[論文レビュー] Planetary Radio Interferometry and Doppler Experiment (PRIDE) Technique: a Test Case of the Mars Express Phobos Fly-by. 2. Doppler tracking: Formulation of observed and computed values, and noise budget

Tatiana Bocanegra-Bahamón, Guifre Molera Calvés+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2017

Planetary Science and Exploration参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、PRIDE（惑星ラジオインターフェロメトリおよびドップラー実験）フレームワーク内でのオープンループドップラー追跡技術を定式化し、VLBIステーションからのドップラー残差が、NASAのDSNのような専用深宇宙追跡施設のものと一致することを示している。研究は、PRIDEのオープンループドップラーデータが閉ループシステムと同等の精度に達することを確認しており、専用運用を要せず、通常の追跡パス中に高精度のラジオ科学応用を可能にする。

ABSTRACT

Context. Closed-loop Doppler data obtained by deep space tracking networks (e.g., NASA's DSN and ESA's Estrack) are routinely used for navigation and science applications. By "shadow tracking" the spacecraft signal, Earth-based radio telescopes involved in Planetary Radio Interferometry and Doppler Experiment (PRIDE) can provide open-loop Doppler tracking data when the dedicated deep space tracking facilities are operating in closed-loop mode only. Aims. We explain in detail the data processing pipeline, discuss the capabilities of the technique and its potential applications in planetary science. Methods. We provide the formulation of the observed and computed values of the Doppler data in PRIDE tracking of spacecraft, and demonstrate the quality of the results using as a test case an experiment with ESA's Mars Express spacecraft. Results. We find that the Doppler residuals and the corresponding noise budget of the open-loop Doppler detections obtained with the PRIDE stations are comparable to the closed-loop Doppler detections obtained with the dedicated deep space tracking facilities.

研究の動機と目的

• PRIDEのオープンループ追跡モードにおける観測ドップラー値と計算ドップラー値を定式化すること。
• マーズエクスプレスのフォボス飛行時におけるVLBIステーションのオープンループドップラーデータのノイズ予算と安定性を評価すること。
• PRIDEのオープンループドップラー残差が、DSN や Estrack の閉ループシステムと比較してどの程度の精度を持つのかを比較すること。
• 閉ループ追跡が失敗するような状況において、PRIDEドップラーデータの科学的潜在能力を実証すること。
• 既存のVLBIインfrastrutureを用いて、専用追跡モードを必要とせずに高精度ドップラー追跡が可能かどうかを検証すること。

提案手法

• 観測ドップラー値は、複数の地上ステーションからの信号をVLBI風の処理パイプラインで相関処理した後の残差周波数から導出される。
• 計算ドップラー値は、宇宙船および地球の運動の精密エフェマリスと相対論的モデルを用いて生成される。
• ノイズ予算は、熱雑音、対流圏遅延、スプライルオーバー、アーレンチの高度に起因する影響の寄与を分解することで分析される。
• 10秒積分時間における短期安定性を定量化するためにアラン分散が計算される。
• データ処理パイプラインには、オープンループ信号受信、キャリア位相追跡、VLBI相関処理前の残差周波数抽出が含まれる。
• PRIDEのオープンループドップラー残差と、閉ループDSNおよびEstrackステーションのものとの間で比較分析が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PRIDEのオープンループドップラーデータは、専用深宇宙ネットワークの閉ループデータと同等のドップラー残差精度に達することができるか？
• RQ2 PRIDEのオープンループドップラー測定における主なノイズ源は何か。また、アーレンチの高度やシステムパrameterに応じてどのように変化するか？
• RQ3 特に低高度での状況において、PRIDEステーションの信号対雑音比（SNR）はDSNステーションと比較してどの程度か？
• RQ4 大口径VLBI電波望遠鏡（例：64mサルディニア、100mエフェルスベルク）をEVNを介して使用することで、惑星食や環の食のような低SNR状況において、SNRと測定品質をどの程度向上できるか？
• RQ5 PRIDEのオープンループドップラーデータは、通常のナビゲーション追跡パスを補完し、ラジオ科学の成果を向上させるために使用可能か？

主な発見

• すべてのPRIDE VLBIステーションにおけるドップラー残差の中央値は約2 mHzであり、オープンループドップラー追跡の高精度を示している。
• 最も性能の優れたステーション（Kp）では、ドップラー残差の適合度がDSNのDSS-63およびDSS-14の閉ループステーションの残差と1 mHz以内に収まっていた。
• PRIDEステーションにおける熱雑音に起因するアラン分散は、10秒積分時間で1.60×10⁻¹⁴から0.46×10⁻¹⁴の範囲にあり、DSNの6.5×10⁻¹⁵と同等の水準であった。
• 低高度（<20°）では、対流圏遅延およびスプライルオーバー雑音がシステム温度を著しく上昇させ、大口径アンテナでもSNRが低下した。
• DSNと同等のアラン分散を示すVLBIステーションは4つにとどまったが、熱雑音は全体のノイズ予算において主要因ではなかった。
• EVNを介して大口径VLBI電波望遠鏡（例：64mサルディニア、100mエフェルスベルク、305mアレセイボ）を活用することで、大気や環の食のような低SNR実験においてSNRを顕著に向上させることができる。