作者:叶叔华 钱志瀚 来源:科学时报(http://www.sciencenet.cn/) 发布时间:2007-12-10 3:28:9
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VLBI:深空探测的重要手段
 
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(Very Long Baseline Interferometry)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(25米天线)、北京(50米天线)、昆明(40米天线)、乌鲁木齐(25米天线)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(天然的射电天体或有无线电信标的人造天体),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(时延观测值)及其变化率(时延率观测值),最后利用这些VLBI观测值计算目标的角位置(赤经和赤纬)。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:(1)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;(2)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。
 
 
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