[论文解读] 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 6

一句话总结

本文在PRIDE（行星射电干涉测量与多普勒实验）框架下制定了开环多普勒跟踪技术，证明了VLBI站的多普勒残差与NASA深空网（DSN）等专用深空跟踪设施的残差一致。研究证实，PRIDE的开环多普勒数据精度可与闭环系统相媲美，从而在无需专用操作的情况下，显著提升常规跟踪过境期间的射电科学应用能力。

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.

研究动机与目标

• 在PRIDE的开环跟踪模式下，制定观测到的和计算出的多普勒值。
• 评估在火星快车号火卫一飞掠期间，VLBI站开环多普勒数据的噪声预算与稳定性。
• 将PRIDE开环多普勒残差的精度与DSN和Estrack等闭环系统的精度进行比较。
• 展示PRIDE多普勒数据在行星射电科学中的科学潜力，特别是在闭环跟踪失效的情况下。
• 验证利用现有VLBI基础设施实现高精度多普勒跟踪的可行性，而无需专用跟踪模式。

提出的方法

• 观测到的多普勒值通过在VLBI式处理流程中对多个地面站信号进行相关后得到的残差频率推导得出。
• 计算出的多普勒值使用精确的星历表和航天器与地球运动的相对论模型生成。
• 通过分解热噪声、对流层延迟、波束溢出和天线仰角效应的贡献，分析噪声预算。
• 计算阿伦方差以量化多普勒测量的短期稳定性，尤其关注10秒积分时间下的表现。
• 数据处理流程包括开环信号捕获、载波相位跟踪以及在VLBI相关前提取残差频率。
• 对PRIDE的开环多普勒残差与DSN和Estrack站的闭环系统残差进行对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 PRIDE的开环多普勒数据能否实现与专用深空网络闭环数据相当的多普勒残差精度？
• RQ2 PRIDE开环多普勒测量中的主要噪声源是什么？它们如何随天线仰角和系统参数变化？
• RQ3 PRIDE站的信噪比（SNR）与DSN站相比如何，特别是在低仰角时？
• RQ4 在低信噪比场景（如行星掩星）中，大型孔径VLBI站（如64米萨丁尼亚站、100米埃费尔斯堡站）在多普勒测量中能多大程度上提升SNR和测量质量？
• RQ5 PRIDE的开环多普勒数据能否用于补充标准导航跟踪过境，以增强射电科学的科学回报？

主要发现

• 所有PRIDE VLBI站的多普勒残差中位数约为2 mHz，表明开环多普勒跟踪具有高精度。
• 对于性能最佳的站（Kp），其多普勒残差与DSN的DSS-63和DSS-14闭环站的残差相差不到1 mHz。
• 在10秒积分时间下，PRIDE站的热噪声导致的阿伦方差范围为0.46×10⁻¹⁴至1.60×10⁻¹⁴，与DSN的6.5×10⁻¹⁵相当。
• 在低仰角（<20°）时，对流层延迟和波束溢出噪声显著提高了系统温度，从而降低了信噪比，尽管天线尺寸较大。
• 尽管仅有四座VLBI站的阿伦方差与DSN相当，但热噪声并非整体噪声预算中的主导贡献因素。
• 通过EVN（欧洲甚长基线干涉测量网）使用大型孔径VLBI望远镜（如64米萨丁尼亚站、100米埃费尔斯堡站、305米阿雷西博望远镜）可显著提升低信噪比实验（如大气或环掩星）中的信噪比。