VLBI observations of the Chang’E-3 lunar lander

Abstract

Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Konzept und der Analyse geodätischer VLBI-Beobachtungen des Chang’E-3-Mondlanders. VLBI ist eine hochpräzise Messtechnik, die in der Geodäsie, Astrometrie und bei Weltraumerkundungen weit verbreitet ist. In den letzten Jahren hat die Beobachtung künstlicher Quellen mit geodätischen VLBI immer mehr an Bedeutung gewonnen. Der aktuelle Stand der Technik befindet sich jedoch erst in der Anfangsphase einer vollständigen Etablierung. Mit der Entwicklung des VLBI Geodetic Observing System (VGOS) wird die Beobachtung künstlicher Quellen mit VLBI ein wichtiger Aspekt zukünftiger geodätischer VLBI-Aktivitäten sein. Folglich sind Forschung und Entwicklung in diesem Bereich in der Gemeinde erwünscht.<br /> Das Chang’E-3-Mondlandegerät ist mit einem X-Band-Sender ausgestattet, der die VLBI-Beobachtungen des Mondes von der Erde aus ermöglicht. In einem Projekt namens Öbserving the Chang’E-3 Lunar Lander mit VLBI (OCEL) wurde der Mondlander mit globalen VLBI-Radioteleskopen des Internationalen VLBI-Dienstes für Geodäsie und Astrometrie (IVS) beobachtet. Es ö nete sich eine neue Möglichkeit für die Anwendung der geodätischen VLBI mittels künstlicher Funkquellen. Die Hauptaufgabe der OCEL-Studie besteht aus zwei Teilen: der Bestimmung der Gruppenlaufzeitverzögerungen der Mondlander-Beobachtungen und der Positionsschätzung des Mondlanders. Ausgehend vom geodätischen VLBI-Verarbeitungsworkflow mit der Ermittlung der Gruppenlaufzeitverzögerungen wurden Untersuchungen durchgeführt, um DOR-Töne (Differential One-Way Ranging) mit einem verbesserten Randanpassungsschema zu verarbeiten. Mit diesen Untersuchungen wurde eine vollständige Kette der Verarbeitung der VLBI-Daten für die OCEL-Sessionen mit geeigneten Methoden neu entwickelt. Die Leistung wird durch eine Dreieckschlussanalyse der Laufzeitdifferenzen als Hauptkriterium bewertet. Somit können Gruppenlaufzeitverzögerungen von VLBI-Beobachtungen von DOR-Tönen routinemäßig erhalten werden, was die erste Hauptkomponente dieser Dissertation ist.<br /> Der zweite Teil ist die Schätzung der Position des Mondlanders mit diesen Gruppenverzögerungen. Neu ist, dass ein Nahfeldmodell für VLBI-Beobachtungsverzögerungen des Mondlanders entwickelt und die entsprechenden partiellen Ableitungen abgeleitet und implementiert wurden. Ein Vergleich mit dem aktuellsten Nahfeldmodell liefert für unser Modell für den Mondlander eine Übereinstimmung im Pikosekundenbereich. Die mit einer Bedingungsgleichung für die Radialkomponente geschätzte Position unterscheidet sich um etwa 10 Meter von den durch die LRO-Mission (Photogrammetric Lunar Reconnaissance Orbiter) ermittelten Werten. Die Ergebnisse der aktuellen Studie hinsichtlich der erreichten Genauigkeit sind mit denen anderer neuerer Ergebnisse in Bezug auf die Position des Chang’E-3-Mondlanders mit VLBI vergleichbar. Darüber hinaus zeigen die OCEL-Ergebnisse aufgrund des Beitrags des weltweit verteilten IVS-Netzwerks bzw. der Kalibrierungen in Bezug auf die langen Beobachtungsbögen eine bessere Stabilität verglichen mit kurzzeitigen VLBI-Beobachtungen eines Netzwerks einiger regionaler Stationen, die noch mit Entfernungsmessungen und Messungen der Entfernungsrate aus Dopplermessungen ergänzt wurden.<br /> Im Jahr 2018 wurde für einige Stunden ein zweiter Senderer am Lander eingeschaltet und der Mondlander erneut mit dem chinesischen Weltraumnetz im VLBI-Modus im sog. Same-Beam-Modus beobachtet. In einer vorläufigen untersuchung haben wir eine Reihe dieser VLBI-Beobachtungen an der Jiamusi-Kashi-Basislinie, mit dem Ziel verwendet, die relative Position der beiden Antennen auf dem Mondlander zu schätzen. Als Observable wurden differentielle Phasenverzögerungen verwendet. Das geometrische Verzögerungsmodell und die entsprechenden partiellen Ableitungen wurden abgeleitet und unter Verwendung des für OCEL entwickelten Nahfeldmodells angewendet. Die geschätzte relative Vektor der Position unterscheidet sich von der a priori-Entfernung um 0.02 zu 0.04 m. Die erreichte Genauigkeit ist mit der relativen Position zwischen dem Mondlander und dem Rover kompatibel.<br /> Die Erfahrungen und Ergebnisse der VLBI-Beobachtungen des OCEL-Projekts und der VLBI-Sessionen im Same-Beam-Modus zeigen das Potenzial der VLBI für die Beobachtung künstlicher Ziele. In der Zwischenzeit wurden die hier entwickelten Tools bereits in einer weiteren Mondpositionsbestimmung für die Mondbewegungsüberwachung und für die Mondreferenzrahmenrealisierung mit VLBI eingesetzt.

This thesis deals with the concept and the analysis of geodetic VLBI observations of the Chang’E-3 lunar lander. VLBI as a high accuracy measuring technique, is widely used in geodesy, astrometry and deep space explorations. In recent years, tracking artificial sources with geodetic VLBI has gained more and more importance. However, the actual state of the art is only at the starting stage of a full establishment. With the development of the VLBI Geodetic Observing System (VGOS), tracking artificial sources with VLBI will be an important aspect of future geodetic VLBI activities. Consequently, research and development in this area are desired in the community.<br /> The Chang’E-3 lunar lander is equipped with an X-band transmitter enabling VLBI observations of the Moon from Earth. In a project called <em>Observing the Chang’E-3 Lunar Lander with VLBI</em> (OCEL), the lunar lander was observed with global VLBI radio telescopes of the International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS). It opened a new window for applying geodetic VLBI to artificial radio sources. The main task of the OCEL study is separated in two parts, the determination of the group delays of the lunar lander observations and the position estimation of the lunar lander.<br /> Starting the geodetic VLBI processing workflow with the determination of the group delays, investigations have been carried out to process Differential One-way Ranging (DOR) tones with an improved fringe fitting scheme. With these investigations, a complete chain of processing of the VLBI data for the OCEL sessions with proper methods were newly developed. The performance is assessed by triangle closure delay analysis as a main criterion. Thus, group delays of VLBI observations of DOR tones can now be obtained routinely which is the first achievement of this thesis.<br /> The second part is the estimation of the position of the lunar lander with these group delays. New is that a near-field model was designed for VLBI delays of observations of the lunar lander and that the corresponding partial derivatives were derived and implemented. Compared with the most up-to-date near field model, the performance of our model is consistent at the picosecond level for the lunar lander. The position estimated with a constraint of the radial component is about 10 meters different from the values determined by the photogrammetric Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) mission. The results of the current study in terms of achieved accuracy are compatible with those of other recent results related the position of the Chang’E-3 lunar lander with VLBI. Besides that, due to the contribution coming from the globally distributed IVS network, respectively the long observing arc and delay referencing calibrations, the OCEL results show a better performance in terms of uncertainties compared to short-duration VLBI and VLBI plus range and range rate from Doppler measurements with a network of a few regional stations.<br /> In 2018, a second beacon on the lander was switched on for a few hours and the lunar lander was observed again with the Chinese deep space network in same-beam VLBI mode. In a preliminary investigation, we used a number of these VLBI observations on the Jiamusi-Kashi baseline to estimate the relative position of the two antennas on the lunar lander. Differential phase delays were used as observables. The geometric delay model and the corresponding partial derivatives were derived and applied using the near field model developed for OCEL. The estimated relative position vector di ers from the a priori vector by about 0.02 to 0.04 m. In addition, the relative angles (polar angle and azimuth angle) in a Moon-fixed system PA between the two antennas on the Chang’E-3 lunar lander are estimated. The accuracy achieved is compatible with the relative positioning between the lunar lander and the rover.<br /> The experiences gained and results obtained from VLBI observations of the OCEL project and of the same-beam VLBI session reveal the potential of VLBI for observing artificial targets. In the meantime, the tools developed here were already applied in further lunar target positioning, lunar motion monitoring and lunar reference frame realization with VLBI.