Matlab深空探测中多通道信号相位差的研究与校正(2)
3 多通道数据处理系统 13
3.1 带通信号采样 13
3.1.1 单路带通信号采样 13
3.1.2 多路带通信号采样 14
3.2 频移 14
3.3 滤波器的设计 16
3.4 DDS模块 17
4 相位差测量分析及校正 19
4.1 相位差测量 19
4.1.1 滤波器的相位特性 19
4.1.2 DDS的相位特性 20
4.2 相位差分析 22
4.3 相位差校正 24
5总结 28
致谢 29
参考文献 30
附录1 31
1 概述
1.1 背景和意义
甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)技术是上世纪吹冰十年代发展起来的高精度射电天文方法，它利用多架射电望远镜同时观测同一目标源，对接收到的信号进行干涉从而得到目标源的空间位置信息。该技术广泛地应用于天体物理、天体测量、空间大地测量等领域。由于其超高的空间角位置测量能力，VLBI技术也作为深空探测器的测量手段之一，与测速、测距一起为探测器提供测定轨结果。目前美国宇航局(NASA)和欧空局(ESA)都将VLBI技术作为常规测定轨手段之一。
在数据分析过程中，需要将采集到的数据经由不同的通道分别输出以观测不同频段的信息，在此过程中需要保持通道之间的相位一致性。本课题的研究内容主要为对该系统中不同通道输出信号间的相位差特性进行分析与研究，并根据研究结果对相位差进行合理校正以达到相位一致性的目的。
近年来我国的深空探测活动开展迅速，探月一期工程已顺利完成，二期和三期工程正在准备中，火星、金星等行星探测也在深入论证。在这些深空探测活动中VLBI分系统作为测控系统的重要组成部分之一，提供时延、时延率和测角数据，用来计算探测器的精密轨道。
在嫦娥一号(CE1)和嫦娥二号(CE2)工程中，卫星在S波段发射2个带宽约为0.8MHz的VLBI信标，由地面上海佘山25米、乌鲁木齐25米、昆明40米、北京50米四架射电望远镜接收该信号，将数据传送至上海天文台VLBI中心作处理，得到轨道和位置信息。在嫦娥一号各台站中采用模拟基带转换器（ABBC），其相频特性存在非线性，而且受到温度等因素变化的影响，可能发生变化，由此会引进系统误差及系统误差的变化。在CE2中采用了上海天文台自研的数字基带转换器（DBBC），相频特性比模拟BBC有很大的改善，提高了系统测量的精度。
目前国际上广泛采用Delta-DOR技术用于探测器的测定轨，它在约40MHz的带宽上发射几个频点(一般为5个)，可以在相对低的发射功率上达到高的测量精度。在CE2任务中试验了X波段的Delta-DOR技术，取得了较好的成果，后续的任务中将只采用这一测控体制。由于DBBC主要面向天文和测地的观测，一般接收的是宽带的连续谱信号，因此与Delta-DOR观测的需求有一定的差距，主要表现在：宽窄带切换观测系统时延的一致性；通道内相位的线性度；多通道时延和相位的一致性；窄带多比特的记录能力。
目前国际上Delta-DOR测定轨能力达到0.1 ns，我国在CE2试验时约为2 ns，离国际水平有一定的差距。我国目前的测量水平满足探月这样的近距离航天器的探测，但是对于后续的火星、金星等探测活动，VLBI测量精度需要大幅提高。制约我国VLBI测量精度的因素是多方面的，包括射电源的位置误差、观测站的坐标误差（地球定向参数、坐标系转换等）、传播介质（地球大气和电离层）的不确定性、观测系统校正的误差等。其中观测终端的性能严重影响着观测系统的校正能力，是目前的重要制约因素之一。因此研究深空型VLBI终端的关键技术对提高VLBI的测量能力有重要的意义。