我国空间VLBI系统的有关设计和模拟计算研究

摘要

空间甚长基线干涉测量技术SVLBI（Space Very Long Baseline Interferometry）是地面VLBI测量在空间的延伸。它在大地测量和地球动力学方面很有应用潜力，如不同参考框架的定义、实现和相互连接，利用延迟和延迟速率来进行VLBI测站地心坐标的测定，地球重力场的估计和卫星定轨等。随着1997年日本的VSOP（the VLBI Space Observatory Programme）卫星的发射(Hirabayashi等，1998)，这一技术变成了现实。在匈牙利卫星大地天文台(FOMI SGO)的资助下，一个国际的研发小组针对SVLBI在大地测量应用的可行性进行了VSOP大地测量实验(GEDEX)(Kulkarni等，1998)。该国际科研小组采用地面和空间VLBI(VSOP)的延迟和延迟率等实际观测量，对于大地测量和地球动力学的几个方面进行了研究。结果表明，由于VSOP项目是为了天体物理研究而设计的，其物理特性和轨道特征并不完全适用于大地测量和地球动力学研究和应用。后者要求卫星有较规则的外形、较小的面质比和较长的寿命，其定轨精度应达到与观测精度相当的水平（好于几cm）。而VSOP的外形极不规则，面质比较大，寿命估计只有5年，其定轨精度的实验估计值为几米(Frey2002)，很难达到10cm的水平。VSOP还不适合于频繁改变观测对象，所以无法提供针对多个射电源的观测量，而这正是大地测量和地球动力学所需要的。况且，该卫星从2003年10月后就没有能够继续发送观测数据，在2005年11月30日02:28UT终止了运作。因此需要新的空间VLBI卫星来支持大地测量和地球动力学的研究。 目前还没有专门设计适合于大地测量和地球动力学研究的空间VLBI卫星的研究，为此，本文总结了大地测量和天体测量研究对空间VLBI卫星的要求条件。GEDEX实验结果表明定轨精度是限制VSOP用于大地测量研究的主要障碍之一。因此，本文研究了可以对空间VLBI卫星精密定轨的几种技术和应用的可能性。根据卫星轨道的分类、大地测量和天体测量对空间VLBI卫星的要求，以及GNSS(GPS和GALILEO)卫星对空间VLBI卫星跟踪观测的几何条件而设计了我国空间VLBI卫星的六个轨道根数。研究了我国卫星测控网的现状，并开发了测控网对不同高度空间覆盖分析的程序;采用此程序仿真设计了测控不同高度地球卫星的测控网。以及采用此程序，设计了我国空间VLBI卫星的遥控跟踪网，研究了此网对我国空间VLBI卫星的跟踪效率，给出了分析结果。研究了全球SLR网络对我国空间VLBI卫星的跟踪观测效率，给出了分析结果。研究了我国空间VLBI卫星与地面VLBI网络联合观测射电源的观测量数量统计、分辨率大小和对射电源u-v图像覆盖的效果，给出了研究结果。研究了我国空间VLBI卫星轨道的摄动模型，给出了计算的摄动量级和应该考虑的摄动项。 对于设计的空间VLBI卫星轨道还需要进一步研究来说明该轨道中的空间VLBI系统在确定天体测量和大地测量参数时的精度水平和研究该卫星能否对大地测量和地球动力学的潜在应用进行了改进。为此，我们针对已经分析的可估计性大地测量参数和利用对可估计参数推导出简化模型（Kulkarni1992）。研究了空间VLBI观测量对一些主要的系统影响包括大气折射、太阳光压和相对论效应的灵敏度。模拟地面-空间的时间延迟观测量，进行了平差计算的模拟研究。模拟研究结果表明设计的卫星轨道中的我国空间VLBI将可以确定大地测量和地球动力学感兴趣的参数，而且比VSOP卫星更有优势。前提是只有将卫星轨道系统误差模型化到一个高等级的精度上（或能够高精度地独立跟踪卫星），以及对于测站坐标使用了从其它来源获得的精确的先验信息;而我们设计的卫星轨道正是从能够实现精密定轨出发的，而且目前可以从其它来源获得的精确的先验信息。定轨精度也说明了采用空间VLBI观测可以对载有空间VLBI天线的卫星或探测器精密定轨。最后，简述了本文研究的结论和该领域更进一步工作的建议。 本文的研究工作对于应用于大地测量的卫星轨道提供了设计方法，对于选择适合于大地测量研究的空间VLBI卫星和空间大地测量方法研究具有重要的意义。

目录

声明

摘要

第1章绪论

§1．1 引言

§1．2 空间VLBI试验和项目

1．2．1空间VLBI卫星计划项目

1．2．2用于大地测量研究的空间VLBI实验和计划

§1．3 空间VLBI的研究现状

1．3．1理论研究

1．3．2试验分析

1．3．3软件成果

§1．4 选题的意义

1．4．1空间VLBI对天文学研究的意义

1．4．2空间VLBI对大地测量研究的意义

1．4．3空间VLBI对深空探测和深空大地测量的意义

§1．5 本文研究范围

1．5．1研究目标

1．5．2研究内容和论文组织

第2章空间VLBI概论

§2．1 空间VLBI原理和构成

2．1．1原理和技术特点

2．1．2系统组成

§2．2 空间VLBI卫星的轨道跟踪技术

§2．3 空间VLBI所涉及的坐标系和时间系统

2．3．1坐标系

2．3．2天球与地球坐标系间的转换

2．3．3时间系统

§2．4 VLBI对射电源观测的U-V平面覆盖

§2．5 空间VLBI的观测量及有关估计参数

2．5．1空间VLBI观测量

2．5．2空间VLBI地面-空间观测模型及有关大地测量参数

§2．6 本章小结

第3章空间VLBI卫星设计及其精密定轨技术

§3．1 高灵敏度空间VLBI天线的设计方法

§3．2 空间VLBI卫星的技术要求和指标

3．2．1对科学数据传输率和射电观测频率带宽的要求

3．2．2空间VLBI卫星的观测数据向地面传送的方式和损失率限制

3．2．3地面和空间射电望远镜时钟频率精度及同步精度要求

§3．3 空间VLBI卫星设计的计划和特点

§3．4 空间VLBI卫星精密定轨的可行性研究

3．4．1 GPS系统用于卫星精密定轨的可行性

3．4．2 GALILEO系统用于空间VLBI卫星定轨的可行性

3．4．3激光测卫技术(SLR)对空间VLBI卫星精密定轨的可行性

3．4．4利用空间VLBI技术和SLR技术综合对我国空间VLBI卫星定轨

§3．5 本章小结

第4章空间VLBI地面部分的研究

§4．1 全球地面VLBI测站及分布

§4．2 卫星测控网概念和分类

4．2．1卫星遥控通讯跟踪网

4．2．2卫星轨道跟踪测控网

§4．3 测控网的工作区域覆盖

4．3．1测控网的工作区域覆盖

4．3．2测控站或卫星的工作区域的地面覆盖面积和投影方式

4．3．3测控站工作区的地面覆盖绘图软件

§4．4 我国卫星测控网的现状和面临的问题

4．4．1我国卫星测控网的现状

4．4．2中国卫星测控网的问题

§4．5 中国卫星测控网的仿真设计

§4．6 本章小结

第5章空间VLBI卫星轨道设计基础和主要工具

§5．1 引言

§5．2 人造卫星的轨道理论

5．2．1人卫轨道的基本理论

5．2．2卫星轨道分类和特点

5．2．3星下点轨迹的计算

5．2．4人卫轨道摄动模型

§5．3 空间VLBI卫星轨道设计的要求和基本步骤

5．3．1空间VLBI卫星轨道设计的主要考虑因素

5．3．2空间VLBI卫星轨道应满足的主要指标要求

5．3．3空间VLBI卫星轨道设计的基本步骤

§5．4 SVLBI卫星与测控网覆盖分析的主要工具软件

5．4．1 SPAS软件

5．4．2 STK软件

§5．5 本章小结

第6章我国空间VLBI卫星轨道和测控网设计

§6．1 卫星轨道的形状和大小的设计

6．1．1卫星轨道形状选择

6．1．2椭圆卫星轨道近地点高度的确定

6．1．3椭圆轨道远地点高度范围的初步选择

§6．2 椭圆轨道面进动角速度和星下点轨迹循环性的选择

§6．3 椭圆卫星轨道的近地点角距ω、升交点赤径Ω和平近点角M选择

6．3．2升交点赤径Ω

6．3．3平近点角M

§6．4 椭圆卫星轨道远地点高度的确定

6．4．1卫星的远地点高度在15000km的试验

6．4．2卫星远地点高度在20000km的试验

§6．5 椭圆卫星轨道方向和倾角的选择

6．5．1卫星轨道方向的选择

6．5．2空间VLBI卫星轨道倾角大小确定的要求条件

6．5．3利用星载GNSS系统对我国空间VLBI卫星定轨的效率来选择轨道倾角

6．5．4根据近地点角距ω的固定要求选择卫星轨道倾角

6．5．5不同空间VLBI卫星轨道倾角对地面VLBI网联合观测效率的影响

§6．6 我国空间VLBI卫星椭圆轨道参数总结及摄动量级考虑

6．6．1我国空间VLBI卫星椭圆轨道参数总结

6．6．2我国空间VLBI卫星椭圆轨道摄动量级考虑

§6．7 我国空间VLBI卫星遥控跟踪网设计及跟踪覆盖分析

6．7．1 VSOP项目中卫星跟踪网的覆盖效率

6．7．2我国空间VLBI卫星地面遥控跟踪网设计

6．7．3我国联合卫星跟踪网对空间VLBI卫星的覆盖分析

6．8．1 TEST-SVLBI卫星与全球地面VLBI站对全空间射电源可能的观测量统计

6．8．2 TEST-SVLBI与地面VLBI站对射电源的分辨率和u-v平面覆盖分析

§6．9 全球SLR观测网对我国空间VLBI卫星观测几何精度分析

§6．10本章小结

第7章空间VLBI观测可估计的大地测量参数及数学模型

7．1．1空间VLBI基本观测量

7．1．2空间VLBI基本观测量模型

§7．2 地面-到-空间时间延迟观测量的数学模型

7．2．1通用数学模型

7．2．2可估计性参数分析

7．2．3对可估参数的数学模型

7．2．4偏导数的推导

7．2．5估计性分析的结论

§7．3 本章小结

第8章大地测量参数的灵敏度分析

§8．1 引言

§8．2 对参数个数的灵敏度

8．2．1灵敏度分析的数学模型

8．2．2数字研究

8．2．3结果

§8．3 对系统误差的灵敏度

8．3．1太阳光压

8．3．2大气折射

8．3．3时钟误差

8．3．4相对论效应

8．3．5其他系统影响

§8．4 本章小结

第9章空间VLBI观测量模拟和平差计算

§9．1 模拟空间VLBI观测量的软件选择

§9．2 空间VLBI时间延迟观测量的模拟

9．2．1模拟的算法和步骤

9．2．2可观测性检查

9．2．3轨道产生

9．2．4添加偶然误差和系统误差

9．2．5观测量协方差矩阵的模拟

9．2．6参数先验协方差矩阵的模拟

§9．3 平差计算

9．3．1平差的数学模型

9．3．2平差运算法则

9．3．3结果和结论

§9．4 本章小节

第10章结论和建议

§10．1 本文的主要贡献和创新点

§10．2 结论

10．2．1适合大地测量研究的空间VLBI卫星系统初步研究结果

10．2．2高灵敏度空间VLBI天线的设计方法及其卫星的技术指标

10．2．3空间VLBI卫星精密定轨的可行性

10．2．4空间VLBI地面部分和覆盖估计研究结论

10．2．5我国空间VLBI卫星轨道和测控网设计和跟踪效率分析结论

10．2．6我国空间VLBI对射电源观测以及SLR对其观测的统计结论

10．2．7可估计的大地测量参数和灵敏度分析结论

10．2．8从模拟空间VLBI观测量和平差计算结果分析所得出的结论

§10．3对将来工作的建议

参考文献

攻读学位期间发表论文和参加的科研项目

致谢