月探査機seleneの2衛星による 同一ビーム相 …1 月探査機seleneの2衛星による...
TRANSCRIPT
1
月探査機SELENEの2衛星による同一ビーム相対VLBI観測技術Same-Beam Differential VLBI Technology
Using Two Satellites of SELENE
国立天文台 水沢観測所
劉 慶 会、松本 晃治、菊池 冬彦、平 勁松、
浅利 一善、花田 英夫、河野 宣之、Rise Group
LIU Qinghui
(VERA観測所)
IEICE投稿論文(16Page)
遅延時間τg=Bsinα/c
α
Correlater
X Y
Delay tim
e τg
Radio source
VLBIの原理
B
τg=相関位相絶対値/周波数
8200 8300 8400 8500 8600
0
10
20
30
40
2100 2200 2300 2400 2500
0
10
20
30
40 通常VLBI
XバンドSバンド
Phas
e
Freq (MHz) Freq (MHz)
SELENE
Sバンド
Freq (MHz)
Phas
e
位相決定精度10度の場合
群遅延時間τgの決定精度 10/360/360M=80ps
位相決定精度10度の場合
位相遅延時間τgの決定精度 10/360/8456M=3ps1
必要な位相決定精度S帯: 4.3度X帯: 数10度
2πの不確定2200 2220 2240 2260 2280 2300
2200
2220
2240
2260
2280
2300
0 2000 4000 6000 80000
2000
4000
6000
8000
バンド幅合成
τg=Δ位相/Δ周波数
S帯3波
X帯1波
2
・衛星電波周波数の変動(空間的、時間的)
・電離層(静的、動的)
・大気(静的、動的)
・観測装置の熱雑音
・観測装置の位相変動、局内遅延の変動
2
Correlation processing
大気
H-M
aser
PLO~PLO~
H-M
aser
PLO~PLO~
相関位相への影響要因
電離層
Sバンドの4.3度の位相決定は容易ではない
100km
800km
Moon
3476km
2400km
Atmosphere
Ionosphere
Rstar
Vstar
correlator
Switching相対VLBI観測
RstarとVstarからの電波を多周波
Switching相対VLBI観測
電離層、大気、局内遅延等の共通部分の影響を低減する
3
Y. Kono, H. Hanada, J. Ping, Y. Koyama, Y. Fukuzaki, and N. Kawano, ``Precise positioning of spacecraft by multi-frequency VLBI", Earth Planets Space, vol.55, pp.581-589, 2003.
電離層、大気、局内遅延等の共通部分の影響の低減方法
RstarとVstarを交互に観測相関位相差φR(t )- φV(t )
興味がある方
3
0 1 2 3
- 8
- 4
0
4
8
大気位相の時間変化
4
0 1 2 3
- 8
- 4
0
4
8
0 1 2 3
- 8
- 4
0
4
8
0 1 2 3
- 8
- 4
0
4
8
0 1 2 3
- 8
- 4
0
4
8
Heavily rainyrainy
clear (night)
cloudy
clear (day)
-8
0
8
-8
0
8
0 1 2 3 Time (hour)
Phas
e (
rad)
受信周波数 19.45GHz
Q. Liu, M. Nishio, K. Yamamura, T. Miyazaki, M. Hirata, T. Suzuyama, S. Kuji, K. Iwadate, O. Kameya, and N. Kawano, ``Statistical characteristics of atmospheric phase fluctuations observed by a VLBI system using a beacon wave from a geostationary satellite", IEEE Trans., Antenna and Propa., vol.53, no.4, pp.1519-1527, April 2005.
Switching相対VLBI観測により(同時ではない)
Sバンドの4.3度の位相差φR(t )- φV(t )決定は出来ない場合がしばしばある。
例えば, 大気、電離層の変動は激しい時
φR(t )
φV(t ) Switching VLBI
興味がある方
同一ビーム相対VLBI観測(新提案)
電離層、大気、局内遅延等の影響がほぼ完全に相殺できる
5
100km
800km
Moon
3476km
2400km
Atmosphere
Ionosphere
Rstar
Vstar
correlatorアンテナビーム
同一ビーム相対VLBIRstarとVstar
同時に観測離角が小さい
Rstar周回周期 4時間Vstar周回周期 2.5時間
同一軌道面、同じ方向軌道傾斜角 90度
けいしゃ
φR(t )
φV(t )
φR(t )- φV(t )
4
SELENEのVLBI 観測局
Mizusawa
OgasawaraIshigaki
Urumqi
Hobart
6300km
Shanghai Iriki VERA
6VERA水沢局20m
VERA石垣島局
20m 10m
ウルムチ
K4
Mark4、5
Wetzel局
同一ビーム相対VLBI観測の可能な時間の割合の検討1
0
20
40
60
80
8.4 8.6 8.8 9 9.2 9.4
7
0
20
40
60
80
8.4 8.6 8.8 9 9.2 9.4
- 3 0
- 2 0
- 1 0
0
1 0
2 0
3 0
8 . 4 8 . 6 8 . 8 9 9 . 2 9 . 4
Elevation of Vstar
Elevation of Rstar
Difference in Doppler frequency between Vstar and Rstar
EL (d
eg)
EL (d
eg)
Δfr
eque
ncy
(kH
z)
8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4Time (month)
同一ビーム相対VLBI観測の可能な時間の割合の検討1VstarとRstarの仰角の変化,ドップラー周波数の差の変化(水沢局)
1ケ月に
月に掩蔽無く連続観測期間
Vstar 10日Rstar 13日
えんぺい
5
1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4- 0 . 8
- 0 . 6
- 0 . 4
- 0 . 2
0 . 0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4- 0 . 8
- 0 . 6
- 0 . 4
- 0 . 2
0 . 0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 812 14 16 18 20 22 24
-10
-5
0
5
10
4 6 8 1 0 1 2 1 4- 1 . 0
- 0 . 8
- 0 . 6
- 0 . 4
- 0 . 2
0 . 0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
4 6 8 1 0 1 2 1 4- 1 . 0
- 0 . 8
- 0 . 6
- 0 . 4
- 0 . 2
0 . 0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
4 6 8 1 0 1 2 1 4- 1 . 0
- 0 . 8
- 0 . 6
- 0 . 4
- 0 . 2
0 . 0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
4 6 8 1 0 1 2 1 4- 1 . 0
- 0 . 8
- 0 . 6
- 0 . 4
- 0 . 2
0 . 0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
Ishigaki
Mizusawa
ΔEL
(de
g)Δ
AZ
(deg
)
Ishigaki
Mizusawa
Time (h)4 6 8 10 12 14
1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4- 1 . 6
- 1 . 2
- 0 . 8
- 0 . 4
0 . 0
0 . 4
0 . 8
1 . 2
1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4- 1 . 6
- 1 . 2
- 0 . 8
- 0 . 4
0 . 0
0 . 4
0 . 8
1 . 2Δ
EL (
deg)
ΔA
Z (d
eg)
Ishigaki
Mizusawa
Ishigaki
Mizusawa
Time (h)12 14 16 18 22 2420
Ishigaki
MizusawaΔfr
eq.
(kH
z) (a) Difference in Doppler frequency
(b) Difference in Elevation angle
(c) Difference in Azimuth angle
(d) Difference in Elevation angle
(e) Difference in Azimuth angle
10
-10
0
同一ビーム
同一ビーム
同一ビーム
同一ビーム
同一ビームで可能な観測期間
連続観測日 数回連続観測できない日
全パスの半分以上
数十分から数時間
2πの不確定の除去には十分
8
水沢局、石垣島局の場合,VstarとRstarのドップラー周波数, 仰角、方位角の差
連続観測日
連続観測できない日
位相の接続により全観測時間帯に2πの不確定の解決ができる!
2π除去期間 位相繋ぎ期間
9
2衛星の遅延時間差の決定の原理と条件RstarとVstarの相関
位相差φR(t )- φV(t ) 波の個数 電離層 位相誤差
s1: 2212, s2: 2218, s3: 2287, x: 8456 MHz
1.
2.
3.
4.
決定手順 決定条件
<83 ns
<4.3 deg
<0.23 TECU<59 ps<45.6 deg
6MHz
75MHz
2212MHz
8456MHz
Eq.1
Eq.2
Eq.3
Eq.4
6
10
F. Kikuchi, Y. Kono, M. Yoshikawa, M. Sekido, M. Ohnishi, Y. Murata, J. Ping, Q. Liu, K. Matsumoto, K. Asari, S. Tsuruta, H. Hanada, and N. Kawano, ``VLBI observations of narrow bandwidth signals from thespacecraft", Earth Planets Space, vol.56, pp.1041-1047, 2004.
有限距離遅延時間モデル
0 20 40 60 80 100
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000数10Hz帯域
の信号だけを利用
相関処理ソフト
興味がある方
P-cal間隔1M
LPF <100kHz
VideoConverter
SRTP 200 kHz、6 bit
LO2
ch1 ch2 ch3 ch4
I F I F
Back endK4、Mark4,5
X-band
coupler
Front end低温/常温LNA
LO1
8.18-8.6 G
8.08 G100-520M
S-band
coupler
LO1
2.2-2.32 G
2.02 G
0-2MHz
100-512MHz
0-100 kHz
5M
10 M10 M
10M
10 M
couplercoupler
IF P-cal
100-520 M
100-520 M
数10k間隔でPulsesを発生
LNA LNA
観測システムの構成
1pps
10M
11
Urumqi低温LNA
VERA常温LNA
SRTP, LPF, IF Pcal
LNA
LNA
7
考えられる全ての要因の影響の検討
・観測装置の位相変動、局内遅延の変動
・電離層
・大気
・観測装置の熱雑音
・受信アンテナの位相特性
・送信アンテナの位相特性(受信周波数の空間的変動)
12
Correlation processing
大気
H-M
aser
PLO~PLO~
H-M
aser
PLO~PLO~
電離層
同一ビームVLBIにより決定条件Eq.1、Eq.2、Eq.3、Eq.4
に満足できる?
0 20 40 60 80 100-180
-120
-60
0
Y =-0.3296-1.68644 X
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討1—受信システ
ムの影響の検討
13
LPFの帯域は100kHzで、SELENEのVLBIシステムに一番狭い.全システムの位相周波数特性は主にLPFの特性により決められる。(VC:2MHz, FrontEnd:数100MHz)
Rstar
Vstar
0 20 40 60 80 100-180
-120
-60
0
Y =-0.4071-1.6890 X
0 20 40 60 80 100-180
-120
-60
0
Y =-0.454-1.68627 X
0 20 40 60 80 100-180
-120
-60
0
Y =-0.3696-1.6845 X
(a) LPF2-1
(c) LPF2-3
(b) LPF2-2
(d) LPF2-4
Frequency (kHz) Frequency (kHz)
Phas
e (d
eg)
Phas
e (d
eg)
Bessel型LPF位相周波数特性:
ほぼ直線、器差も小
8
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討1—受信システムの影響の検討
14
0 20 40 60 80 100-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0 20 40 60 80 100-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 20 40 60 80 100-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 20 40 60 80 100-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
(a) LPF2-1
(c) LPF2-3
(b) LPF2-2
(d) LPF2-4
Frequency (kHz) Frequency (kHz)
Phas
e (d
eg)
Phas
e (d
eg)
全帯域 0--100kHz位相 ±0.5deg
同一ビーム 5kHz位相 0.1deg
直線で近似した成分を引いた後のLPFの位相誤差
0 20 40 60 80 100
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
IF Pcal
Rstar Vstar
位相差φR(t )- φV(t )への影響
Rstar Vstar
同一ビーム
0 20 40 60 80 100-2
-1
0
1
2
15
Backendにおける2チャネル間の位相差周波数特性: ±2deg
ch1-ch2
(b) ch1-ch3 (c) ch1-ch4
LSB
Frequency (kHz)
Phas
e (d
eg)
Phas
e (d
eg)
LSB LSB
0 20 40 60 80 100-2
-1
0
1
2
0 20 40 60 80 100-2
-1
0
1
2
(d) ch1-ch2 (e) ch1-ch3 (f) ch1-ch4
USB
Frequency (kHz)
USB USB
0 20 40 60 80 100
-2
-1
0
1
2
0 20 40 60 80 100-2
-1
0
1
2
0 20 40 60 80 100-2
-1
0
1
2
全帯域0--100kHz 位相±2deg; 同一ビーム 5kHz 位相1deg以下
Frequency (kHz)
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討1—受信システムの影響の検討
位相差φR(t )- φV(t )への影響
Rstar Vstar
同一ビーム
9
9 1 0 1 1 1 2 1 3
- 1 0
- 5
0
5
1 0
16
0 1 2 30.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Frequency (Hz)
Phas
e (d
eg)
Time (h)
Cor
rela
tion
phas
e (d
eg)
10
-10
0
0 1 2 3 4Nov. 15, 2004
Correlation phase fluctuation (S帯、水沢10m、20m)
スピン周波数と高調波成分、 搭載アンテナの位相特性の不均一とスピンに起因する
26 mの短基線の相
関位相変動とスペクトル(積分時間0.16秒)
積分時間 位相変動
0.16秒 1.7度RMS60秒 0.7度RMS
Q. Liu, S. Tsuruta, K. Asari, J. Ping, F. kikuchi, K. Matumoto, and N. Kawano, ``New method of measuring phase characteristics of antenna using Doppler frequency measurement technique", IEEE Trans., Antenna and Propa., vol.52, no.12, pp.3312-3318, Dec. 2004.
0.24
5Hz
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討1—受信システムの影響の検討
位相差φR(t )- φV(t )への影響
興味がある方
17
0 1 2 3 4- 0 . 1
0 . 0
0 . 1
0 1 2 3 4
- 0 . 2
- 0 . 1
0 . 0
0 . 1
0 . 2
0 1 2 3 4
0 . 6
0 . 8
1 . 0
0 1 2 3 4
0 . 6
0 . 8
1 . 0
0 1 2 3 4- 2 0
- 1 0
0
1 0
2 0
(c) 20 m antenna
Phas
e (d
eg)
Rel
ativ
e am
p. (d) 10 m antenna
(e) Correlation phase fluctuation (X帯、水沢10m、20m)
Rel
ativ
e am
p.
Time (h)0 1 2 3 4
20
-20
010
-10
1.0
0.6
0.8
1.0
0.6
0.8
EL O
ffse
t (de
g)A
Z O
ffse
t
(a) Elevation offset
(b) Azimuth offset0.2
-0.2
0
0.1
-0.1
0
June 19, 2005
0 . 9 9 9 0 1 . 0 3 2 3 1 . 0 6 5 6 1 . 0 9 8 9 1 . 1 3 2 2 1 . 1 6 5 5 1 . 1 9 8 80 . 5
0 . 6
0 . 7
0 . 8
0 . 9
1 . 0
同一ビーム観測時の2衛星の遅
延時間差と相関位相の変動の検討2--受信アンテナのビーム
内の位相特性の不均一の影響の検討
衛星GeotailのX帯の電波を受
信する時に、仰角と方位角方向の追尾誤差、水沢局の10mと20mアンテナで受信した信号の
振幅変動と相関位相変動
120秒0 . 9 9 9 0 1 . 0 3 2 3 1 . 0 6 5 6 1 . 0 9 8 9
- 0 . 0 6
0 . 0 0
0 . 0 6
0 . 9 9 9 0 1 . 0 3 2 3 1 . 0 6 5 6 1 . 0 9 8 9 1 . 1 3 2 2 1 . 1 6 5 5 1 . 1 9 8 8
0 . 5
0 . 6
0 . 7
0 . 8
0 . 9
1 . 0
アンテナビーム
RstarVstar
10
18
0.00000 0.01667 0.03334 0.05001 0.066680.0
0.5
1.0
0.00000 0.01667 0.03334 0.05001 0.066680.0
0.5
1.0
0.00000 0.01667 0.03334 0.05001 0.066680.0
0.5
1.0
1E-3 0.01 0.1 11E-3
0.01
0.1
1
Rel
ativ
e am
p.
20 m antenna 10 m antenna
Frequency (Hz)
Phas
e (d
eg)
Frequency (Hz)
Correlation phase fluctuation
Correlation phase
120 s
120 s
120 s June 19, 2005
水沢局の10mと20mアンテナで
受信した信号の振幅変動と位相変動のスペクトル
衛星信号
追尾誤差
X帯の場合、アンテナの
ビーム内の位相特性不均一による位相変動は0.6度
衛星信号
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討2--
受信アンテナのビーム内の位相特性の不均一の影響の検討
位相差φR(t )- φV(t )への影響
アンテナビーム
RstarVstar
位相0.6度
19
0.01 0.1 1
1E-3
0.01
0.1
1
Frequency (Hz)
Phas
e (d
eg)
Nov. 15, 2004
26 mの短基線の相関
位相変動とスペクトル(積分時間0.16秒)
S帯の場合、追尾誤差と
アンテナの位相特性の不均一による位相変動は0.1度
0 1 2 3 4- 0 . 2
0 . 0
0 . 2
0 1 2 3 4- 0 . 4
0 . 0
0 . 4
3 . 0 3 . 1
0 . 0
9 1 0 1 1 1 2 1 3
- 1 0
- 5
0
5
1 0
Time (h)
Cor
rela
tion
phas
e (d
eg)
0.2
-0.2
0
0.4
-0.4
0
10
-10
0
0 1 2 3 4
EL O
ffse
t (de
g)A
Z O
ffse
t (de
g)
Nov. 15, 2004
(a) Elevation offset
(b) Azimuth offset
Correlation phase fluctuation (水沢10m、20m)
120秒
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討2--
受信アンテナのビーム内の位相特性の不均一の影響の検討
位相差φR(t )- φV(t )への影響
120秒
位相0.1度
11
20
20 40 60 800
1
2
3
4
5
6
Elevation (deg)
Del
ay
(ps)
ΔD
s( 0
.01
TEC
U)
1
2
3
4
5
6
ΔDs
Delay
0 100 200 300 4000.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0 100 200 3000
200
400
600
800
1000
Cor
rela
tion
phas
e (d
eg)
総電
子数
TEC
U
(b) TECU
Time (s)
Nov.16, 2004Geotail
X-band
S-band
電離層影響の検討同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討3
電離層のSLM Model
遅延時間
天頂方向の総電子数
高度地球半径
Dの推定精度2TECU、仰角ΔEL=0.2度の場合、2つの経路における遅延時間差
5ps、総電子数の差ΔDs<0.02TECU
Ds
Dsの推定精度 <0.1TECU
視線方向の総電子数
平均値(静的成分)
変動量
S帯位相 X帯位相
20 40 60 800
1
2
3
4
21
Elevation (deg)
Del
ay
(ps)
Frozen screen model
0.01 0.1 1
1E-3
0.01
0.1
1
Frequency (Hz)
Phas
e (d
eg)
Nov. 15, 2004
9 1 0 1 1 1 2 1 3
- 1 0
- 5
0
5
1 0
Time (h)
Cor
rela
tion
phas
e (d
eg)
10
-10
0
0 1 2 3
26m基線(積分時間0.16秒)位相変動
大気影響の検討同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討4
地面
5km0.2度
17m
大気の推定誤差33ps、ΔEL=0.2度の場合、2つの経路における遅延時間差 3ps以下
Herring-Niell Model
遅延時間 乾燥大気
水蒸気
a=0.00057, b=0.0015, c= 0.0467 @緯度30度
積分時間 位相変動
0.16秒 1.7度RMS60秒 0.7度RMS
平均値
位相差への影響
12
0 6 0 0 1 2 0 0 1 8 0 0
- 8 0
- 4 0
0
4 0
8 0
0 6 0 0 1 2 0 0 1 8 0 0
- 8 0
- 4 0
0
4 0
8 0
5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0
- 8 0
- 4 0
0
4 0
8 0
5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0
- 8 0
- 4 0
0
4 0
8 0
0 6 0 0 1 2 0 0 1 8 0 0
- 8 0
- 4 0
0
4 0
8 0
5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0
- 8 0
- 4 0
0
4 0
8 0
0 600 1200 1800 500 600520 540 560 580
0
80
-80
-40
40
0
80
-80
-40
40
0
80
-80
-40
40
Phas
e (d
eg)
Phas
e (d
eg)
Phas
e (d
eg)
Time (s) Time (s)
(a) Mizusawa-Shanghai 1895km
(b) Urumqi-Shanghai 3261km
(c) Mizusawa-Urumqi 4375km
(a’) Mizusawa-Shanghai
(b’) Urumqi-Shanghai
(c’) Mizusawa-Urumqi
22
長基線における相関位相変動 衛星GeotailのSバンド
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討5—送信アンテナの位相特性の不均一の影響の検討
基線長は長くなるほど相関位相変動は大きくなる
拡大図
(c’) Mizusawa-Urumqi
23
1 E - 3 0 . 0 1 0 . 10 . 1
1
1 0
1 0 0
1 E - 3 0 . 0 1 0 . 10 . 1
1
1 0
1 0 0
1 E - 3 0 . 0 1 0 . 10 . 1
1
1 0
1 0 0
0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 50
2 0
4 0
6 0
8 0
0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 50
2 0
4 0
6 0
8 0
0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 50
2 0
4 0
6 0
8 0
Phas
e (d
eg)
Phas
e (d
eg)
Frequency (Hz)
(a) Mizusawa-Shanghai 1895km
(b) Urumqi-Shanghai 3261km
(c) Mizusawa –Urumqi4375km
Phas
e (d
eg)
Phas
e (d
eg)
Frequency (Hz)
Phas
e (d
eg)
Phas
e (d
eg)
(a’) Mizusawa-Shanghai
(b’) Urumqi-Shanghai
衛星のスピンと搭載アンテナの位相特性の不均一に起因する。
長基線における相関位相揺らぎのスペクトル
大気揺らぎ、熱雑音に起因
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討5—送信アンテナの位相特性の不均一の影響の検討
13
X (deg)
Elev
atio
n (d
eg)
Y (deg)
90
0
10203040
50
607080
50-5
-10-15
10 15
5
0
-5-10
10
X (deg)
Elev
atio
n (d
eg)
Y (deg)
X (deg)
Elev
atio
n (d
eg)
Y (deg)
90
0
10203040
50
607080
50-5
-10-15
10 15
5
0
-5-10
10
24
衛星搭載アンテナの位相特性(Rstar用平面アンテナの実測結果)
水沢
10m 20m上海 ウルムチ
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討5—送信アンテナの位相特性の不均一の影響の検討
アンテナの位相特性の不均一による送信周波数の変化は2局に対して
異なる。(周波数の空間的変動)
基線長は長くなるほど相関位相変動は大きくなる原因
0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .50
2 0
4 0
6 0
8 0
0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .50
2 0
4 0
6 0
8 0
0 1 2 30.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1度以下
15度
60度基線 1895km
基線 4375km基線 26m
25
Kaiser窓を用いたFIR-LPFフィルタの開発
(SELENEのDoppler周波数にスピンと高調波除去のため)
( )2/)1(
2/)1(0)(
))1/(2(1
0
2
−≤⎪⎩
⎪⎨
⎧
−>
−−= Nk
NkI
NkIWk
,
αα
2
10 !
)2/(1)( ∑∞
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
n
n
nxxI
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000-0.00010
-0.00005
0.00000
0.00005
0.00010
出力Y(n)と入力X(n)の差
フィルタ次数N=601,α=12.42265
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000-60000
-40000
-20000
0
20000
40000
60000
80000 入力 X(n)(模擬データ)
周期3時間振幅50kHz+周期2時間振幅20kHz+0-0.05Hz帯域のの振幅が0.3Hz/fの20波
0 100 200 300 400 5001E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
Kaiser窓関数
送信アンテナの位相特性の不均一の影響の除去
Kaiser窓関数
0-0.05Hz帯域の重力情報の保持精度 0.00002Hz
Doppler成分
重力情報
Hz
Hz
重力情報保持精度の確認
14
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.01
0.1
1
10
100
26
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.01
0.1
1
10
100
Frequency (Hz) Frequency (Hz)
Phas
e (d
eg)
Before After
Mizusawa–UrumqiNov. 16, 2004
N=101
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討5
スピン成分
重力情報(0-0.05Hz)
0-0.05Hz帯域の重力情報は保持のままで、
スピン周波数成分を除去する。
送信アンテナの位相特性の不均一とスピンによる成分の除去
送信アンテナの位相特性の不均一の位相差φR(t )- φV(t )への影響 0.02度
27
同一ビーム観測時の2衛星の遅延時間差と相関位相の変動の検討6
積分時間100 s, 帯域が50 Hzの場合
S/N (dB) 相関位相変動(度)
S帯
X帯
19 19 0.7 0.7
Rstar Vstar Rstar Vstar
17 19 1.1 0.7
熱雑音による位相変動 遅延時間の予測値誤差Δτs
測距と2-way Dopplerで衛星追跡
精度200nrad (月面上で76mに相当)
基線長2000kmの場合 Δτs=1 ns
S帯とX帯の遅延時間差の差Δτxs
S帯とX帯搭載アンテナの20cmの位置ずれによる分 3.5 ps
電離層による成分 4.7 ps
計 0.0082 ns
2局の原子時計の時刻差と時刻レート差は相対VLBI観測により除去できる
観測局位置ずれ数cm、 無視
その他
15
28
Error Source Phase error Phase error
[[σs]] deg [[σx]] deg
Receiver 1 1
Atmosphere 0.7 2.8
Receiving antenna 0.1 0.6
Thermal noise 0.7 0.7, 1.1
Transmitting antenna 0.02 0.02
Root sum square 1.4 3.3
ΔDs Δτs Δτxs [[σs]] [[σx]]
0.14TECU 1ns 0.0082ns 2deg 4.7deg
2πの不確定性の除去条件に満足
Condition Eq.(1) Eq.(2) Eq.(3)Eq.(4)
Available 0.01 0.1 0.4 0.42
Required 0.5 0.5 0.5 0.5
まとめ
SELENEの同一ビームVLBI観測の場合, S帯とX帯の相関位相差の決定誤差
同一ビーム相対VLBIにより2πの不確定性を解決
遅延時間差の決定精度は数psで、2つの衛星の相対位置は数10cm
で決定できる.
最終の決定誤差
IF PcalVideo
Converter
LO2
ch1ch2
SG
coupler
SRT
P
LO2のPhase Lockのon,offにより相関位相にJumpが出る
IF Pcal導入することで位相を
つなぐことができる
29
LO2周波数の変化による相関位相変化K4 VC
LO2
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 03 0 .4
3 0 .5
3 0 .6
3 0 .7
3 0 .8
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0- 4
- 2
0
2
4
(a) LO2 frequency (+199969.4 kHz)
(b) Correlation phase
Freq
. (kH
z)Ph
ase
(rad
)
Time (s)
IFpcal
SG
onoff
IFpcal
SG
onoff
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
0
5 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
1 5 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0
2 5 0 0 0 0
3 0 0 0 0 0
IF Pcal
Rstar中国Shuangxing
Vstar
16
Correlation Software [FX type]有限距離遅延時間モデル
• 有限距離の遅延時間モデル
地上局‐衛星間距離を光差方程式を解くことにより求める
Rsat(t-τref)
Rref(t)Rslv(t-τref+τslv)
τslv
τref
( )( )( ) ( )
δτ
τ +−−
=c
tttt refrefsc
ref
RR
( )( )( ) ( )( )( )
δτττ
τ ++−−−
=c
tttttt
slvrefslvrefscslv
)RR
( ) ( ) ( )ttt refslvg τττ −=
衛星‐Ref局間の伝播時間
衛星‐Slv局間の伝播時間
伝播時間差(τg)⇒遅延時間予測値
30