深空探测VLBI技术综述.doc

大地测量学读书报告班级： xx 学号：xxxxx 姓名：xxx 指导老师：xx深空探测VLBI技术综述xx（xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx）摘要：甚长基线干涉测量系统(VLBI)是在甚长基线的两端(相距几千公里)，用射电望远镜，接收银河系或银河系以外的类星体发出的无线电辐射信号，通过信号对比，根据干涉原理，直接测定基线长度和方向的一种空间技术。VLBI技术测量精度高，作用距离远，因而在当前及未来的深空探测项目中VLBI技术将会是未来的主打技术。关键词：VLBI 深空探测 技术Overview of VLBI technologyfor deep space explorationxxxxxxxx（xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx）Abstract：Very long baseline interferometry system(VLBI)isat the ends oflong baseline(several thousandkilometers),using radiotelescope,radiosignal other than receivingthe Milky Waydepartment orthe Milky Waylineof quasars emitsignals,bycontrast,according to theinterference principle,aspacedetermination of baselinelength and directiondirectly.VLBI technologywith high measurement precision,long distance,VLBI technologywill bethe maintechnology in the future, so in the currentand futuredeep space explorationproject.Key words：VLBI Deep space exploration Technology一、引言随着我国航天事业的发展，特别是卫星应用、载人航天实现之后，下一步势必考虑深空探测问题【1】蒋文兵,郭涛涛.深空探测VLBI测量技术J.大众科技,2012,(7):20-22。而单纯使用传统的USB系统测得的多普勒测速数据和伪码测距数据进行深空探测器定轨，其定轨精度大大降低，无法满足深空探测需要。VLBI具备高精度测角能力，在10000km长的基线上，差分VLBI能够达到3nrad的测角精度。VLBI测量技术和其它测量技术如USB相比，测量精度高，所以更加能够满足在未来深空探测的需要。目前VLBI已成为追求航天技术国家的一种有效的航天器精密轨道测量方法，在人造地球卫星，月球探测器，太阳系行星际探测器，深空星系的高精度观测中应用广泛【2】张彦芬,苏利娜,王力等.VLBI技术的发展与展望J.北京测绘,2010,(4):23-25.。二、VLBI基本原理VLBI深空探测技术简要说来通过数个VLBI基站准实时接收数据后，一起放入处理中心进行运算后，合成干涉条纹，形成了最大相当于哈勃卫星400倍空间分辨率的射电望远镜。此时观测的分辨率不再局限于射电望远镜的直径，转而依赖于两个站点之间的间距，这样做可以极大的提高空间分辨率，为我们对更遥远的星空测量，或以河外射电源为基础，研究地球板块形变提供帮助。以下是具体点的计算公式：图1中，是以河外射电源为基准点，从而确定探测器方位和具体位置。我们可以看出需要首先确定探测器附近空间区域内的一个河外射电源，这个射电源将是我们的参考点。通过观测和初步处理，我们可以得到河外射电源射电信号到达地面两个观测站点的时间差，这个时间差用表示，称为河外射电观测时延。而它与几何时延的关系如下公式，代表着河外射电源观测时延中误差项部分。同理观测器发射信号到达地面观测站点的时差用表示，其与探测器几何时延的关系为（2）式：去除误差项得到是接下来的目的，其运算过程如下：（1） （2）整理得 （1） （2） 因为：则：经过多年的天文观测，以河外射电源为参考点建立起来的国际天球参考架(ICRF)的精度已经高于005“【3】朱新颖,李春来,张洪波等.深空探测VLBI技术综述及我国的现状和发展J.宇航学报,2010,31(8):1893-1899.3】。由于河外射电源的位置已知，则可以视作已知数，则我们就去除了大部分的误差项，通过，我们就可以得到探测器几何时延。从图1中的几何关系可以得到如(3)表达式： （3）其中，B表示基线长度, 表示探测器几何时延,sp表示探测器方向与基线夹角我们为了得到探测器的三维方位，就必须拥有三条独立的基线从而得到三个，再通过以下的方程组联立，最终能够得到探测器的方向余弦，就可以确定探测器的方位。 从上面的公式我们就能够看出，为了保证数据的可靠性，起码我们需要3个VLBI观测台站的数据才能成功的解算出探测器的位置，而我国现在的VLBI台站有4个，也就是初步满足了VLBI方法在实际的观测任务中具有足够的精度与可靠。三、我国VLBI技术应用目前我国的VLBI干涉测量系统由4个VLBI观测站(上海佘山站、乌鲁木齐南山站、北京密云站、云南昆明站)和1个VLBI相关处理中心(上海)构成 4。自从站点建设成功以来，已经承接了嫦娥一号卫星和嫦娥二号卫星的重点监测任务，较为圆满的完成了两个卫星的测轨任务。我国月球探测一期工程绕月探测工程，VLBI系统作为测控系统的重要组成部分，承担绕月探测工程测轨任务。其中上海天文台负责VLBI设备的研制和观测运行，通过研究员们的辛勤劳动，建成了分辨率相当于口径为3000多公里的巨大的综合望远镜，测角精度可以达到百分之几角秒的站点中心。2004年，为了能够顺利完成对嫦娥一号探月卫星的精确测轨，由上海天文台和其他一些相关部门合作，在经过3年的奋斗后，成功改造并建成了VLBI上海站分系统，将北京和昆明站设备进行更新升级，购进并配置了一系列适应的硬件和软件处理系统，该系统从此具备了对嫦娥一号卫星全程实时监测的能力。至此，我国的VLBI网络已经可以成功与世界接轨，和南非，澳大利亚，美国等地的间距都达到了8000km以上，成为了世界VLBI网络中重要的一部分【4】路如森,沈志强,T.P.KRICHBAUM等.毫米波甚长基线干涉测量的发展与展望J.科技导报,2011,29(7):74-79.。07年10月24日是嫦娥一号发射的日子，在接下来的53天VLBI测轨系统通过每天的实时跟踪测量，保证了嫦娥一号卫星精准的进入月球轨道，从而成功的完成了预定的嫦娥一号探月工程任务。在09年的三月一日，嫦娥一号撞击月面，完成了我国首次探月。10年10月1日，嫦娥二号升空，由于新研制的DBBC方法的应用，此次VLBI跟踪精度大有提高，时延测量精度从5ns提高到3ns；VLBI测量数据传送北京中心的滞后时间从平均6分钟提高到4分钟。嫦娥2号在完成探月任务后，通过L2点（拉格朗日2号点），向太阳系边缘飞行，直至13年12月，距地球65000000公里.四、VLBI其他应用1、测量日全食期间电离层TEC变化日食是百年一遇的天文学现象，是指月球运动到地球与太阳之间直接遮挡了太阳光的现象，日食不仅仅是天文爱好者观测的盛宴，也会对我们地球的电离层造成极大的影响。日食时，电离层中的电子和离子数会突然减小，然后当日食结束时，太阳辐射恢复，则电离层中的电子和离子数目会恢复原有数量。我们探测电离层用的TEC指标是电离层总电子含量，由前面可知，在日食期间，可以观测到显著变化2009年7月22日上午发生了本世纪时间最长，跨度最大的日全食，上海，乌鲁木齐，日本鹿岛3个VLBI观测站联合进行了观测试验，由于射电信号通过电离层引起的时延与沿路径方向TEC的关系可以近似表示为。D为TEC（电离层电子总含量）；f为观测频率。【5】舒逢春,郭丽,刘敏等.基于VLBI和GPS测量2009年7月22日日全食期间电离层TEC变化J.科技导报,2009,27(15):19-24.数据结果表明，日食期间TEC含量少于平常20-30%，符合预期估计值。2、利用VLBI数据研究自由核章动周期时变特征 自由核章动(FCN，Free Core Nutation)是旋转椭球型地球的固体地幔与液态外核间相互作用而产生的逆向本征模，在地球参考系中称为近周日自由摆动(NDFW，Nearly Diurnal Free Wobble) 【6】崔小明,孙和平,徐建桥等.利用VLBI和超导重力资料研究自由核章动周期时变特征J.地球物理学报,2014,57(2):384-391.。研究自由核章动可以为我们研究地球内部动力学提供极为重要的参考信息，在现今研究深部地球的手段和方法中，自由核章动表现的物理信息可以为我们研究地球内部结构及物理性质，还有核幔边界问题上提供帮助。利用VLBI的天极偏差数据，可以得到与地球更加拟合的自由核章动模型，配合上高精度重力仪的数据，我们可以尽可能的减小模型的其他如固体潮等误差，为地球内部物理学的研究提供帮助。3、脉冲星 VLBI的观测研究脉冲星是中子星的一种，是科学家于1967年发现的，会周期性的发射脉冲信号，直径大多在20km左右，且在高速自转。脉冲星有非常强的引力场和磁场，它可以用来验证极端条件下的物理规律。为了研究脉冲星，我们需要更好更精确的方法来研究脉冲星，而VLBI方法是已知方法中具有较高的分辨率和具有可行性的方法。所以，通常，科学家们利用VLBI方法来搜索脉冲星的存在，以及其中的一些具体结构。通过研究，我们发现了双脉冲星和脉冲双星，这种奇妙的宇宙现象无疑让科学家们更加着迷。 随着VLBI技术、观测技术和数据处理技术的不断进步，更多的VLBI网络用于开展脉冲星观测研究。Brisken等人利用VLBI通过对脉冲星PSR B0834+06星际散射现象进行分辨率达100uas成图观测，对星际介质的各向异性散射进行研究。Deller博士利用澳大利亚VLBI网LBA对多颗脉冲星进行了成功观测，其中包括目前已知的唯一双脉冲星系统【7】闫振,沈志强,袁建平等.脉冲星VLBI观测软件相关处理进展J.天文学进展,2011,29(3):309-322.。总结VLBI是国际上现今的热门技术，它在深空探测方面具有无可比拟的优势，是未来重点发展方向之一。对于争做航天大国，航天强国的中国来说，这是必需要去追赶，去努力探索的方向【8】 Long-Fei Hao,Min Wang,Jun Yang等.VLBI observations with the Kunming 40-meter radio telescopeJ.天文和天体物理学研究