi)始邁向月球和更遠(yuǎn)的深空，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天領(lǐng)域邁向深空探測(cè)歷史性的突破，是我國(guó)航天史上一次具有里程碑意義的重大任務(wù)。

1 嫦娥一號(hào)任務(wù)概況

1.1 探月工程

2004年，我國(guó)正式開(kāi)始實(shí)施月球探測(cè)工程，月球探測(cè)工程又稱(chēng)為“嫦娥工程”，包括“繞”、“落”、“回”，即繞月探測(cè)、月球軟著陸和巡視勘察、自動(dòng)采樣返回三個(gè)階段。目前，我國(guó)已通過(guò)嫦娥一號(hào)實(shí)現(xiàn)了繞月探測(cè)、通過(guò)嫦娥三號(hào)實(shí)現(xiàn)了軟著陸巡視勘察，通過(guò)嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)首次月球背面的軟著陸巡視勘察，自動(dòng)采樣返回探測(cè)任務(wù)也將按計(jì)劃有序推進(jìn)，屆時(shí)我國(guó)將具備地外天體環(huán)繞、著陸和采樣返回探測(cè)的工程經(jīng)驗(yàn)，為開(kāi)展更遠(yuǎn)深空的探測(cè)活動(dòng)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星于2007年10月24日18時(shí)05分由長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭送入軌道周期約為16h、傾角31°、近地點(diǎn)200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度51000km的大橢圓地球軌道。星箭分離后，衛(wèi)星經(jīng)過(guò)近14天的飛行、10次變軌后，進(jìn)入高度為200km的繞月探測(cè)使命軌道，開(kāi)始科學(xué)探測(cè)活動(dòng)。嫦娥一號(hào)飛行過(guò)程見(jiàn)圖3所示。任務(wù)期間，8臺(tái)科學(xué)載荷開(kāi)展了全局性、普查性的月球遙感探測(cè)。任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功后，于2009年3月1日受控撞月。

嫦娥一號(hào)任務(wù)由探測(cè)器系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng)組成。測(cè)控系統(tǒng)是繞月探測(cè)工程的一個(gè)重要組成部分，負(fù)責(zé)長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭發(fā)射和嫦娥一號(hào)衛(wèi)星整個(gè)飛行任務(wù)期間的軌道測(cè)量、遙測(cè)監(jiān)視、遙控操作、飛行控制以及嫦娥一號(hào)衛(wèi)星探測(cè)應(yīng)用期間任務(wù)計(jì)劃的實(shí)施與操作管理等任務(wù)，并通過(guò)高精度的測(cè)定軌，為地面應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)的處理提供軌道數(shù)據(jù)保障。

2 ?嫦娥一號(hào)任務(wù)中的測(cè)控系統(tǒng)

2.1 月球和深空測(cè)控的幾道門(mén)檻

此前，我國(guó)的大部分衛(wèi)星距離地面在4.2萬(wàn)千米以?xún)?nèi)，個(gè)別衛(wèi)星離地面最遠(yuǎn)距離就8萬(wàn)千米，屬于“近程”測(cè)控的范圍。在繞月探測(cè)工程中，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星距離地面最遠(yuǎn)可達(dá)40萬(wàn)千米，是地球同步衛(wèi)星距地面距離的10倍以上，屬于“遠(yuǎn)程”測(cè)控范圍。遠(yuǎn)程測(cè)控給現(xiàn)有的航天測(cè)控網(wǎng)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。與“近程”測(cè)控相比，深空遠(yuǎn)程測(cè)控需要跨過(guò)五道門(mén)檻。

1) 遙遠(yuǎn)的距離挑戰(zhàn)探測(cè)距離極限

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，深空探測(cè)的范圍不斷擴(kuò)展。太陽(yáng)系內(nèi)各行星和月球距離地球的通信距離及傳輸時(shí)延見(jiàn)表1所示。

由表1可知，冥王星距離地球最遠(yuǎn)距離為7.5351×109km，比一顆地球同步軌道衛(wèi)星的通信距離(36000km)大0.2×106倍，即信號(hào)衰減要增加106.4dB。火星比一顆地球同步軌道衛(wèi)星的通信距離大1.11472×103倍，即信號(hào)衰減要增加80.943dB。月球距地球最大距離為0.4055×106km,比一顆地球同步軌道衛(wèi)星的通信距離大21.26倍，即通信信號(hào)衰減增加21.03dB。由此可見(jiàn)深空測(cè)控的信號(hào)衰減非常大，到達(dá)衛(wèi)星的信號(hào)和到達(dá)地面的信號(hào)都非常微弱，如何彌補(bǔ)深空測(cè)控帶來(lái)的巨大距離衰減是深空測(cè)控系統(tǒng)面臨的困難之一。通常采取的手段是增加地面發(fā)射功率，增加地面接收天線(xiàn)口徑。地面發(fā)射功率增加一倍只能獲得3dB的好處，地面站天線(xiàn)口徑增加一倍能獲得6dB的好處。

2) 無(wú)線(xiàn)電波傳輸時(shí)間耗時(shí)巨大

與“近程”測(cè)控相比，深空通信單程的時(shí)間延遲也大大增加。地球到月球的單程通信時(shí)延為1.35s，地球到火星的單程通信時(shí)延為22.294min，地球到冥王星的單程通信時(shí)延大于6h58min。這使得一切希望遙測(cè)遙控實(shí)時(shí)響應(yīng)的想法都變得不再現(xiàn)實(shí)。對(duì)于地月距離，勉強(qiáng)可以采用準(zhǔn)實(shí)時(shí)的方式控制航天器和有效載荷。但對(duì)于更遙遠(yuǎn)的深空，只能通過(guò)提高數(shù)據(jù)傳輸和接收的可靠性來(lái)確保遙控、遙測(cè)業(yè)務(wù)的順利實(shí)施。

3) 信息傳輸速率受限

月球和深空探測(cè)器對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求不斷提高，但由于巨大的傳輸損耗，同時(shí)受到能源、重量等條件約束，很難通過(guò)較大的功率和天線(xiàn)口徑實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，基于無(wú)線(xiàn)電手段只能在中、低速狀態(tài)率下工作。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，必須不斷研究新技術(shù)以提高通信鏈路性能，目前光通信技術(shù)是其中一個(gè)研究熱點(diǎn)。

4) 高精度導(dǎo)航困難

近地衛(wèi)星可以使用的高精度導(dǎo)航手段（如GPS導(dǎo)航技術(shù)）在目前月球和深空測(cè)控中均無(wú)法使用，只能依靠傳統(tǒng)的多普勒測(cè)量和距離測(cè)量手段。

多普勒和距離測(cè)量都是沿地面站到探測(cè)器徑向方向的，通過(guò)增加橫向角位置測(cè)量量能夠有效提高導(dǎo)航精度，目前主要是通過(guò)采用差分VLBI等測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)90年代美國(guó)深空網(wǎng)達(dá)到的VLBI測(cè)角精度為5nrad，對(duì)應(yīng)火星的測(cè)距誤差為2.06km，對(duì)應(yīng)冥王星的測(cè)距誤差為37.68km。

5) 長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)跟蹤

目前，月球和深空探測(cè)都立足于地面建設(shè)的深空測(cè)控站實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的連續(xù)跟蹤測(cè)量。受到地球自轉(zhuǎn)影響，單個(gè)深空站可連續(xù)跟蹤測(cè)量的時(shí)間通常為8h-10.5h，通過(guò)全球等間隔120°布站，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)月球和深空探測(cè)器100%的測(cè)控覆蓋。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)組成

面對(duì)上述難題，針對(duì)我國(guó)航天測(cè)控系統(tǒng)當(dāng)時(shí)所處的現(xiàn)狀，航天測(cè)控科技工作者首次提出了利用“USB＋VLBI（甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)）”聯(lián)合測(cè)軌的方法，提高定軌精度。首先，是提高USB測(cè)控系統(tǒng)的能力。天線(xiàn)的口徑和探測(cè)距離成正比，增大天線(xiàn)口徑可以增加探測(cè)距離。因此在USB測(cè)控系統(tǒng)中的兩個(gè)站新建了18m口徑大天線(xiàn)，改善了以往用于地球衛(wèi)星天線(xiàn)的信道余量，提高了測(cè)量精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，使地面站作用距離從地球范圍延伸到月球范圍。其次，是在航天測(cè)控領(lǐng)域引入射電天文測(cè)量技術(shù)。為了進(jìn)一步滿(mǎn)足深空高精度測(cè)定軌的要求，科技工作者又想到了天文測(cè)量技術(shù)。天文測(cè)量使用的射電望遠(yuǎn)鏡能夠接收遙遠(yuǎn)星系的射電源發(fā)出的寬帶微波輻射信號(hào)。射電望遠(yuǎn)鏡是由大口徑天線(xiàn)、低噪聲接收機(jī)和寬帶記錄裝置組成的無(wú)線(xiàn)電接收系統(tǒng)。單個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)軌、定軌，必須把兩個(gè)以上的射電望遠(yuǎn)鏡組合起來(lái)。其基本原理是，通過(guò)設(shè)在不同位置的天線(xiàn)，接收同一無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，計(jì)算信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線(xiàn)的時(shí)間差，確定射電源相對(duì)于兩個(gè)天線(xiàn)的角度。通過(guò)三個(gè)不在一條直線(xiàn)上的天線(xiàn)，就可以確定射電源所在的方向。這種測(cè)量方法稱(chēng)為甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為VLBI。

嫦娥一號(hào)任務(wù)的測(cè)控系統(tǒng)以我國(guó)現(xiàn)有的S頻段航天測(cè)控網(wǎng)為主，輔以甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉儀（VLBI）天文測(cè)量系統(tǒng)，主要包括北京航天飛行控制中心、西安衛(wèi)星測(cè)控中心、廈門(mén)站、喀什站（12m+18m）、青島站（10m+18m）；布置在太平洋海域指定位置的遠(yuǎn)望2號(hào)、遠(yuǎn)望3號(hào)航天測(cè)量船；用于嫦娥一號(hào)任務(wù)軌道測(cè)量的VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)包括上海VLBI中心和北京密云50m、上海佘山25m、云南昆明40m、烏魯木齊南山25m 4個(gè)VLBI測(cè)量站，如圖4所示。通過(guò)統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)、通信和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將所有參加嫦娥一號(hào)任務(wù)的測(cè)控站點(diǎn)聯(lián)成一個(gè)有機(jī)的整體。北京航天飛行控制中心是嫦娥一號(hào)任務(wù)的飛行控制中心。

為了進(jìn)一步提高測(cè)控覆蓋率和系統(tǒng)可靠性，形成了以地面站為主的測(cè)控方案，使“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星的測(cè)控覆蓋率達(dá)到了98%以上。

2.3 ?測(cè)控系統(tǒng)的主要工作

嫦娥一號(hào)任務(wù)中，地面測(cè)控站主要通過(guò)S頻段雙向測(cè)控鏈路完成對(duì)衛(wèi)星的測(cè)距、測(cè)速、遙測(cè)和遙控任務(wù)。

地面測(cè)控站對(duì)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星測(cè)控使用S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)。統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)是指一個(gè)載波上調(diào)制若干測(cè)控信號(hào)，以完成多種功能的綜合測(cè)控系統(tǒng)，它可以利用一個(gè)載波實(shí)現(xiàn)諸如測(cè)距、測(cè)速、遙測(cè)、遙控等多項(xiàng)功能，能夠有效緩解射頻擁擠，最大限度利用射頻資源，簡(jiǎn)化衛(wèi)星射頻設(shè)備數(shù)量、體積和功耗，是目前地面測(cè)控站對(duì)航天器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電測(cè)控的主要手段。統(tǒng)一載波體制原理見(jiàn)下圖所示：

1) 無(wú)線(xiàn)電跟蹤導(dǎo)航

無(wú)線(xiàn)電跟蹤導(dǎo)航是指地面利用衛(wèi)星發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)跟蹤衛(wèi)星，并利用接收到的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)延遲時(shí)間和多普勒頻率變化確定衛(wèi)星距離地面的距離和速度，從而確定衛(wèi)星飛行位置和速度，計(jì)算出與衛(wèi)星飛行軌道的偏差，引導(dǎo)衛(wèi)星沿著正確的軌道飛行。

無(wú)線(xiàn)電定位的原理很簡(jiǎn)單，無(wú)線(xiàn)電波和聲波一樣，通過(guò)測(cè)量傳播的時(shí)間確定距離和位置。這一點(diǎn)可從生活中的經(jīng)歷感悟到，比如我們對(duì)著遠(yuǎn)方的山谷大聲呼喊時(shí)，能夠感覺(jué)到經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的延遲后聽(tīng)到山谷返回的聲音。這個(gè)短暫延遲就是聲波傳播到達(dá)對(duì)面山谷以后反射的聲波，再經(jīng)過(guò)傳播到達(dá)我們耳中花費(fèi)的時(shí)間。如果能夠精確測(cè)得聲波傳播時(shí)間差的話(huà)，該時(shí)間差乘以聲音傳播速度(340m/s)就可算出我們距離山谷的往返距離，從而得到我們與山谷之間的距離。無(wú)線(xiàn)電定位原理與聲音定位原理類(lèi)似，只不過(guò)聲波換成了無(wú)線(xiàn)電波。由于無(wú)線(xiàn)電波傳播速度為30萬(wàn)千米/秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于為340 m/s聲音傳播速度，幾乎是聲音傳播速度的90萬(wàn)倍，因此，無(wú)線(xiàn)電定位通常用于遠(yuǎn)距離定位。

對(duì)嫦娥一號(hào)測(cè)速的基本原理是基于無(wú)線(xiàn)電信號(hào)在空間傳播時(shí)的多普勒效應(yīng)。當(dāng)衛(wèi)星向測(cè)控站接近時(shí)，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)波長(zhǎng)變短、頻率變高；當(dāng)衛(wèi)星原理測(cè)控站時(shí)，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)波長(zhǎng)變長(zhǎng)、頻率變低，這種效應(yīng)稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。當(dāng)采用單向非相干多普勒測(cè)速時(shí)，通常采用以下公式計(jì)算單程多普勒值：

2) 無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)和遙控

在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射入軌至繞地飛行的調(diào)相軌道段、奔向月球的奔月軌道段、捕獲月球段以及繞月運(yùn)行期間，地面需要及時(shí)了解衛(wèi)星各星載設(shè)備的工作狀態(tài)，評(píng)估其飛行姿態(tài)是否正確，設(shè)備工作是否正常。這些反映衛(wèi)星設(shè)備工作狀態(tài)和衛(wèi)星飛行狀態(tài)的信息統(tǒng)稱(chēng)為衛(wèi)星遙測(cè)信息。通過(guò)衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將遙測(cè)信息收集整理并調(diào)制成可以傳輸?shù)?200MHz射頻信號(hào)傳回到地面，地面接收衛(wèi)星的遙測(cè)信息并解調(diào)恢復(fù)出衛(wèi)星遙測(cè)信息，就能夠及時(shí)了解和掌握衛(wèi)星工作狀態(tài)和飛行狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)。

無(wú)線(xiàn)電遙控是指通過(guò)無(wú)線(xiàn)電手段，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制衛(wèi)星，從而改變衛(wèi)星設(shè)備工作狀態(tài)和飛行狀態(tài)。通常情況下，在完成對(duì)衛(wèi)星跟蹤的基礎(chǔ)上，地面站天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，將地面生成的遙控指令或注入數(shù)據(jù)調(diào)制成中頻信號(hào)，再將中頻變成2000MHz以上的射頻頻率發(fā)射出去。太空中的衛(wèi)星接收到地面發(fā)來(lái)的遙控信號(hào)，并將遙控信號(hào)解調(diào)譯碼，還原成可執(zhí)行的指令或可存儲(chǔ)的注入數(shù)據(jù)，衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如發(fā)動(dòng)機(jī)、太陽(yáng)帆板、姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)等)按照遙控指令或注入數(shù)據(jù)改變衛(wèi)星工作狀態(tài)和飛行狀態(tài)。

可以說(shuō)，無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)是地面了解掌握衛(wèi)星狀態(tài)的先決條件，無(wú)線(xiàn)電遙控是地面采取遠(yuǎn)距離控制衛(wèi)星的必要手段。無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)和遙控是掌控深空衛(wèi)星的無(wú)形之手。

3) 地面測(cè)控網(wǎng)

地面測(cè)控網(wǎng)是完成衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電跟蹤導(dǎo)航、無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)、無(wú)線(xiàn)電遙控的地面綜合電子系統(tǒng)。由于地球曲率的影響，以頻率2000MHz以上無(wú)線(xiàn)電波傳播為基礎(chǔ)的測(cè)控系統(tǒng)，用一個(gè)地面測(cè)控站不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行全程跟蹤和測(cè)控，需要用分布在陸地和海洋上不同地點(diǎn)的多個(gè)地面測(cè)控站和測(cè)量船“接力”才能完成測(cè)控任務(wù)。地面測(cè)控網(wǎng)由多個(gè)地面站、測(cè)量船、測(cè)控中心以及用于相互間溝通的通信系統(tǒng)構(gòu)成。

地面測(cè)控站、測(cè)量船直接對(duì)衛(wèi)星實(shí)施無(wú)線(xiàn)電跟蹤測(cè)軌、遙測(cè)信號(hào)接收、發(fā)送遙控指令和注入數(shù)據(jù)。測(cè)控中心對(duì)各測(cè)控站、測(cè)量船進(jìn)行任務(wù)管理，將測(cè)量數(shù)據(jù)匯集，對(duì)遙測(cè)信息進(jìn)行還原、顯示；對(duì)測(cè)軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，確定衛(wèi)星軌道，并預(yù)報(bào)衛(wèi)星將來(lái)的位置和速度，用于對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航；根據(jù)遙測(cè)處理和導(dǎo)航信息，確定采取的控制措施，生成遙控指令和注入數(shù)據(jù)，并向相關(guān)測(cè)控站、測(cè)量船傳送；向各測(cè)控站傳送時(shí)間統(tǒng)一勤務(wù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地面測(cè)控網(wǎng)內(nèi)部的時(shí)間統(tǒng)一。

通信系統(tǒng)完成測(cè)控中心與各測(cè)控站、測(cè)量船之間的數(shù)據(jù)、圖像、語(yǔ)音傳輸。通信系統(tǒng)采用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)和衛(wèi)星通信等多種手段，專(zhuān)用于測(cè)控網(wǎng)。

4) VLBI測(cè)量

射電望遠(yuǎn)鏡是指能夠接收遙遠(yuǎn)河外星系射電源(如類(lèi)星體)飛出的寬帶微波輻射信號(hào)的無(wú)線(xiàn)電接收裝置。并不是通常概念下的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡包括大口徑天線(xiàn)、低噪聲接收機(jī)和寬帶記錄裝置。

VLBI(Very Long Baseline Interferometry )是甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量的英文縮寫(xiě)。VLBI是一種射電干涉技術(shù)，它通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波干涉的方法，將間隔數(shù)百乃至數(shù)千公里長(zhǎng)度基線(xiàn)兩端的口徑較小的射電望遠(yuǎn)鏡，合成為巨大的綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡，其等效直徑為望遠(yuǎn)鏡之間的最長(zhǎng)基線(xiàn)長(zhǎng)度。通過(guò)延長(zhǎng)基線(xiàn)，VLBI能獲得極高的分辨率，是目前分辨率最高的天文觀(guān)測(cè)技術(shù)。

VLBI系統(tǒng)最早用于天文觀(guān)測(cè)，主要用來(lái)對(duì)射電星的研究。

位于長(zhǎng)基線(xiàn)兩端的兩測(cè)量站同時(shí)接收來(lái)自射電源（類(lèi)星體）的類(lèi)似白噪聲信號(hào)，經(jīng)放大、超外差接收、數(shù)字化、時(shí)間標(biāo)計(jì)后記錄到記錄器，通過(guò)相關(guān)處理記錄信號(hào)得到信號(hào)的同一波前到達(dá)兩測(cè)量站的時(shí)間延遲τg,從而得到射電源相對(duì)基線(xiàn)的角位置。

射電星離我們非常遙遠(yuǎn)，其發(fā)出的信號(hào)類(lèi)似高斯白噪聲信號(hào)，可以認(rèn)為到達(dá)地球的信號(hào)為平面波，即到達(dá)長(zhǎng)基線(xiàn)兩端測(cè)量站的信號(hào)為平面波。設(shè)同一發(fā)射時(shí)刻信號(hào)到達(dá)兩測(cè)量站的時(shí)延差為τg，則射電星相對(duì)于基線(xiàn)的角位置β和時(shí)延差之間的關(guān)系有

這里c 為光速，B是兩站之間的基線(xiàn)矢量，是信源方向上的單位矢量。因而，有了基線(xiàn)長(zhǎng)度和方向的先驗(yàn)知識(shí)，我們就可以從幾何延遲中推導(dǎo)出信源位置的一個(gè)角度分量。所測(cè)角度的精度不但取決于VLBI延遲測(cè)量的精確度，而且還依賴(lài)于測(cè)站時(shí)鐘偏差、測(cè)量設(shè)備和媒介的差分延遲以及基線(xiàn)方向誤差的校準(zhǔn)精度。

由于VLBI 基線(xiàn)較長(zhǎng)（一般為幾千公里），兩測(cè)量站使用獨(dú)立的時(shí)鐘，同一般無(wú)線(xiàn)電干涉儀不同的是，兩站接收到的信號(hào)不直接進(jìn)行相關(guān)，而是分別記錄到各自的記錄器上。觀(guān)測(cè)結(jié)束后，再將記錄器送到數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和相關(guān)處理，從而得到延遲值τg。

VLBI系統(tǒng)中，射電源的能量非常低，一般小于1Jy（1Jy＝10-26WHz-1m-2），因此在每個(gè)測(cè)量站需要大口徑的天線(xiàn)、低噪聲接收機(jī)和寬帶記錄設(shè)備。VLBI 在天文學(xué)上的應(yīng)用可以用來(lái)測(cè)量射電源的位置，在測(cè)量精度方面，還沒(méi)有其他手段能與之相比。在大地測(cè)量方面可以用來(lái)測(cè)量站址坐標(biāo)或地殼移動(dòng)等，同樣能夠取得相當(dāng)高度精度。

根據(jù)VLBI的基本原理，利用長(zhǎng)基線(xiàn)兩端的兩測(cè)量站可以確定深空航天器的角位置，在航天器距離較遠(yuǎn)的情況下，認(rèn)為航天器信號(hào)到達(dá)兩測(cè)量站時(shí)是平面波。

VLBI測(cè)量系統(tǒng)包括烏魯木齊25m天線(xiàn)、北京50m天線(xiàn)、昆明40m天線(xiàn)和上海25m天線(xiàn)四副射電望遠(yuǎn)鏡組成，烏魯木齊至上海的基線(xiàn)長(zhǎng)度為3249km，烏魯木齊至昆明的基線(xiàn)長(zhǎng)度為2477km，昆明至上海的基線(xiàn)長(zhǎng)度為1920km。該系統(tǒng)利用嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的下行S/X信標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星角位置的高精度干涉測(cè)量。

VLBI作為天文測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理方面采用的是事后處理方式，大約在進(jìn)行測(cè)量?jī)芍芎蠓侥芴峁┨幚斫Y(jié)果。為了在地月轉(zhuǎn)移階段發(fā)揮軌道測(cè)量中的作用，對(duì)VLBI的信息傳輸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將其升級(jí)為準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，升級(jí)后的系統(tǒng)可以在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量后10min內(nèi)，將測(cè)量處理結(jié)果傳送到任務(wù)操作中心。

準(zhǔn)實(shí)時(shí)工作模式主要在地月轉(zhuǎn)移階段使用，在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星環(huán)月后進(jìn)入科學(xué)探測(cè)階段，VLBI系統(tǒng)將仍然采用事后處理工作模式。在準(zhǔn)實(shí)時(shí)工作模式下，由于數(shù)據(jù)傳輸量和時(shí)間的限制，VLBI的信息采集和各項(xiàng)修正會(huì)受到一定影響，因此，測(cè)量精度較事后工作模式有所下降，但能夠滿(mǎn)足地月轉(zhuǎn)移階段的測(cè)量要求。

2.4 嫦娥一號(hào)任務(wù)實(shí)現(xiàn)的測(cè)控技術(shù)突破

嫦娥一號(hào)任務(wù)是在缺乏深空測(cè)控設(shè)施的情況下，立足我國(guó)現(xiàn)有條件，將天文測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到航天工程中，形成了S頻段航天測(cè)控網(wǎng)和甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量相互補(bǔ)充的綜合測(cè)量系統(tǒng)，即將S頻段航天測(cè)控網(wǎng)的測(cè)距、測(cè)速能力和甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量的高精度測(cè)角能力結(jié)合起來(lái)，建立了我國(guó)探月任務(wù)的測(cè)定軌系統(tǒng)，以最小的經(jīng)濟(jì)投入，解決了我國(guó)繞月探測(cè)工程的測(cè)定軌關(guān)鍵技術(shù)。在以下深空測(cè)控關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破：

1) 多體制聯(lián)合測(cè)控技術(shù)

在我國(guó)航天領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)測(cè)控網(wǎng)、VLBI天文測(cè)量與國(guó)外測(cè)控站三位一體的聯(lián)合測(cè)控模式，首次實(shí)現(xiàn)了完整的國(guó)際空間數(shù)據(jù)咨詢(xún)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)定義的地面信息傳輸管理模式，使衛(wèi)星測(cè)控覆蓋率達(dá)到98%以上。

2) 月球衛(wèi)星精密定軌技術(shù)

在我國(guó)缺乏深空測(cè)控設(shè)施的條件下，堅(jiān)持科學(xué)集成，多部門(mén)協(xié)作，運(yùn)用系統(tǒng)工程方法，建立了USB-VLBI綜合定軌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)相軌道幾十米量級(jí)，轉(zhuǎn)移軌道公里量級(jí)，環(huán)月段百米量級(jí)的精密定軌結(jié)果。

3) 高精度測(cè)量技術(shù)

USB設(shè)備通過(guò)采用新的窄帶測(cè)量技術(shù)，使其測(cè)速精度從厘米量級(jí)提高到毫米量級(jí)，達(dá)到目前國(guó)際同類(lèi)設(shè)備先進(jìn)水平。VLBI觀(guān)測(cè)網(wǎng)通過(guò)技術(shù)改造，突破了射電天文原有的事后處理工作模式，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)實(shí)時(shí)工作，開(kāi)拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 展望

嫦娥一號(hào)任務(wù)已經(jīng)過(guò)去的近12年，但經(jīng)過(guò)這次任務(wù)，使我國(guó)的測(cè)控能力和性能向深空邁進(jìn)了一大步。如今，我國(guó)已經(jīng)建成了全球布局的深空測(cè)控網(wǎng)，研制了35m和66m大口徑天線(xiàn)，深空測(cè)控能力進(jìn)一步提高，具備了向更遠(yuǎn)深空挺進(jìn)的技術(shù)能力。為了實(shí)現(xiàn)航天強(qiáng)國(guó)的偉大目標(biāo)，在我國(guó)探月工程完成后，還將實(shí)施月球科研站、以火星、小行星探測(cè)為代表的深空探測(cè)等重大航天工程，相信不久的將來(lái)，中國(guó)人必將會(huì)在深空探測(cè)領(lǐng)域取得更加輝煌的成就，為人類(lèi)探索宇宙起源、尋求第二家園添磚加瓦。

來(lái)源?|?我們的太空

作者 | 李海濤、李贊

投稿郵箱 | ourspace0424@163.com