[논문 리뷰] 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 Calvés외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 11.

Planetary Science and Exploration참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 PRIDE(행성간 라디오 간섭계 및 도플러 실험) 프레임워크 내에서 개방 루프 도플러 추적 기술을 수립하며, VLBI 지상국에서의 도플러 잔차가 나사의 DSN(항공우주원격탐사망원경)과 같은 전용 행성간 탐사 지상국의 결과와 일치함을 입증한다. 연구는 PRIDE의 개방 루프 도플러 데이터가 닫힌 루프 시스템과 동등한 정밀도를 달성함을 확인하여, 전용 운영을 필요로 하지 않고도 표준 추적 패스 동안 향상된 라디오 과학 응용이 가능하다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• PRIDE의 개방 루프 추적 모드에서 관측된 도플러 값과 계산된 도플러 값을 수립하기 위해.
• 마르스 익스프레스 포보스 우주선의 유도 비행 중 VLBI 지상국에서의 개방 루프 도플러 데이터의 노이즈 예산과 안정성을 평가하기 위해.
• PRIDE의 개방 루프 도플러 잔차가 DSN 및 Estrack와 같은 닫힌 루프 시스템의 결과와 정밀도를 비교하기 위해.
• 닫힌 루프 추적에 실패하는 상황에서도 PRIDE 도플러 데이터의 과학적 잠재력을 입증하기 위해.
• 기존 VLBI 인프라를 활용하여 전용 추적 모드 없이도 고정밀 도플러 추적을 수행할 수 있는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 관측된 도플러 값은 여러 지상국의 신호를 VLBI 방식의 처리 파이프라인에서 상호상관시킨 후 잔여 주파수에서 유도된다.
• 계산된 도플러 값은 정밀한 천체 이심도 및 우주선과 지구 운동의 상대론적 모델을 사용하여 생성된다.
• 노이즈 예산 분석은 열노이즈, 대류권 지연, 누설, 안테나 고도 영향 등의 기여도를 분해하여 수행된다.
• 단기 안정성을 정량화하기 위해 앨런 분산을 계산하며, 특히 10초 통합 시간에서의 결과를 중심으로 분석한다.
• 데이터 처리 파이프라인은 개방 루프 신호 수신, 캐리어 위상 추적, VLBI 상관 이전의 잔여 주파수 추출을 포함한다.
• PRIDE의 개방 루프 도플러 잔차와 닫힌 루프 DSN 및 Estrack 지상국의 결과 간 비교 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PRIDE의 개방 루프 도플러 데이터는 전용 행성간 네트워크의 닫힌 루프 데이터 수준의 도플러 잔차 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 PRIDE의 개방 루프 도플러 측정에서 지배적인 노이즈 원인은 무엇이며, 안테나 고도와 시스템 파arameter에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 특히 저고도에서 PRIDE 지상국의 신호 대 노이즈비(SNR)는 DSN 지상국과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 대규모 지름의 VLBI 천체망원경(예: 64m 사르디니아, 100m 에펠스베르크)이 행성 은하 또는 고리 은하현상과 같은 저SNR 실험에서 신호 대 노이즈비와 측정 품질을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 PRIDE의 개방 루프 도플러 데이터는 표준 항법 추적 패스를 보완하여 라디오 과학 성과를 향상시키는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 모든 PRIDE VLBI 지상국의 도플러 잔차 중앙값은 약 2 mHz였으며, 이는 개방 루프 도플러 추적의 높은 정밀도를 나타낸다.
• 가장 우수한 성능을 보인 지상국(Kp)의 도플러 잔차는 DSN의 DSS-63 및 DSS-14 닫힌 루프 지상국의 잔차와 1 mHz 이내로 일치하였다.
• PRIDE 지상국에서의 열노이즈로 인한 앨런 분산은 10초 통합 시간에 0.46×10⁻¹⁴에서 1.60×10⁻¹⁴ 사이였으며, DSN의 6.5×10⁻¹⁵와 유사한 수준이었다.
• 저고도(<20°)에서는 대류권 지연과 누설 노이즈가 시스템 온도를 크게 상승시켜, 대규모 안테나임에도 불구하고 신호 대 노이즈비(SNR)가 감소시켰다.
• 다른 DSN과 유사한 앨런 분산을 보인 VLBI 지상국이 네 곳 뿐이었음에도 불구하고, 열노이즈는 전체 노이즈 예산에서 지배적인 기여 요소는 아니었다.
• EVN(유럽 방사선 간섭계망)을 통해 대규모 지름의 VLBI 천체망원경(예: 64m 사르디니아, 100m 에펠스베르크, 305m 아레시보)을 활용하면, 대기 또는 고리 은하현상과 같은 저SNR 실험에서 신호 대 노이즈비를 크게 향상시킬 수 있다.