摘 要：讨论了美国nasa深空网（dsn）对深空飞船所采用的同波束干涉（sbi）技术概念和测量原理，并介绍了这一技术的应用和发展情况。
关键词：深空网;测控技术；同波束干涉; 测量技术
same beam interferometry instrumentation technology of
american deep space network
li guo-qiang
(beijing institute of tracking and telecommunications technology,
beijing 100094, china)
ａｂｓｔｒａｃｔ：this paper discusses the concept and instrumentation principle of same beam interferometry (sbi) technology for deep space spacecraft by american deep space network(dsn), and describes the application and development of this technology.
ｋｅｙｗｏｒｄｓ： deep space network(dsn); tt&c technology; same beam interferometry (sbi);instrumentation technology
一、前言
美国nasa深空网（dsn）是针对执行月球、行星和行星际探测任务的飞船进行跟踪、导航与通信的地基全球分布测控网，可以提供双向通信链路，具有对飞船实施指挥控制和接收图像、遥测等科学数据等功能。深空网由在全球按间隔120°分布的3个深空通信测量综合设施组成，分别位于美国加州戈尔德斯顿、澳大利亚堪培拉和西班牙马德里，每处综合设施都有4～10个深空站，配备大口径抛物面天线（主要有70 m、34 m和26 m）、高灵敏度接收系统、信号处理中心和通信网络系统。
二、同波束干涉技术
同波束干涉（same beam interferometry，sbi）技术是指当两艘飞船在角度意义上非常接近时，它们可以在地面天线的同一波束内得到观测。使用两个深空网天线对两艘飞船同时观测，可以产生差分干涉测量，如图1所示，它可以提供在天平面上两航天器非常精确的相对角位置测量。在1991年8月，当时“麦哲伦号”和“先驱者12号”正处在金星轨道上，nasa对它们实现了sbi测量并验证了其在轨道确定中的作用。
从地球上看上去，通常两航天器之间的角度比航天器与射电星之间为10°的角度要小得多。由于许多测量误差与该角度的大小成比例，航天器-航天器的测量能够比传统的干涉测量更加精确。如果两个航天器位于同一天线的波束内，两个航天器的载波相位可被同时跟踪。这样使用载波相位而不是群时延（或延迟率），可以进一步提高测量精度。同波束干涉测量可能达到的精度比传统的航天器-射电星干涉要提高3倍。
两个在火星轨道上的航天器的弦对角从地球看过去是很小的。这个角度通常小于单个无线电天线的波束宽度，因而两个航天器可同时被一个地面站跟踪。同波束干涉（sbi）技术包括使用两座相距很远的天线，每个天线观测两个航天器，测量在天平面上两航天器的分离角。因此，sbi数据的信息内容是对传统多普勒数据提供的径向信息的补充。在联合轨道估计过程中，用sbi数据补充多普勒数据可以降低对引力模型误差的敏感度，并使轨道确定精度得到提高。sbi测量将取决于许多因素，如数据弧段的长度、数据的精度和加权、轨道几何与引力模型误差。美国nasa使用sbi测量技术确定火星着陆舱——漫游器的相对位置的精度在几米的量级。
三、测量原理与误差分析
对两个航天器的sbi测量如图1所示，两个地面站测量每个航天器随时间变化的载波信号相位，将两航天器间以及两地面站之间的被测相位做差分，就得到一个在天平面（沿基线投影方向）上两航天器间分离角的瞬时测量值。相关测量随同每个航天器的多普勒数据一起用于联合轨道估计过程中。在一次估计过程中使用所有的数据，通过数据中的动态信号将两个航天器的轨道与引力中心联系在一起。
sbi测量与差分单向距离测量（δdor）相似，因为后者是通过两个相距很远的地面站对两个源进行观测。δdor测量确定航天器的差分单向距离，并将其与一个角度上邻近的射电星的干涉延迟进行比较，来校准地面站时钟及其他共同模式误差。δdor测量在下行链路载波上调制单音信号来确定群时延，其精度是与覆盖带宽相对应的波长的几分之一。对于x波段（8.4 ghz）的δdor测量，40 mhz覆盖带宽对应的波长约为7.5 m。sbi测量的优点在于，两在轨航天器间分离角（1mrad的几分之一）比δdor测量的航天器-射电星分离角（典型为10°或约175 mrad）小得多。sbi测量所确定的相位延迟的精度为载波波长的几分之一，在x波段为3.6 cm。较小的分离角与使用相位延迟而不是群时延相结合，可以产生0.2 mm的理论sbi测量精度，而传统x波段δdor测量的精度是14 cm。
x波段sbi测量的误差预算假设太阳-地球-探测（sep）角为20°，航天器分离角δθ为100 μrad，地球与航天器的距离为1.4 au（天文单位，指日地距离），投影基线长
