VLBI技术在我国的发展历程及其在航天工程中的应用
来源: 发布时间:2019-10-08

  一、VLBI技术的诞生 

  VLBI是甚长基线干涉测量或甚长基线干涉仪的英文缩写,它是射电天文的一项高新观测技术,诞生于1967年春。 

  射电干涉仪诞生在上世纪40年代后期,50-60年代,众多国家建设了射电干涉仪,大大提高了射电天文观测分辨率,取得很多新成果。但是,那时代建设的射电干涉仪的基线距离一般限于几千米,它使用公共的频率源,频标信号的传送大多使用电缆或波导,个别使用微波传送,称为“连线射电干涉仪”(或“连接单元射电干涉仪”)。后来随着信号传输技术的改进和提高,70年代以来建设的连线射电干涉仪的基线距离有了增长,例如:美国的由25台天线组成的甚大阵(VLA)综合孔径射电望远镜的最长基线为36千米,英国的7台天线组成的微波连接射电干涉仪(MERLIN)的最长基线为217千米。但是,频标信号的传送过程会产生噪声,使得信号变坏,这就限制了射电干涉仪各个观测单元之间的基线距离进一步的增长,所以连线射电干涉仪的分辨率的提高就受到了限制。 

  为了克服连线射电干涉仪频标信号传输距离的限制问题,在上世纪60年代中期,前苏联等国的射电天文学家提出了“相干独立本振-磁带记录干涉仪”的新概念,即采用高稳定度的原子频标作为各个观测站的频率基准;观测数据用高速磁记录技术记录下来,可以事后进行互相关处理。这样,射电干涉仪的各个观测单元就可以不使用公共的频率源,而使用各自的高稳定原子频标(早期使用铷钟,现代均使用氢钟)。因此,射电干涉仪的各观测站之间的距离原则上就不受限制,它们可以建设在地球上任何地方,甚至在太空,只要它们能够同时观测同一个目标和观测数据可以送到相关处理中心。由于它的基线长度大大增长了,所以后来把这类射电干涉仪称为“甚长基线干涉仪(VLBI)”。于19673月,美国和加拿大射电天文学家分别在18厘米和49厘米波段,采用铷原子钟作为频率源,成功地进行了VLBI观测。196910月,美国与前苏联成功地在2.86厘米波段,进行了跨洲的VLBI观测,最高分辨率达到了0.4毫角秒,比当时的连线射电干涉仪的分辨率提高了上千倍。自此,射电天文开创了超高分辨率、超高定位精度的VLBI时代。 

  自从VLBI技术诞生以后,经过半个世纪以来的不断改进和提高,它的灵敏度、分辨率及定位精度均得到大幅度的提高,现在VLBI的最高分辨率和定位精度已经达到十微角秒量级,相当于在地球上可以观测到月球上厘米尺度的物体。VLBI是所有天文观测技术中分辨率最高的技术,它比哈勃空间望远镜的分辨率高数百倍。VLBI技术在天文学、地球动力学及航天工程等领域的广泛应用中,取得了众多的新发现和创新性成果。例如:获得了活动星系核和类星体的亚毫角秒尺度的精细结构和发现了相对论性喷流和视超光速现象;毫米波全球VLBI网在1.3毫米波段的观测,首次为大质量黑洞M87拍了“照片”;建立了亚毫角秒精度的准惯性射电天球参考系;用VLBI技术测量银河系脉泽源的高精度三角视差和自行,对于银河系旋臂结构和动力学研究做出重大贡献;测量了美国阿波罗登月的月球车在月面的行进路线,等等。 

 

 二、引领VLBI技术在我国的发展 

  在上世纪70年代初,虽然我国还处于文革时期,但中科院上海天文台的天文学家仍关注着国际上天文学的新发展,看到国际上有VLBISLR(人造卫星激光测距)等新技术的出现,使天体测量产生了革命性的变革,新技术比较以往的经典测量技术,测量精度提高了1~2个数量级,如果我国不及时发展新技术,则在天体测量领域,将大大落后于国际发展水平。因此,上海天文台确定 VLBISLR(人造卫星激光测距)及氢原子钟等新技术为主要的新开拓领域。在国内,上海天文台是首先提议建设中国VLBI测量系统的单位,于1973年,上海天文台组建了射电天文研究小组,1978年扩建为射电天文研究室,其主要任务是VLBI技术的发展和应用的研究。我是1976年到上海天文台工作的,一直从事VLBI方面的工作,在这四十多年时间里,亲历了VLBI技术在我国从无到有、逐步赶上国际先进水平的全过程。 

  197512月,上海天文台向中科院提呈了“有关在我国开展长基线射电干涉工作的论证和有关建议”报告。自此“长基线射电干涉仪”项目列入了中科院天文八年规划,并列为1978~1985年全国科技规划108项重点项目之一。197812月在上海,由中科院和原四机部联合召开了“甚长基线射电干涉测量总体方案”论证会,会上提出了建设“沪--乌”VLBI测量网的总体技术方案,论证会通过了该项总体技术方案。19793月,中科院原二局发文批复了论证会的“会议纪要”,同意中国VLBI测量系统立项建设。根据当时经费情况,确定VLBI测量系统的建设分期实施,首先建设上海天文台VLBI系统。自1981年起,开始了我国VLBI测量系统第一期工程的建设,它包括:上海佘山25米天线VLBI观测站和VLBI MK-2型数据处理中心。 

  当时,对于我国来说,VLBI技术是完全空白的,国内没有经验可以借鉴;另外,国际上个别国家对于某些关键技术和设备还对我国实施限制和禁运,所以研制工作困难很大。上海天文台科研人员不怕困难,刻苦学习,采取“理论与实践相结合”和“引进来和走出去”等办法来克服没有经验的困难。在上世纪70年代后期,建设了“实验VLBI系统”,作为VLBI技术和原理的实验平台;同时,于198111月,利用实验VLBI系统的6米射电望远镜,与德国的100米射电望远镜成功地进行了国际上首次跨欧亚大陆的VLBI观测,受到国际VLBI界的极大关注。图1 -德首次跨欧亚大陆VLBI联测示意图。  

   

  1 -德首次跨欧亚大陆VLBI联测示意图  

  198710月,上海天文台25米天线VLBI测量系统建成揭幕,这是我国首个达到国际先进水平的VLBI系统。从1988年起,就开始参加多种学科的国际VLBI网的联合观测,例如:欧洲VLBI网和美国NASA地壳动力学计划VLBI观测网,还进行中-德、中-日及中-俄等双边合作VLBI联测。1989年“上海天文台VLBI系统”通过院级鉴定验收,被评为1991度中科院十大科技成果之一,并获得1993年国家科技进步二等奖。图2为上海天文台的25米天线VLBI观测站,它位于上海松江东佘山东麓。 

   

  2 上海天文台25米天线VLBI观测站 

  19861月,上海天文台完成了《关于发展中国VLBI网的建议书》,提出的VLBI网二期工程的主要建设内容为:新建乌鲁木齐VLBI观测站、改造昆明10米天线太阳观测站为VLBI观测站、建设上海VLBI宽带数据处理中心。该建议书获得中科院的批准,确定为天文口“七×五”期间重大项目。后来由于经费等问题,昆明VLBI站建设不列入VLBI二期工程,以后根据条件再建设。上海天文台与原乌鲁木齐天文站(现为国家天文台新疆天文台)合作建设乌鲁木齐南山25米天线VLBI站,它于1994年建成并开始参加国内外的VLBI联测,1999年通过院级鉴定验收。中国VLBI系统二期工程于2000年完成结题验收。上海佘山和乌鲁木齐南山VLBI站均为国际天测/测地VLBI网、欧洲VLBI网和东亚VLBI网的重要成员,在天体物理、天体测量和地球动力学的VLBI观测研究方面,取得多项重要成果。 

  近十年,上海天文台还与中科院授时中心和国家天文台及有关院外单位合作,发展VLBI技术,并应用于天文学、大地测量学及航天器测轨。 

  

三、VLBI技术在我国探月和深空探测工程中的应用 

  上海天文台一直十分重视VLBI技术在航天工程方面的应用。1994年,中国航天一院主持召开关于我国首次探月工程技术方案研讨会,上海天文台参加了会议,并且承担了“VLBI测轨”和“探月卫星轨道设计”两项预研课题,首次提出了利用国内VLBI测量系统,承担我国首次探月工程VLBI测轨的概念方案。1997年,上海佘山VLBI观测站还参加了美国NASA火星环球勘测号的VLBI测轨观测,取得了VLBI观测深空探测器的实际经验。90年代后期,中科院多次召开会议,讨论关于我国首次探月工程的方案和中科院的任务,上海天文台也是参会单位之一。会议明确了中科院在我国首次探月工程中承担的主要任务为:科学目标的提出、有效载荷研制、科学数据接收和处理分析及VLBI测轨。上海天文台提出了“3观测站+1数据处理中心”的VLBI测轨的技术方案,即利用已经建成的上海和乌鲁木齐VLBI观测站、改造昆明10米天线太阳观测站为VLBI观测站,以及改造上海VLBI数据处理中心,组成探月工程的VLBI测轨系统。 

  本世纪初,在国家原国防科工委(现国家航天局)的主持下,召集中国航天和中科院及其有关下属单位,多次讨论中国首次探月工程的总体技术方案。当时我国现有的航天测控系统主要用于地球轨道航天器的测控,性能上不能满足探月卫星的测控要求,所以测控是我国首期探月任务的主要瓶颈之一。国内现有测控系统测轨的基本工作模式为视向的测距和测速,而VLBI测量为高精度测角,所以将VLBI测轨数据与测控系统的测距测速数据结合起来进行卫星定轨,可以大大提高测定轨的精度和可靠性,特别是可以实现卫星的几十分钟短弧定轨,这对于卫星变轨后及时进行轨道测定是十分重要。由于测控系统进行了适应性改造和VLBI测轨技术的应用,解决了首次探月工程的一个瓶颈问题。在总体技术方案的讨论会上,上海天文台还郑重承诺:VLBI测轨系统向航天指控中心提供VLBI测轨数据的滞后时间不超过10分钟,从而消除了对于VLBI系统是否能及时提供测轨数据的疑虑。最终,上海天文台提出的VLBI应用于探月卫星测轨的建议,列入了我国首次探月工程的总体技术方案,确定中科院的天文VLBI测量系统经过适应性改造后,作为探月工程测控系统的一个分系统,称为“VLBI测轨分系统”,上海天文台为负责单位。这对于我国的航天测控来说,是首次引入了VLBI技术。使用VLBI技术进行探月卫星的全程实时工程测轨,这在国际上是首创。后来,由于接收探月科学数据的需要,确定建设北京密云50米天线和昆明40米天线的地面接收站,同时确定该两地面站也承担VLBI测轨任务,所以最后的VLBI测轨的方案为“4观测站+1数据处理中心”,4个观测站为:上海-乌鲁木齐-北京-昆明,站址分布如图3所示,图中的椭圆形表示由4个测站组成了的一个口径为3千多千米的虚拟射电望远镜。 

   

  3 中科院探月工程VLBI测轨系统的测站分布图  

  2004年,我国首次探月工程项目——“绕月探测工程”批准立项实施,20071024日,探月卫星(嫦娥一号)在西昌卫星发射中心成功发射,图4为嫦娥一号卫星的飞行示意图。当卫星高度达到2万千米时,VLBI测轨分系统即开始对卫星进行全程跟踪测量(包括:转移轨道段、奔月轨道段、卫星制动和入月轨道段及环月段),VLBI测轨数据实际上在6分钟内即发送至航天指控中心。VLBI测轨观测的数据量大、运算复杂,数据处理中心接收4个观测站实时发送来的数据总量达到百兆比特/秒,要进行6条基线多通道的互相关处理,再要提取各条基线的VLBI时延和时延率观测量,然后再进行各种误差修正和卫星角位置计算,用数分钟时间完成上述数据处理过程,在VLBI数据处理的实时性方面,达到了国际顶级水平。VLBI测轨分系统超指标完成了嫦娥一号星的测轨任务,为我国首次探月工程的圆满完成做出了重要贡献。“绕月探测工程”获得2008年度国家科技进步特等奖,上海天文台为主要参加单位之一。 

   

  4 嫦娥一号卫星飞行轨道示意图 

  为了更好地完成今后的探月和深空探测VLBI测轨任务,在中科院、上海市和探月工程总体部的支持下,2009年开始建设上海天马65米天线射电望远镜,于2012年末建成,参加了嫦娥二号后期和嫦娥三、四号的VLBI测轨观测。它的建成大大提高了我国VLBI测量网的灵敏度和测量精度。从嫦娥一号至嫦娥四号,VLBI时延测量精度提高了5倍以上,这是由于多方面的改进和提高的综合结果,65米射电望远镜参加测轨观测,是一个重要因素。同时,VLBI网测轨的实时性也大大提高,提供VLBI观测量数据的滞后时间,从6分钟缩短到了1分钟,这是目前国际上的最高水平。另外,在嫦娥三号工程中,还测量了月球车与着陆器的相对位置,精度为1米级,也达到国际最高水平。图5为上海天文台天马射电望远镜,它坐落在上海市松江区,近天马山。  

  5 上海天马65米射电望远镜 

  VLBI测轨分系统参加了探月工程嫦娥一号至嫦娥四号星的全部测轨工作,均圆满地完成任务,为探月任务的完成做出了重要贡献,共获得两项国家科技进步特等奖(主要参加单位)、两项国防科技进步特等奖(主要参加单位)及两项上海市科技进步一等奖(排名第一)。现在,VLBI测轨分系统的全体科研人员正在满怀信心积极准备今年年末的嫦娥五号和明年的我国首次火星探测的VLBI测轨任务。根据嫦娥五号任务的多目标测轨需要,上海天文台研制了“动态双目标实时VLBI测轨系统”,这是国际首创。另外,为了完成我国首次火星探测工程的VLBI测定轨任务,自主研制了火星探测器的定轨软件,并利用国外现有的火星探测器,进行VLBI测轨的试观测,验证了自主研制软件的正确性和可靠性。 

  

四、结束语 

  经过了四十多年几代科研人员的努力,中国的VLBI技术研发能力和应用研究水平已经进入国际先进水平,个别方面达到了国际领先水平。但是,仍有不少方面与国际顶级水平还有差距,所以还需百倍努力,使我国的VLBI技术研发和应用研究,全面达到国际最高水平,为我国的天文学、地球动力学及空间科学研究和航天工程,做出更多的国际先进水平的原创成果。对我个人来说,虽然已到古稀之年,但仍愿继续为我国的VLBI技术发展和应用,贡献微薄之力。 

 

钱志瀚 中国科学院上海天文台 )

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