2007-2020中国探月工程VLBI测量数据集

陈中，郑为民，陈肖，薛岩松

1.中国科学院上海天文台，上海 200030

2.上海市空间导航与定位技术重点实验室，中国科学院上海天文台，上海 200030

3.中国科学院上海天文台射电天文重点实验室，南京 210033

4.国家基础学科公共科学数据中心，北京 100190

引 言

甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术是源自于20世纪60年代的一项重要射电天文技术，其利用分布距离遥远的多个射电望远镜同步观测，组合为一架虚拟的巨型综合孔径射电望远镜，是空间角分辨率最高的一种天文观测手段，在天体物理和天体测量科学研究方面发挥了重要的作用。该技术应用到空间探测器测量领域，可提供高精度的角位置及变化信息。

我国于2004年正式立项开展月球探测工程，按照“绕、落、回”三步走战略实施无人月球探测任务[1-2]。历经16年努力，先后完成了探月工程一期“嫦娥1号”（2007年）、探月工程二期“嫦娥2号”（2010年）和“嫦娥3号”（2013年）、探月工程三期“嫦娥5号”月地高速再入返回试验（2014年）和“嫦娥5号”（2020年）、以及“嫦娥4号”（中继星和探测器，2018年）共6次任务，最终按照预定计划，圆满完成了探月工程绕落回三步骤战略。

在我国开展探月工程项目中，对“嫦娥”系列月球探测器的高精度测轨和定位是确保任务完成的重要条件。测控系统采用S/X波段统一测控系统（Unified S-Band /X-Band，USB/UXB）+VLBI测角的测量体制实现协作测量。利用中国VLBI网（Chinese VLBI Network, CVN）开展月球探测器实时跟踪观测，探月工程测控系统VLBI测轨分系统，获得的VLBI高精度测量数据和定轨定位数据，对历次无人月球探测任务的圆满完成发挥了重要作用[3-5]。

VLBI测轨分系统主要任务和功能为指挥调度VLBI观测站开展对月球探测器的实时同步观测，并利用4站1中心广域网星型拓扑结构专线连接，实时发送宽带原始观测数据到VLBI中心，进行实时双路数据流并行干涉处理，获得VLBI时延和时延率数据。同时，VLBI中心综合利用VLBI测量数据与我国深空网测量获得的测距测速数据，对“嫦娥”系列月球探测器进行高精度轨道和位置的快速计算，并发送至北京航天飞行控制中心。

本文介绍了探月工程 VLBI测量数据资源情况、数据产品的组织与定义、产品的标准规范和共享使用规定等，为用户使用数据资源提供指引和参考。

1 数据采集和处理方法

中国VLBI网由5个射电望远镜观测站和1个VLBI中心组成：观测站包括上海天马站（65 m）、上海佘山站（25 m）、北京密云站（50 m）、云南昆明站（40 m）和新疆乌鲁木齐南山站（26 m）；VLBI中心为位于上海市松江区的VLBI深空探测指挥控制与数据处理中心[6]。5个观测站具有较好的东西和南北方向的基线分布，如图1所示。

VLBI观测站主要由大口径天线和VLBI终端等专用设备组成。天线负责汇聚无线电信号，天线上的S/X致冷接收机接收标校天体射电源信号和月球探测器VLBI信标信号，并将其低噪声放大和锁相变频到适合 VLBI数字化采集终端接口电平要求的中频信号。数字化终端将射电望远镜射频接收机输出的中频信号转换到基带，并以二进制的形式记录在磁介质上快递到数据处理中心，或者利用e-VLBI数据传输系统经高速广域通信网直接传送到VLBI中心进行后续的数据处理[7]。

VLBI中心收到观测站的原始观测数据后，采用FX型相关处理机进行处理。观测站的两路信号进入相关处理机后，首先按频率通道进行解码；然后根据预先计算的时延模型进行整数比特时延补偿；经过条纹旋转及快速傅里叶变换，信号从时域变换至频域，随后完成分数比特时延补偿；最终两路信号进行共轭相乘及累加积分，得到目标源的可见度函数[8]。软件相关处理机为采用高性能计算集群和并行计算技术实现的处理机，硬件相关处理机为基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）芯片实现的处理机，两者在VLBI中心数据处理流水线系统中互为备份关系。

经过软、硬件相关处理机输出的河外射电源和探测器观测数据的相关处理结果，分别再进行后处理，计算单通道、双通道或多通道总的群时延和时延率观测值及其误差。利用射电源数据和传播介质误差修正软件提供的误差修正值来标校测量系统，得到探测器时延和时延率测量结果[5]。

同波束VLBI，即利用射电望远镜的主波束同时观测角距很小的两个（或多个）探测器,通过相关处理后得到每个探测器信号的相关相位并在测站和探测器间进行两次差分，从而除去太阳等离子体、地球大气和电离层及观测装置内部时延的绝大部分影响, 得到高精度的差分时延观测量[9]。

联合定轨采用符合精度要求的力学模型，以 VLBI和测距测速数据为基础，利用这些含有误差的观测值和数学模型通过数学方法迭代或滤波计算得到探测器状态及有关参数（与轨道有关的一些几何和物理参数，比如系统差、光压系数、大气阻尼系数和经验性的摄动力等）的最佳估值[4]。

联合定位基于VLBI的时延、时延率数据以及USB/UXB测距测速数据，实现高精度探测器实时单点定位和准实时联合统计定位。在非轨道机动阶段，轨道根数通常是相对稳定的，通过对一段时间内所有测量数据的动力学轨道拟合和参数化定轨计算，进而获得高精度轨道参数。在轨道机动阶段，基于探测器与地面测站网的相对几何关系不受探测器具体的受力情况影响，综合 VLBI时延、时延率以及测距测速观测量数据实时解算探测器的位置和速度参数，进而获取6个瞬时轨道根数[10]。

传播介质误差修正配置项为各个数据处理单元提供精确的扣除无线电信标信号在穿过地球中性大气和电离层时产生的时延误差。中性大气时延修正可以通过模型和全球定位系统（Global Positioning System, GPS）观测数据计算天顶时延，然后采用映射函数投影到探测器观测方向，获取斜路径方向的中性大气时延量。在电离层时延消除方面，主要在观测网处理策略方面开展优化，采用中国区域GNSS网加密的处理策略，构建了全球电离层时延精修正模型[11]。

台站监管软件实时监视VLBI各观测站设备的工作参数和运行状态，包括天线、VLBI终端及原子钟、接收机等设备，并在上海VLBI中心实现对所属各观测站重要设备状态的可视化实时显示[3]。

运管数据通信负责对VLBI中心2路并行数据处理系统输出的最终数据结果进行遴选，然后把工程任务要求的数据产品经专用通信网络发送到北京航天飞行控制中心[3]。

VLBI测轨分系统观测数据处理流程如图2所示。

图2 VLBI测轨分系统工作流程示意图Figure 2 VLBI orbit determination subsystem workflow diagram

其中，观测纲要配置项负责制定观测站和数据处理所需的参数文件，e-VLBI实时宽带数据交换配置项负责多台站数据实时传输到VLBI中心并分发到2路并行的数据处理流水线，台站监管配置项负责远程监控 VLBI观测台站主要设备的各类状态信息并可视化呈现，运管数据通信配置项负责对北京中心总部之间的数据与指令双向交换。

2 数据样本描述

探月工程 VLBI测轨分系统向测控系统和北京中心提供的数据产品主要是时延、时延率和角位置。此处，主要针对观测纲要、软件相关处理机、后处理和定轨配置项输出的数据文件接口，依据为《VLBI测轨分系统接口说明》。

2.1 观测纲要数据文件

（1）观测纲要文件

观测纲要文件为ASCII格式文本文件，格式符合《VEX File Definition/Example》[12]。

文件名前缀由不超过6个的字符组成，全部用小写字符标识，符合vex文件定义；后缀为.vex。

（2）相关处理机运行控制参数文件

相关处理机工作（job）文件是VLBI相关处理机的输入文件，包含了干涉测量模型、相关处理参数等与所要处理的观测实验有关的所有必要参数。

job文件与观测纲要同名，但后缀为job，即＜观测纲要名＞_＜版本号＞.job的形式，全部为小写字符，例如：

＜观测纲要名＞_ver1.0.job：1.0版本，天文观测用；

＜观测纲要名＞_ver1.1.job：1.1版本，天文观测用；

＜观测纲要名＞_ver1.2.job：1.2版本，天文观测用；

＜观测纲要名＞_cvn1.0.job：1.0版本，CE-1、CE-2、CE-3任务用；

＜观测纲要名＞_cvn1.1.job：1.1版本，DOR试验任务用；

＜观测纲要名＞_cvn1.2.job：1.2版本，CE-5任务用。

文件格式说明：job文件为文本文件。文件的第一行定义文件的格式版本，例如：

Table_rev = 1.0;（1.0版本）；

Table_rev = 1.1;（1.1版本）；

Table_rev = 1.2;（1.2版本）。

第一行后面由不同内容的表组成，每个表的开始标志为“$＜表名＞”，单独占一行，例如$MASTER。

空行或“*”开头的行是注释行。同一行的不同参数之间以空格分开。

各表字段的简要说明如表1所示。

表1 观测纲要数据子集相关处理机运行控制参数文件表字段名含义说明Table 1 Schedule data subset correlator control parameter file table field name description

（3）观测纲要摘要文件

文件名定义为＜观测纲要名＞.sum，即观测纲要名加.sum后缀。

格式说明：前3行为文件头说明，从文件的第4行开始，每行的参数依次为：

①SCAN编号，4位整数；

②射电源名称，字符串，12个字符，左对齐；

③开始时间，年月日时分秒（UTC），格式为 “YYYY-MM-DD HH:MM:SS”；

④结束时间，年月日时分秒（UTC），格式为 “YYYY-MM-DD HH:MM:SS”；

⑤参加该SCAN的台站名称，字符串，通常不超过8个字符（国内一般4个站，佘山站和天马站二选一，以天马站为主，佘山站为天马站备份站），最大不超过20个字符（如果有其他国外站参加），每站占2个字符，“Sh”表示上海佘山站，“Bj”表示北京密云站，“Km”表示云南昆明站，“Ur”表示新疆乌鲁木齐南山站，“Tm”表示上海天马站。

列①～⑤之间采用空格分隔。

2.2 VLBI时延后处理数据文件

（1）探测器时延文件

文件命名规则为“d_”＋信号标识+“.dat”。文件连续存放。不同基线数据放在一个文件中。

信号标识码的定义：

① S1：试验器S1信号时延；

② S2：试验器S2信号时延；

③ X1：试验器X1信号时延；

④ X2：试验器X2信号时延；

⑤ X0：试验器X波段带宽综合时延。

时延文件为ASCII格式，每行包含一条测量数据，使用空格分隔数据内容，共包括15列内容，如表2所示。

表2 后处理数据子集探测器时延文件格式说明Table 2 Post-processing data subset prober delay file format description

（2）探测器时延率文件

文件命名规则为“r_”＋信号标识+“.dat”。文件连续存放。不同基线数据放在一个文件中。信号标识码的定义与时延文件一致。

时延率文件为ASCII格式，每行包含一条测量数据，使用空格分隔数据内容，共包括15列内容，如表3所示。

表3 后处理数据子集探测器时延率文件格式说明Table 3 Post-processing data subset prober delay rate file format description

列定义说明5分，两位整数6秒。D12.6 7 台站1的数字标识。基线参考台站。定义：1-佘山25米站，2-密云站，3-昆明站，4-乌鲁木齐站，5-天马65 m站8 台站2的数字标识。台站数字标识定义同上9 时延率观测值，单位：ps/s。D16.3。已包含设备修正和介质修正（11、12、13）10 时延率测量形式误差，单位：ps/s。D10.3 11 设备时延率修正，单位：ps/s。D16.3 12 电离层时延率修正，单位：ps/s。D10.3 13 中性大气时延率修正，单位：ps/s。D10.3 14 试验器残余时延率，单位：ps/s。D13.3 15 参考频率，单位：MHz。D8.2

3 数据质量控制和评估

探月工程VLBI测量数据的数据质量控制由各个数据处理软件配置项在程序中进行控制和记录。对于数值处于明显不合理的范围进行剔除，对于正常误差范围内的数据予以保留。在观测与处理过程中，各个配置项输出的数据产品还包括了数据日志信息，对数据的连续性、数据文件的完整性、数据断点和缺失等进行详细的记录，可作为数据使用时的参考依据。在运行管理配置项，还对正式输出的工程测量数据进行遴选，作为VLBI测轨分系统规范化的最终数据产品。数据质量控制由VLBI测轨分系统各软件配置项所制定的经分系统评审通过的软件工程化系列文档进行详细规定和约束。

对于VLBI测量数据精度的评估，采用对各个观测试验所采用的观测频段对应的时延、时延率、定轨和定位结果进行综合统计分析得到[13]。

4 数据价值

探月工程历次任务 VLBI测量数据是我国射电天文观测网服务于国家月球与深空探测重大专项过程中积累的独一无二的重要数据集。数据集是综合了多个类型的基础科学数据和航天工程测量数据的数据产品，其突出的特点是在探月工程中经过实际应用检验的可信数据集。历次“嫦娥”型号任务VLBI时延与时延率数据精度统计如表4所示。

表4 历次“嫦娥”型号任务VLBI时延与时延率数据精度统计Table 4 Data precision statistics of previous Chang’E mission VLBI dealy and dealy rate

型号任务 观测波段 时延（ns） 时延率CE-4ZJ S波段 1.2 1.1 CE-4 X波段 0.7 0.7 CE-5T1 X/S波段 1.4/3.4 0.7/1.1 CE-5 X波段 0.4 0.4

利用前期型号任务的数据集，为下一次月球与深空探测任务的可行性论证、关键设备研发和技术攻关、系统性能测试验证和联调联试及系统合练等顺利开展，奠定了坚实的数据资源基础。例如，在CE-4任务准备阶段中，使用了CE-2和CE-5T1的S波段测量数据；在CE-5任务准备阶段中，使用了CE-3和CE-5T1的X波段测量数据。有了这些历史测量数据集，为系统研发测试提供了极大的帮助，加快进度减少难度，并增强了VLBI系统的可靠性。

利用VLBI测量数据，为我国后续的无人月球探测工程、载人探月工程、包括火星采样返回、小行星探测、木星探测等行星探测工程、乃至太阳系边际探测工程等，提供第一手数据资料和研究基础。同时，利用 VLBI测量数据及其他探测数据，还可以开展月球重力场和太阳风与星际介质等行星科学研究，通过数据挖掘和利用，具有更广阔的潜在科研价值。

5 数据可用性声明

上海天文台VLBI中心同时也是国家基础学科公共科学数据中心“射电天文与深空探测数据库”（https://www.vlbi.csdb.cn/）的运行依托部门，负责系统运维和数据资源服务。用户可通过上海市空间导航与定位技术重点实验室，依据《探月工程VLBI测量数据管理办法》（2014）提出数据申请。

上海天文台科研处负责数据申请的审批和服务。射电天文与深空探测数据库服务平台提供本数据集数据资源的查询和检索服务。

致 谢

本文的完成得到了探月工程测控系统 VLBI测轨分系统的大力支持，以及国家基础学科公共科学数据中心的帮助，在此表示衷心的感谢。

数据作者分工职责

陈中（1979—），男，浙江省温岭市人，博士，高级工程师，研究方向为天文技术与方法。主要承担工作：射电天文与深空探测数据库的总体技术与运行考核，专题数据建设与用户服务等，本数据库的数据服务专员。

郑为民（1970—），男，浙江省杭州市人，博士，研究员，研究方向为天文技术与方法。主要承担工作：射电天文与深空探测数据库的项目负责人。

陈肖（1961—），女，上海市人，学士，正高级工程师，研究方向为计算机工程技术。主要承担工作：射电天文与深空探测数据库的体系平台。

薛岩松（1981—），男，黑龙江省虎林市人，博士，高级工程师，研究方向为地球科学与信息系统。主要承担工作：射电天文与深空探测数据库的开发与维护，本数据库技术服务专员。