月周回衛星SMART-1のVLBI観測~相関処理結果および軌道推定結果〜
Fuyuhiko Kikuchi*, Qinghui Liu, Sander Goossens,
Koji Mastumoto, Jinsong Ping, Hong Xiaoyu, Yusup Aili,
Hideo Hanada, and Nobuyuki Kawano, RISE Group.

発表の概要
1. 背景
・VLBI観測および遅延時間推定の原理
・月探査計画SELENE(2007)への応用
・同一ビームVLBI観測による相対位相遅延推定
2. VRADシステム
・ 狭帯域VLBI記録システム
・相関処理ソフトウェア
3. 月周回衛星SMART-1のVLBI観測
4.月周回衛星SMART-1の軌道推定
5. まとめVLBI観測および遅延時間推定の原理
レンジ＆ドップラ観測 [従来の軌道決定手法]
観測量・・・ 視線方向 距離 距離変化率
視線方向

視線方向への衛星の位置変化に感度# v los &f doppler = "2k%() f$ c ' 0f0 ：送信周波数c ：光速

fd ：ドップラーシフト

k ：transponding ratio

視線垂直方向VLBI観測 （超長基線電波干渉計）[位置天文学]!

観測量・・・ 遅延時間

遅延時間Δτ

視線垂直方向への衛星の位置変化に感度

"# =

B$ Sc

S：電波源方向
B：基線“ドップラ観測” ＋ “VLBI観測” ⇒ 3次元での高精度位置決定が可能!

現在のVLBI観測手法 大気、電離層変動の除去
Switching VLBI 2機の衛星を交互に観測

大気、電離層変動

JPL/NASA衛星VLBI, 測地VLBI

誤差要因：スイッチング周期以下の変動
遅延時間精度・・・ 数10ps（位相誤差・・・数十度）
2 Beam VLBI 2つの電波源を同時に観測

大気、電離層変動

VERA、電波天文学

遅延時間精度・・・ 数ps（位相誤差・・・数度）
VERAの2beamシステムはSELENEの通信周波数（S/X帯）に非対応⇒ 位相遅延推定のためには新たな代わる高精度VLBI観測法が必要

月探査計画SELENE(2007)への応用
Rstar

VRAD Mission

Vstar

同一ビームVLBI観測による月周回2衛星の精密相対位置決定

2 4 0 0km

⇒ 高精度重力場推定800 km100 kmVERA20mアンテナ

月周回 2衛星の最大離角 0.9 度

X帯ビーム幅 0.1度

＞ 2衛星の離角 〜 S/X帯ともに同一ビームVLBI観測

S帯ビーム幅 0.37度＞ 2衛星の離角 〜S帯同一ビーム／X帯スイッチング観測

SELENEにおける同一ビームVLBI観測頻度の見積もり“2衛星を連続追尾できる期間”を一つのパスと定義⇒ 90%のパスで“最低数分／最長1時間”の同一ビーム観測が可能
パス中に最低数分間の同一ビーム観測 ⇒ パスすべてで位相遅延推定可能VRADシステム —狭帯域記録システム—【特徴】 狭帯域記録：100 kHz
測地・電波天文の広帯域システムに比べLNA⇒ 大幅なデータ量の削減
Frequency Down ConverterVideo Converter位相校正信号数10 kHz毎

1/20 以下 （例：4Mbps⇒200kbps）⇒ データ転送・処理解析時間の短縮
準実時間データ解析
宇宙飛翔体の追跡に必要不可欠

Low-pass Filter <90kHz【旧システムからの変更点】
Low sampling rate recording system[ S-RTP Lab Station ]Sampling: 200 kbps
A/D： 6 bits
4 channels

・ IF-Pcalの作成
・ LPFの仕様変更
・ データ記録方式の変更（ テープ記録 ⇒ HDD直接記録 ）⇒ 狭帯域記録システムの完成

VRADシステム —相関処理ソフトウェアの開発—
Reference Station Remote Station

y(t)

x(t)

Bit Shift

FFT

Fringe Stopping
Partial Bit Correction

相関処理を汎用PCで実行可能【旧システムからの変更点】① ソフトウェアの3倍 以上の高速化
高速FFTツールの導入、処理の簡略化② クラスター型“相関処理用”計算機の新規開発

FFT

X(f)

【特徴】

Y(f)Cross Correlation

Group delay & Phase delay Est.
Cluster PC for correlation
GEODYNⅡ⇒ VRAD計画で予定されている１週間分のデータ処理を22時間以内に完了（２衛星、4局6基線、4チャンネル、 24時間 ）VRADに有効なシステムを構築

VLBI Observation of Lunar Orbiter Smart-1•

背景および目的
9月3日に予定されている月周回衛星SMART-1の月面衝突前には近月点高度が100km以下となり、一部低高度軌道となる。この時期の軌道推定はSELENEの予行演習として有益である。観測の主目的は軌道推定である。SMART-1のデータのみによる重力場の推定は、データの質（頻繁な軌道制御）、量（短期間）の観点から困難であるが、SELENEやこれまでの月探査ミッションと併せた重力場の推定に有効なデータとなりうる。

•概要
通信用のS帯信号にはトーン信号が付随せず、群遅延推定は不可能である。したがって、遅延時間変化率（アンビギュイティありの位相遅延）を観測量とする。また、衛星の軌道面がface-on, edge-onの場合の軌道推定を行い、異なる条件下での軌道推定精度の比較を行う。（約1週間で軌道面は90度回転、軌道面により観測量の感度が異なる）

VLBI Observation of Lunar Orbiter Smart-1
Signal of Smart-1
Case 1.通信用のS帯信号 周波数＝2235.1 MHz
Case 2.通信用のS帯信号 ＋ トーン信号
Case 3. キャリア＋４つのトーン信号 （X帯、KaTE*）(* KaTEはSMART-1搭載のTT&C通信用機器。主搬送波の他に2MHzと16MHz離れたトーン信号があり、これらの信号を用いた群遅延推定が可能。

Observation SCHEJULE
1. 2006/05/30 9:00 -13:30 [UT] Obs.time 4.5hours
Station : MIZUSAWA10m,OGASAWARA [VERA]
2. 2006/08/03 20:00 -24:00 [UT] Obs.time 4.0 hours [KaTE]
Station : MIZUSAWA10m,OGASAWARA [VERA]
3. 2006/08/04 00:00 -08:00 [UT] Obs.time 8.0 hours [KaTE]
Station : MIZUSAWA10m,OGASAWARA [VERA]
4. 2006/08/22 20:00 -24:00 [UT] Obs.time 4.0 hours [ Face-on ]2006/08/23 00:00 -08:00 [UT] Obs.time 8.0 hours [ Face-on ]Station : MIZUSAWA10m,OGASAWARA [VERA]
5. 2006/08/30 03:00 -12:00 [UT] Obs.time 9.0 hours [ Edge-on ]Station : MIZUSAWA10m,OGASAWARA [VERA], URUMQI

URUMQI

4375kmMIZUSAWA
1985km3261km

OGASAWARASHANGHAI

7282kmSHANGHAI 25m
URUMQI 25m

WETTZELL

VRAD Network
This Observation

MIZUSAWA 20m (VERA)
OGASAWARA 20m [VERA]ISHIGAKI IRIKI

6300kmMIZUSAWA 10m

HOBARTResult of correlation

2006/05/30

Received Frequency

Fig. Local frequency is 2235.05 [MHz]Lunar occultation

Estimated phase delay

Fig. The phase delay with the ambiguity. (τ=⊿φ/(2*π*freq_RF)

Result of orbit determination by GEODYNⅡ①The difference of the initial state vector when using VLBI data only and Doppler only.
Stateadjustment

X [km]

Y [km]Z [km]Vx [m/s]Vy [m/s]Vz [m/s]

Doppler

-3.37

-0.99

-1.15

-0.12

-0.1

0.47

VLBI

6.68

32.68

48.09

-20.30

4.59-13.17

Result of orbit determination by GEODYNⅡ②The orbit differences during the overlapping part.
Doppler

VLBI

Residual of DOR after polynomial fitting

Residual of DOR after orbit determination
Overlapping part

Received Frequency

2006/08/22

Fig. Local frequency is 2235.05 [MHz]Result of correlation

Fig. The phase delay with the ambiguity. (τ=⊿φ/(2*π*freq_RF)

Received Frequency

Fig. Local frequency is 2235.05 [MHz]2006/08/30A

Lunar occultation

Result of correlation

Fig. The phase delay with the ambiguity. (τ=⊿φ/(2*π*freq_RF)

2006/08/30A

Closure phase

Received Frequency

Lunar occultation

2006/08/30B

Fig. Local frequency is 2235.05 [MHz]Result of correlation

Fig. The phase delay with the ambiguity. (τ=⊿φ/(2*π*freq_RF)

2006/08/30B
Closure phaseまとめ• 5/30, 8/3, 8/4, 8/22, 8/23, 8/30のデータ正常記録時の相関処理にすべて成功。特に 8/22, 8/23のFace-on時、10時間以上フリンジ位相を連続検出•5/30観測分の軌道推定→ Residualは1cm以下であり、位相誤差とほぼ同様→ VLBIを観測量とした場合、ドップラを観測量とした場合に比べて・ オーバーラップ部分の位置差が大きい
・ 軌道推定前後での初期軌道要素の差が大きい
原因① 5/30は１基線のみのVLBI観測
原因② 観測量はアンビギュイティありの位相遅延今後• クロックオフセット、局内遅延の推定（QSOの相関処理）• 8/3, 8/4, 8/22, 8/30の軌道推定• Face-on, Edge-onの場合の軌道推定精度の比較