新加坡等四地射电望遠鏡齐齐等候,深空探测的

中国探月工程首席科学家、中国科学院院士欧阳自远日前在接受《科学时报》记者采访时说,VLBI是首次参加航天工程,以前它主要是作天文观测。在嫦娥工程中,它辅助我国现有的S频段航天测控网完成嫦娥一号的测轨工作。工程规定的测轨误差要求是2%,但是此次嫦娥一号的测轨误差只有万分之三,可以说,VLBI功不可没。以后VLBI也将成为我国深空探测的重要手段。VLBI的工作原理是什么?在嫦娥一号的运行中,VLBI是如何工作的?本报特邀中国科学院院士叶叔华,中科院上海天文台研究员、嫦娥一期工程测控系统VLBI测轨分系统总体技术子系统主任设计师钱志瀚为我们揭开其中的秘密。VLBI是甚长基线干涉测量的英文缩写,它是当前天文学使用的一项高分辨率、高测量精度的观测技术,在天体物理方面主要应用于类星体、射电星系核、星际脉泽源等致密射电源毫角秒级的精细结构研究和精确定位等。在天体和大地测量中,它在建立天球参考系、测定地球自转全部参数和地面参考系的基准点等方面具有不可取代的作用。以我国学者为首,在国际合作中用VLBI测量银河系中心黑洞的边界和银河系精细结构的工作,近年来取得重大进展,赢得国际同行瞩目;在天球和地面参考系建立方面,上海和乌鲁木齐VLBI站多年以来是亚洲大陆的基准站之一。由于VLBI技术具有很高的测角精度,所以自上世纪70年代起,也逐步应用于深空探测,典型的例子如:上世纪70年代美国阿波罗登月计划中对于月球车的运动路线测量和80年代美国和前苏联分别实施的金星大气风速测量中,均使用了VLBI技术,其测量精度分别达到了数米和几十厘米/秒。又如:日本目前正利用VLBI技术测量月亮女神绕月卫星的精确轨道,以研究月球重力场。中科院上海天文台自上世纪90年代起,也开始了VLBI应用于深空探测的研究,参加了多次国际合作的深空探测,如欧空局的惠更斯探测器与卡西尼宇宙飞船分离后飞向土卫六过程的VLBI测量。自2004年嫦娥一期工程立项并确定中科院VLBI天文测量系统作为该工程测控系统的VLBI测轨分系统参与嫦娥一号卫星的快速工程定轨测量后,上海天文台就为此项具有挑战性的任务全力以赴作准备,进行VLBI设备的适应性改造,并多次实施航天器VLBI测轨的综合性大型演练。一个完整的VLBI测量系统通常由两个或两个以上的VLBI观测站和一个数据处理中心组成。VLBI观测站的主要设备包括:高效射电天线、低噪声高灵敏度的接收机系统、VLBI高速数据采集系统、高稳定度的氢原子钟以及高精度时间比对系统等。应用于天文学研究和深空探测的VLBI测量系统的观测站通常需要装备口径数十米的大型射电天线。VLBI数据处理中心主要设备有专用的VLBI相关处理机和高速的通用计算机群。中科院VLBI天文测量系统由上海、北京、昆明、乌鲁木齐四个VLBI观测站和上海VLBI数据处理中心组成。VLBI的基本原理为:VLBI观测站同时跟踪观测同一目标,各观测站将观测数据实时传送或记录在磁盘上运送到VLBI数据处理中心,然后进行数据回放和互相关计算,再利用得到的互相关谱数据,计算得到信号到达各观测站的时间差及其变化率,最后利用这些VLBI观测值计算目标的角位置。测量精度可以达到百分之几角秒、千分之几角秒甚至更高。对于人造天体,如人造地球卫星、绕月卫星和深空探测器等的VLBI测轨,则利用VLBI观测值,综合测距、测速数据,进行精确的轨道测定。在国际上,VLBI技术在空间探测中,主要应用在需要特别高精度的轨道测量,如深空探测中的某些科学研究或某个关键轨道段的工程定轨测量,例如行星探测器进入环行星的轨道段等。我国将VLBI技术应用于嫦娥一号卫星在星箭分离后几乎所有的轨道段,如调相轨道段、地月转移轨道段、月球捕获段和环月轨道段的工程测轨,这在国际上是首次。精确的轨道测量在每项航天任务中都是至关重要的,它是进行精确的轨道控制、保证航天器按预定轨道飞行和到达预定目标的基础。嫦娥一号卫星采用VLBI与测距、测速联合测轨的方案,主要是为了保证测轨工作万无一失,做到又快又精地轨道测定。嫦娥一号卫星VLBI测轨任务与一般天文学VLBI观测有很大不同。对于天文学研究,同一目标一般可以进行多次重复的VLBI观测,以确认结果的准确性,万一某次观测失败或有错误,还有弥补或纠正的机会。但是,对于嫦娥一号卫星的测轨,尤其是进入环月正常运行前的各轨道段,不允许有丝毫差错和失败,也没有时间做重复的核算,要求在10分钟内提供准确无误的测轨结果。因此,在实时性、可靠性及长时间连续工作能力等方面提出了非常高的要求。另外,由于嫦娥一号卫星的飞行轨道比射电天体和深空探测器要复杂得多,并且角速度大。所以,原来的天文VLBI观测系统并不适应嫦娥一号卫星快速工程测轨的要求,必须进行相应的改造。适应性改造的主要内容为:采用数据处理设备双工热备份、观测站和VLBI中心均做到两路供电、加强设备的保养和维修及增加关键零部件的备份等措施来提高整个系统的可靠性;建设数据通信网络,观测站每秒近20兆比特的观测数据实时传送到VLBI数据处理中心,VLBI中心的测轨计算结果也通过数据通信网络实时传送到北京飞控中心;改进数据处理方法和计算程序等措施,来提高测轨的实时性,要求在10分钟内完成4个观测站总共每秒60余兆比特的海量数据的复杂运算,将VLBI测轨结果传送到北京飞控中心。这样快速紧凑的工作要求在国际上是没有的。为此,VLBI测轨分系统的上百名科技人员经过3年的日夜奋战,全面地完成了对于原VLBI天文测量系统的适应性改造,为嫦娥一号卫星的VLBI测轨作好了充分准备。这是在我国航天工程上首次采用VLBI技术进行精确测轨,具有特殊意义。VLBI测轨分系统是在嫦娥一号卫星发射后的第3天,即于2007年10月27日,卫星进入24小时的调相轨道后,开始测轨工作。完成了调相轨道段、地月转移轨道段、月球捕获轨道段和环月在轨测试段等各轨道段的测轨任务。截至11月27日,历时1个月,4个VLBI观测站和上海VLBI指挥调度和数据处理中心,每天都工作12~18小时,提供了高精度的VLBI测轨数据。在实时工作模式时,提供VLBI测轨数据的滞后时间一般为5~6分钟,超额完成了工程总体的要求。由于VLBI测量系统参加测轨,对于保证卫星轨道的精确测定,特别是卫星精确进入环月轨道作出了重要贡献,出色完成了VLBI测轨任务。目前,正在继续完成长达1年的卫星长期运行工作期间的VLBI测轨任务。多年来,中科院上海天文台基础研究队伍和设备的建设奠定了深厚的基础,一旦国家有需要,就能把握时机,主动参与。通过任务提高了全系统的观测、信息传送、数据处理的能力,也锻炼了工作人员的团队精神,团结一致,为嫦娥一号卫星探月任务的胜利完成努力拼搏!同时,迎接技术要求更高的嫦娥二期、三期工程和火星探测的测轨任务。

据专家介绍,建设40米射电望远镜的最初目的,就是承担探月工程中的两项任务。其一是负责探月卫星下行科学数据接收;其二则是与中科院天文台系统的其他三台射电望远镜(新疆天文台和上海天文台的25米望远镜,以及国家天文台密云50米射电望远镜)一起,用VLBI方法,完成对探月卫星轨道的测量。

中心大厅84英寸的大屏幕上,显示着北京、上海两地VLBI观测基地天线,以及北京指控中心的实时图像。正在电脑前调试系统的工作人员郑为民脑门上微微有些汗,“虽然准备充分,但我还是感到激动和紧张,毕竟这是第一次。”

40米射电望远镜的建设和我国的探月工程密不可分。

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他同时也指出,40米射电望远镜也是一台颇具威力的天文望远镜,它既可以独立开展天文观测,也可以和其他射电望远镜一起组网进行天文观测。今后继续拓展该望远镜的天文观测能力,是重要发展方向。

为了完成探月工程的重大任务,四地天文台投入了上百名研究人员,还特地暂停了一些国际合作项目。今年11月的一个与欧洲联测的VLBI项目就因此停顿,面对欧洲同行的惋惜,上海天文台台长洪晓瑜却觉得很值:“参与探月工程提高了VLBI系统的稳定性和实时性,这是天文观测中难以做到的。”

举例来说,嫦娥一号任务中,中科院VLBI测轨分系统从2007年10月27日起,即卫星24小时调相轨道段的第一天,正式实施对嫦娥一号卫星的测量任务,完成了24小时、48小时调相轨道、地月转移轨道段和月球捕获轨道段等大量测量任务。

这是我国首次在卫星发射中应用天文VLBI技术进行精密测轨,VLBI系统将与航天测控系统一起,为“嫦娥一号”联合定轨。这次,VLBI测轨分系统主要承担任务为:完成卫星在24小时、48小时周期调相轨道段的测轨任务;完成卫星在地月转移轨道段、月球捕获轨道段,以及环月轨道段的测轨任务;参加调相、地月转移、月球捕获轨道段的准实时轨道确定与预报;完成与北京指控中心间的数据交换。

中科院云南天文台以地面天文观测和天体物理研究为主,在恒星演化理论、活动星系核、地面高精度天体定位等领域的科研成果达世界水平。在中国神舟四号飞船和神舟五号、神舟六号载人飞船发射、飞行至返回期间,云南天文台曾与相关部门一道出色地完成了对太阳活动所进行的实时监测任务。

10月25日晚6点,中心将迎来第一个测轨任务———24小时周期调相轨道段测轨。此后,每当“嫦娥”进入VLBI系统的观测范围时,这里就将及时监测,并在10分钟内将卫星角度信息传递给北京指控中心,直到一年后“嫦娥”完成绕月飞行。

当然,对于天文望远镜来说,其运行也有着较高的要求。射电望远镜的口径越大,其探测能力也就越强。但与此同时,口径越大意味着整个望远镜系统的质量越大。建造这些“庞然大物”的最大难度,在于长期保持其精确度和稳定性。

“嫦娥”奔月,北京、上海、昆明、乌鲁木齐四地的射电望远镜齐齐等候,随时准备捕捉“嫦娥一号”升空24小时后的“芳踪”。10月24日,位于中科院上海天文台的VLBI数据处理指挥中心灯火通明,科学家们正紧张而耐心地等待着任务启动。

汪敏指出,由于40米射电望远镜的天线距离昆明市区很近,复杂的电磁环境将对天线的正常使用带来严重威胁。“无线电环境的管理和保护,也是今后我们要面对的问题。这需要无线电管理部门能够予以关注,未来我们也会采取各种技术措施予以应对。”

那么,这座40米射电望远镜有哪些先进技术呢?对此,汪敏特意指出,40米望远镜的天线及接收系统都是由我国自主研制的。“它与同时研制的密云50米天线,分别为当时国内口径第一和第二的射电望远镜。”

事实上,中国科学院的VLBI网是测轨系统的一个分系统,由北京、上海、昆明和乌鲁木齐的4个望远镜以及位于上海天文台的数据处理中心组成。这样一个网络所构成的望远镜分辨率相当于口径为3000多公里的巨型综合望远镜,测角精度可以达到百分之几角秒,甚至更高。值得一提的是,每台望远镜依次的直线距离约在2000~3000公里。

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汪敏告诉记者,由于探月卫星不同于以前围绕地球运转的人造卫星,其最远距离达到近40万公里,因此,必须使用大口径接收天线,才能接收到遥远距离传送过来的微弱信号。此外,对遥远卫星的精密定位,也极为重要。通过多面大口径天线组网,利用VLBI就可以满足这个要求。

这座40米射电望远镜由天线结构系统、射频馈电系统、伺服控制系统等三部分组成。“这三部分构成的40米射电望远镜,具有较好的刚重比和稳定性,具有良好的电性能,同时天线的重量较轻,总重约达360吨。它目前的工作频率在S/X频段,指向精度30角秒。”汪敏说。

■本报记者 彭科峰 见习记者 郭爽

《中国科学报》 (2015-03-16 第8版 平台)

中科院云南天文台:看穿穹顶之上的奥秘

除了承担探月任务,近年来,40米射电望远镜在深空探测方面发挥了巨大的作用。

探月工程的“大功臣”

40米望远镜位于我国南部,具有观测南方天体的独特地理优势。因此,中科院云南天文台的科研人员一直致力于开展天文观测研究工作。

在多次的测量任务中,VLBI分系统的各测站和数据处理中心设备工作正常,VLBI测量数据及时传输到北京的航天飞控中心,满足了工程的要求,为嫦娥系列卫星的精确定轨作出了重要贡献,功不可没。

总有一些装备,看似毫不起眼,其实大有乾坤;看似毫无用途,其实大有神通;看似无足轻重,其实意义重大。布置在全国各地的众多大科学装置,就是这样的设备。当然,中科院云南天文台的40米射电望远镜,更是其中的佼佼者。

目前,40米望远镜配备有国际水平的VLBI终端,并已经成功参与EVN、CVN和IVS的联测,取得较好结果,并得到国际VLBI组织的重视。2010年,EVN还特别赠送了我国一套VLBI终端。

我们居住在一个地球上,但总是对银河系乃至河外星系心存向往。因为在浩瀚的太空之中,或许蕴藏着人类起源的奥秘。了解它们,也是在了解人类自身。近年来,凭借着这座40米射电望远镜,中外科学家们发现了太多的奥秘。同时,它也是嫦娥探月计划中的宝贵一环,为嫦娥系列卫星提供着强有力的保障。

闻名国内外的40米射电望远镜,就位于中科院云南天文台凤凰山园区之内。

“具体来说,它位于东经116°58′、北纬40°33′,海拔高度有1960米。”中科院云南天文台副台长汪敏向记者介绍说。

其中,在2011年8月31日,云南天文台射电天文研究组的郝龙飞、李志玄、徐永华、董江等人,与国家天文台研究员金乘进合作,在40米射电望远镜上,利用脉冲星数字滤波器观测系统和S/X波段致冷接收机,对船帆座脉冲星VELA(PSRJ0835-4510)进行了观测,成功获得了该脉冲星在S/X波段的脉冲平均轮廓。

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据科研人员介绍,这台设备由中国科学院国家天文台、中电集团39所联合研制,于2005年8月动工兴建,2006年5月投入运行,直径40米的锅状天线展开面积相当于4个篮球场。

2011年起,科研人员利用专用脉冲星终端进行观测,已经得到90余颗脉冲星的平均轮廓,已能检测到1mJ的暗弱脉冲星,并已初步建立了脉冲星到达时间测量系统。

“40米射电望远镜既是探月工程的重要设备,今后,还会继续承担嫦娥工程的相关任务及其他的深空探测任务。”汪敏对于这台设备的未来用途给出了这样的判断。

2007年10月至2009年3月,40米射电望远镜圆满完成了嫦娥一号卫星的任务。2010年10月后,又圆满完成了嫦娥二号卫星的相关任务。现在,它正在执行嫦娥三号卫星的相关任务。

展望未来,在中科院云南天文台副台长汪敏看来,这座40米射电望远镜,必将在中国乃至全人类的深空探测过程中,发挥更加重大的作用。

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