VLBI Application for Spacecraft Navigation

2005年のHAYABUSA
観測データについて
関戸衛（NICT)
VLBI技術による宇宙研究シンポジウム
第5回IVS技術開発センターシンポジウム
時： 2006年2月9ー10日
於： JAXA・宇宙科学研究本部
Usuda 64m
Mizusawa10m,20m
Tsukuba32m
Aira 10m
Kashima34m
Yamaguchi32m
Uchinoura 34m
Chichi 10m
Data Acquisition System：K5/VSSP
K5 VLBI System





Sampling rate:40k-16MHz
Quantization bit: 1-8bit
4ch/board
10MHz,1PPS inputs
Max rate: 64Mbps/board
2005年の観測
スイッチング
VLBI観測
8
7
局数
観測時間
12
10
8
5
4
6
DDOR
受信
3
2
1
0
2月17日
4
レプリカ信号
受信
4月8日
5月28日
2
7月17日
9月5日
0
10月25日 12月14日
観測時間
観測局数
6
レプリカデータの使用
f1
観測
データ
f0
Range
signal
レプリカ
データ
レプリカデータを使う上での問題
 利点
f1
f0
– SNR改善＝＞遅延精度向上
 問題点:
Range
signal
– 大きなレート残差
 考えられる原因:
– 遅延モデルの精度
– HYBSの局部発振器の安定度
f0
Replica data
Correlation Processing
2005年の観測
スイッチング
VLBI観測
8
7
局数
観測時間
12
10
8
5
4
DDOR
受信
3
2
1
0
2月17日
6
4
レプリカ信号
受信
4月8日
5月28日
2
7月17日
9月5日
0
10月25日 12月14日
観測時間
観測局数
6
相対VLBIによる群遅延補正の考え方
BS
 qso 
  clk   atm ( El)   ion   ins
c
BS
 qso, model 
c
 qso  qso, model   clk  atm (El)  ion  ins   B
 SC
BK

  clk   atm ( El )   ion   ins
c
 SC   qso   qso, model  
BK
  clk   atm ( El)   ion   ins   B 
c
Group delay: Delta-VLBI
May 30 2005
Spacecraft: HAYABUSA
0440+345: 14.6 deg. Away
Switching cycle:12 min.
June 28 - July 4 2005
Spacecraft: HAYABUSA
0440+345: 6 deg. Away
Switching cycle:8 min.
Kashima３４ｍ-Tsukuba32m
Quasor Delay ~±６０ｐｓ
4 July 2005
O-C
観測値ー理論値
Post-Fit Residual
フィッティング残差
Tsukuba３２ｍ－Mizusawa１０ｍ
Delay of HAYABUSA
Telemetory
Effective Bandwidth
１００ｋHz
Atm. and Clock
correction
Before and
After
Range
Effective Bandwidth
４５０ｋHz
Precision of Group Delay
   A SNR  EffectiveBandwidth
5/30～7/4のHYBS観測
Delay
precision
Target
2005年の観測
スイッチング
VLBI観測
8
7
局数
観測時間
12
10
8
5
4
DDOR
受信
3
2
1
0
2月17日
6
4
レプリカ信号
受信
4月8日
5月28日
2
7月17日
9月5日
0
10月25日 12月14日
観測時間
観測局数
6
Observable: Group Delay
DDOR signal
Effective Bandwidth
450kHz
Range signal
Effective Bandwidth
100kHz
Telemetry Signal
フィルタリング
によるSNR改善
2005年の観測
8
スイッチング
VLBI観測
イトカワと
ランデブー飛行
7
局数
観測時間
12
10
8
5
4
DDOR
受信
3
2
1
0
2月17日
6
4
レプリカ信号
受信
4月8日
5月28日
2
7月17日
9月5日
0
10月25日 12月14日
観測時間
観測局数
6
相対VLBIによる群遅延補正の考え方
BS
 qso 
  clk   atm ( El)   ion   ins
c
BS
 qso, model 
c
 qso  qso, model   clk  atm (El)  ion  ins   B
 SC
BK

  clk   atm ( El )   ion   ins
c
 SC   qso   qso, model  
BK
  clk   atm ( El)  2 ion   ins   B 
c
11月の観測の概要
観測日
11/4
11/12
11/19
11/25
参照天体
1352-104(3.3deg)
1430-178(3.3deg.)
1443-162(2.4deg.)
1443-162(5.5deg.)
1430-178(8.5deg.)
1514-241(6.8deg.)
1504-166(7.1deg.)
スイッチン
グサイクル
6分間
6分間
交互
6分間
交互
6分間
交互
観測時間
各174秒
各160秒
各160秒
各140秒
11月4日のハヤブサ観測
 観測局：臼田64m,内之浦３４m、鹿島34m、鹿島１１m、

つくば32m、父島10m
クエーサの遅延量補間曲線
つくば32m-父島１０ｍ
2ns
６０ｐｓ
推定値
赤経：1105 mas, 速度：0.14mas/day
赤緯：742 mas , 速度：0.012mas/day
クロックレート：つくば 6.e-14 s/s
：父島 -7.e-13 s/s
1mas@50km=0.8ps
1mas=1400m @ ２AU
11月12日のハヤブサ観測
 観測局：臼田64m,内之浦３４m、鹿島34m、鹿島１１m、

つくば32m
クエーサの遅延量補間曲線
鹿島３４－つくば３２
2ns
0.2ns
推定値
赤経：1318mas, 速度：0.14mas/day
赤緯：3430 mas , 速度：0.08mas/day
1mas=1400m @ ２AU
1mas@50km=0.8ps
11月19日のハヤブサ観測
 観測局：臼田64m、鹿島34m、鹿島１１m、つくば32m、

水沢２０m
クエーサの遅延量補間曲線
つくば３２-水沢20m
3ns
2ns
推定値
赤経：1321mas, 速度：0.01mas/day
赤緯：1594 mas , 速度：0.01mas/day
クロック:つくば：-4.3e-10s -3.4e-14 s/s
: 水沢：1,1e-8s
-3.4e-13 s/s
1mas@50km=0.8ps
1mas=1400m @ ２AU
11月25日のハヤブサ観測
 観測局：臼田64m,鹿島34m、鹿島１１m、つくば32m
クエーサの遅延量補間曲線
鹿島３４－つくば３２
1.2ns
0.6ns
推定値
赤経：161mas, 速度：0.39mas/day
赤緯：2382 mas , 速度：0.94mas/day
1mas@50km=0.8ps
1mas=1400m @ ２AU
なぜ、O-Cがゼロから発散するのか？






残差数ナノ秒
1ns@50km= 1.2秒角
クエーサ遅延の補間？
ΔsecZ ？
計算値（C)は確かか？
電離層遅延量X2は？
局内遅延？
位相接続は大丈夫？
大気の補正誤差？
クエーサの遅延量補間曲線
つくば32m-父島１０ｍ
2ns
 クエーサ遅延の補間曲線？
– 誤差＜0.1ns
６０ｐｓ
 ΔsecZ効果？
– 1514-241(6.8deg.)
– 1504-166(7.1deg.)
– 相互離角7.8deg.
– 誤差＜1ns
– 影響はあるが全てを説明す
るには不十分
鹿島３４－つくば３２
1.2ns
0.6ns
モデル計算値(C)は正確か？
 ISAS-NICTのモデル計算比較
•誤差＜10ps
使っているパラ
メータが不正確
である可能性は
残る
 電離層の遅延 X2は？
１TEC=>[email protected]
５０TEC=>0.7ns
 誤差＜1ns
影響はあるが全てを説明するには不十分
 位相接続確か？
– 閉合位相で確認しているので多分大丈夫
 局内遅延は？
– PCAL位相を見てみると
なぜ、O-Cがゼロから発散するのか？

クエーサ遅延の補間？
誤差<0.1ns

ΔsecZ効果？
誤差＜1ns

計算値（C)は確かか？
誤差＜10ps

電離層遅延量X2は？
誤差＜1ns
残差数ナノ秒

1ns@50km= 1.2秒角

局内遅延？
位相接続は大丈夫？
まとめ
 相対VLBIによる飛翔体のVLBI観測
 群遅延量を利用する試み～絶対遅延量を得やすい
– レプリカ信号を使った試み
 信号帯域幅の改善が重要
– 問題点：遅延精度の不足＜＝帯域幅＊SNR
 位相遅延を利用する試み～遅延計測精度は高い
– 軌道のよくわかったイトカワ付近の場合(11月の観測）
– 位相遅延を幾何学的遅延量として取り扱う上で、ま
だ未解決の誤差が乗っている。
位相遅延（相対VLBI) 処理手順
HYBSのデータ処理
観測データ
ラインスペクトル
相関処理
分解能1Hz
フリンジ位相
連続的
フリンジ位相
観測データ
予測遅延量計算
予測遅延量
位相接続
位相遅延量
＋
＋
クエーサのデータ処理
補正済み
位相遅延量
観測データ
相関処理８ｃｈ
バンド幅合成
群遅延量
＋
観測データ
予測遅延量計算
予測遅延量
－
－
補正量
（大気、クロック）

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