VLBI

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(VLBI,very long baseline interferometry)缩写 甚长基线干涉测量技术。简单来说,VLBI就是把几个小望远镜联合起来,达到一架大望远镜的观测效果。这是因为,虽然射电望远镜能“看到”光学望远镜无法看到的电磁辐射,从而进行远距离和异常天体的观测,但如果要达到足够清晰的分辨率,就得把望远镜的天线做成几百公里,甚至地球那么大。
中文名
甚长基线干涉测量技术
外文名
very long baseline interferometry
缩    写
VLBI
结    果
达到一架大望远镜的观测效果

VLBI简介

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上世纪50年代,剑桥大学的天文学家马丁·赖尔建成了第一台射电干涉仪,使不同望远镜接收到的电磁波可以叠加成像,在此基础上,VLBI得以发展。1974年,赖尔以此获得了诺贝尔奖

VLBI主要特点

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采用原子钟控制的高稳定度的独立本振系统和磁带记录装置﹔由两个或两个以上的天线分别在同一时刻接收同一射电源的信号﹐各自记录在磁带上﹔然后把磁带一起送到处理机中﹐进行相关运算﹐求出观测值。这种干涉测量方法的优点是基线长度原则上不受限制﹐可长达几千公里﹐因而极大地提高了分辨率。

VLBI测量值

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甚长基线干涉的测量值包括﹕干涉条纹的相关幅度﹔射电源同一时刻辐射的电磁波到达基线两端的时间延迟差(简称时延)﹐延迟差变化率(简称时延率)。相关幅度提供有关射电源亮度分布的信息﹐时延和时延率提供有关基线(长度和方向)和射电源位置(赤经和赤纬)的信息。所得的射电源的亮度分布﹐分辨率达到万分之几角秒﹐测量洲际间基线三维向量的精度达到几厘米﹐测量射电源的位置的精度达到千分之几角秒。在分辨率和测量精度上﹐与其他常规测量手段相比﹐成数量级的提高。目前﹐用于甚长基线干涉仪的天线﹐是各地原有的大﹑中型天线﹐平均口径在30米左右﹐使用的波长大部分在厘米波段。最长基线的长度可以跨越大洲。

VLBI工作原理

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射电源辐射出的电磁波﹐通过地球大气到达地面﹐由基线两端的天线接收。由于地球自转﹐电磁波的波前到达两个天线的几何程差(除以光速就是时间延迟差)是不断改变的。两路信号相关的结果就得到干涉条纹。天线输出的信号﹐进行低噪声高频放大后﹐经变频相继转换为中频信号和视频信号。在要求较高的工作中﹐使用频率稳定度达10 的氢原子钟﹐控制本振系统﹐并提供精密的时间信号,由处理机对两个“数据流”作相关处理﹐用寻找最大相关幅度的方法﹐求出两路信号的相对时间延迟和干涉条纹率。如果进行多源多次观测﹐则从求出的延迟和延迟率可得到射电源位置和基线的距离﹐以及根据基线的变化推算出的极移和世界时等参数。参数的精度主要取决于延迟时间的测量精度。因为﹐理想的干涉条纹仅与两路信号几何程差产生的延迟有关﹐而实际测得的延迟还包含有传播介质(大气对流层﹑电离层等)﹑接收机﹑处理机以及钟的同步误差产生的随机延迟﹐这就要作大气延迟和仪器延迟等项改正﹐改正的精度则关系到延迟的测量精度。目前延迟测量精度约为0.1毫微秒。

VLBI用途

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VLBI精确定位

由于甚长基线干涉测量法具有很高的测量精度﹐所以用这种方法进行射电源的精确定位﹐测量数千公里范围内基线距离和方向的变化﹐对于建立以河外射电源为基准的惯性参考系﹐研究地球板块运动和地壳的形变﹐以及揭示极移和世界时的短周期变化规律等都具有重大意义。此外﹐在天体物理学方面﹐由于采用了独立本振和事后处理系统﹐基线加长不再受到限制﹐这就可以跨洲越洋﹐充分利用地球所提供的上万公里的基线距离﹐使干涉仪获得万分之几角秒的超高分辨率。而且﹐随着地球的自转﹐基线向量在波前平面上的投影﹐通常会扫描出一个椭圆来。这样﹐在一天内对某个射电源进行跟踪观测的干涉仪﹐就可以获得各个不同方向的超高分辨率测量数据。依据多副长基线干涉仪跟踪观测得到的相关幅度﹐应用模型拟合方法﹐便可得到关于射电源亮度分布的结构图。地球大气对天体射电信号产生的随机相位起伏﹐带来了干涉条纹相位的测量误差。这和其他一些的误差来源一道﹐限制了甚长基线干涉测量法的应用。若在三条基线上对射电源进行跟踪观测﹐则由三个条纹相位之和所形成的闭合相位﹐基本上可以消去大气和时钟误差的随机效应。用这种闭合相位参与运算﹐可以达到较好的模型拟合﹐从而减小结构图的误差。随着投入观测的站数不断增多﹐闭合相位也在增多﹐而且各基线扫描的椭圆覆盖情况也会逐渐改善﹐从而可以得到更精确的结构图。用甚长基线干涉仪测到的射电结构图表明﹕许多射电源呈扁长形﹐中心致密区的角径往往只有毫角秒量级﹐但却对应着类星体或星系这样的光学母体﹔有些致密源本身还呈现小尺度的双源结构甚至更复杂的结构﹔从射电结构随时间变化的情况看来﹐有的小双源好像以几倍于光速的视速度相分离。这些新发现给天体物理学天体演化学提出了重大的研究课题。我国首次引入VLBI天文测量手段为嫦娥一号定轨 VLBI是英文的甚长基线干涉测量的一个缩写。它的主要特点是用分布在不同地点的两台或者是更多的望远镜在同一时刻观察同一个设定点,然后把数据录入到磁带或者硬盘上,送到VLBI的数据处理中心,用专门的相关处理机进行处理,以获得VLBI的观测量,也就是延迟率和卫星的角位置。
这种干涉测量的方法和特点,使观测的分辨率不再局限于单个望远镜的口径,而是望远镜的距离,我们把它称之为由基线的长度所决定的。

VLBI实际应用

中国科学院的VLBI网是测轨系统的一个分系统,它目前由北京、上海、昆明和乌鲁木齐的四个望远镜以及位于上海的天文台的数据处理中心组成。这样一个网所构成的望远镜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,甚至更高。
VLBI测轨分系统的具体任务是获得卫星的VLBI测量数据,包括时延、延迟率和卫星的角位置,并参与轨道的确定和预报。具体的任务,比如说完成卫星在24小时、48小时周期的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。并且还要参加调相轨道、地月转移轨道、月球捕获轨道段的准实时轨道的确定和预报。
VLBI测轨分系统从2007年10月27日起,即卫星24小时的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。现在已经完成了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的第一天总共十天的测量任务。

VLBI其他应用

VLBI分系统的各测站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,数据资料很好,满足了工程的要求,为嫦娥一号卫星的精确定轨作出了贡献。

VLBI为“嫦娥二号”保驾护航

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VLBI系统为奔月定轨提供测轨数据
奔月、绕月的半年过程中,嫦娥二号的位置信息至关重要。在地面上,我国采用S波段测距和测速系统与VLBI(甚长基线干涉测量技术,用以测量卫星的角度位置)相结合,精确、及时地为卫星定位。
从10月2日凌晨开始,位于我国上海佘山、北京密云、云南昆明、新疆乌鲁木齐的4台射电望远镜组成一张直径3000千米的大网,开始对奔向月球的嫦娥二号进行测控。
凌晨3点,中科院上海天文台的VLBI指挥中心便已就位,4点开始对系统进行校准观测。5点15分,佘山站、密云站先后成功捕获嫦娥二号卫星信号,5点35分昆明站成功捕获卫星信号,7点10分乌鲁木齐站成功捕获卫星信号。此后,卫星的角度定位数据就以5秒一次的频率,从VLBI中心送至北京飞控中心。
据VLBI测轨分系统总指挥、上海天文台台长洪晓瑜介绍,10月3日上午6点和9点,VLBI分系统已向北京飞控中心提供了两次卫星的控前预报轨道测量结果,为嫦娥二号的第一次轨道修正提供了决策信息,并提供控后轨道数据。下午4点,他们给出了当天的轨道测量结果,此后的1个月内,他们将每天在可观测卫星的弧段实时进行卫星的跟踪测量,为卫星进入长期运行作准备。
在112小时的奔月阶段,VLBI系统还将完成一项历时4小时的“较差差分单程测距技术”的试验任务,为嫦娥三号奔月时更高精度的测轨作准备。VLBI测轨分系统总设计师张秀忠告诉记者,从今年4月起,整个系统已进行了不下百次的演练,以确保系统可靠,“若用这套系统定位月球上的一个点,误差范围不会超过一个篮球场”。
与执行嫦娥一号任务时相比,现在的VLBI测轨系统更加稳定,精度更高。尽管这次任务仍然是要求在收到数据10分钟内提供卫星定位信息,但到嫦娥三号时可能提升到1分钟。“这次我们将尽量尝试做到最快。”张秀忠说。
当嫦娥二号绕月飞行后,VLBI的测控工作将进入“月出而作,月落而息”的状态。当卫星进入100公里×15公里轨道时,该系统将迎来下一个挑战,因为此时对测轨的精度要求将更高。
凤凰山天文台45米口射电径望远镜 凤凰山天文台45米口射电径望远镜
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