VLBI用于深空探測器導航原理及方法

1、1第第5章章 VLBI用于深空探測器導用于深空探測器導航的原理及方法航的原理及方法2VLBI原理及應用3目錄：一、射電天文學的誕生二、射電干涉測量技術三、VLBI系統(tǒng)組成四、VLBI測量原理及實施過程五、數(shù)學物理模型4一、射電天文學的誕生1）空間的電磁輻射波19世紀前，人們一直認為，從天上來到人間的唯一信息是天體發(fā)出的可見光，從來沒人想起過，天體還會送來眼睛看不見的“光”。在十九世紀初，人們開始認識到在可見光之外還存在著人眼看不見的輻射。 1800年，英國天文學家赫歇耳在測量太陽光譜不同區(qū)域的溫度時，發(fā)現(xiàn)光譜紅端之外沒有陽光地方的溫度竟然比可見光之處的溫度還高，他把這種熱線稱為“看不見的光線”

2、，即“紅外線”。 1801年，德國物理學家約翰里特爾又發(fā)現(xiàn)了“紫外光”。1、大氣窗口51、大氣窗口 1870年蘇格蘭物理學家麥克斯韋建立了一套完整的電磁學理論。 電磁場周期性的變化會產(chǎn)生“電磁輻射”-電磁波，電磁波具有比已經(jīng)觀測到的紫外線更短、比紅外線更長的任意波長。 可見光是一種電磁波，它只占電磁波譜的很小一部分。 至20世紀初，人們已經(jīng)在地面實驗室中發(fā)現(xiàn)了從波長短于0.01毫微米的射線到波長大于500毫米以上的無線電波整個電磁輻射的跨度。 它從短波端的射線開始，經(jīng)過X射線，紫外線，可見光，紅外線，直到越來越長的無線電波。 今天的天文學家擁有多種類型的天文望遠鏡，可以探測到天體在各個波段的電

3、磁輻射信號，能更全面地認識和研究天體的性質(zhì)，今天的天文學被稱為全波段天文學。以上試驗和觀測說明，宇宙中的各種天體會發(fā)出波長不同的電磁波信號。61、大氣窗口2）大氣窗口但是，宇宙中大部分電磁波信號在通過地球大氣層時，被吸收而無法到達地面。而穿透大氣到達地面的信號只有： 波長0.40.76m的可見光， “可見光窗口”; 0.762.5m的近紅外譜段和3.54-2m的中紅外譜段,“紅外窗口” 。 1924年，人們在測量電離層的高度時，發(fā)現(xiàn)波長短于60米的無線電波穿過電離層飛向太空，一去不返。大氣向人們開一扇“無線電窗口”，波長范圍：0.1cm-60m左右。72）大氣窗口（續(xù)）“可見光窗口”和“無線電

4、窗口”稱為大氣窗口 。1、大氣窗口82、射電天文學的誕生1）射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗卡爾央斯基（Karl Guthe Jansky）是一名無線電工程師，在美國新澤西州的貝爾電話實驗室工作。1931 年，公司分配他來研究和尋找干擾無線電波通訊的噪聲源；92、射電天文學的誕生（續(xù)）1）射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗n他建造了一笨拙的、看上去比現(xiàn)代同類任何天線更像旋轉木馬、而且更小的射頻天線 。n他將天線調(diào)諧在一個 14-6米的接收波長上，并安裝在老福特輪胎上，每 20 分鐘旋轉一周。 n天線連接在一個接收器上，天線的輸出記錄在一個條形圖表的記錄器上。 102、射電天文學的誕生（續(xù)）n當他的天線旋轉時

5、，他發(fā)現(xiàn)這種未知靜電噪聲的產(chǎn)生方向逐漸變化，在24小時之內(nèi)幾乎經(jīng)過了一個完整的圓周變化。因為他自己并不是一個天文研究者，所以通過了較長一段時間的總結，推測這種靜電噪聲來自于地球之外的某個源，因為靜電噪聲方向變化似乎與地球的自轉有關。n起初他認為這個源是太陽。不過，他注意到這種無線電波輻射每天大約提前4分鐘達到高峰。1）射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗（續(xù)）n實驗中，他發(fā)現(xiàn)除雷電造成的靜電噪聲外，還存在第三種靜電噪聲他無法歸屬，便把它叫做不知起源的穩(wěn)固發(fā)生靜電噪聲。112、射電天文學的誕生（續(xù)）1）射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗n一恒星年實際上比在地球上觀察的日出或日落的數(shù)值長一天。n因此，地球對于恒星的

6、旋轉周期（一恒星天）比一個太陽日（地球繞日自傳周期）短大約4分。n因此央斯基做出結論，這種放射線的來源肯定比太陽遠。n經(jīng)過1年多的精確測量和分析，確認這種噪聲來自地球之外，銀河系中心人馬座方向發(fā)射的一種射電波。 122）雷伯的射電望遠鏡n美國無線電工程師雷伯(Grote Reber)證實了央斯基的發(fā)現(xiàn)。w1937年他在自己家的后院中，研制了一架直徑為9.6米的金屬拋物面天線，為現(xiàn)代無線電望遠鏡建造了樣機；w對準了央斯基曾經(jīng)收到宇宙射電波的天空。w一開始尋找波長更短的放射線，認為這些波長在探測時更容易、強度更強。2、射電天文學的誕生（續(xù)）132）雷伯的射電望遠鏡n美國無線電工程師雷伯(Grote

7、 Reber)證實了央斯基的發(fā)現(xiàn)。w1939年4月，當他將探測波長縮短到1.87米，就發(fā)現(xiàn)了銀河系平面的強烈輻射波。w還進一步發(fā)現(xiàn)了人馬座射電源發(fā)射出許多不同波長的射電波。2、射電天文學的誕生（續(xù)）143）射電天文學的誕生n雷伯又發(fā)現(xiàn)了其它新的射電源，并在1.9米的波長處做出了第一幅“射電天圖”。n從此為以光學波段為主要觀測手段的天文學揭開了新的一頁，射電天文學誕生了。n射電天文學是利用射電望遠鏡接收到的宇宙天體發(fā)出的無線電信號，研究天體的物理、化學性質(zhì)的一門學科。2、射電天文學的誕生（續(xù)）、射電天文學的誕生（續(xù)）154）射電天文學的發(fā)展從央斯基的發(fā)現(xiàn)至今的近80年來，射電天文學揭示了許多奇妙

8、的天文現(xiàn)象，并取得了令人矚目的成就。近代天文學的四大發(fā)現(xiàn)n類星體；n脈沖星；n星際分子n宇宙微波背景輻射；無一不奠基于射電天文學。在獲物理諾貝爾獎的項目中n有7項涉及天文學n其中有5項直接或主要通過射電天文學手段取得的，這些反映了這一新興學科的強大生命力。 2、射電天文學的誕生（續(xù)）16二、射電干涉測量技術0、預備知識(04-15)1)角分辨率：n=/Dw代表波長、D為天線的口徑。w與波長成正比，與天線的口徑D成反比。n減小波長的限制：機動過程中天線的變形小于波長的1/10天線的平整度高于觀測波長的1/20n增加DD D17預備知識（續(xù)）英國 曼徹斯特大學于1946年建造了直徑66.5 m 的

9、固定式拋物面射電望遠鏡 1955 年又建成了當時世界上最大的直徑76m的可轉動拋物面射電望遠鏡美國 20世紀60年代,美國在波多黎各阿雷西博鎮(zhèn)建造了直徑305m的拋物面射電望遠鏡,它是順著凹地的山坡固定在地表面上的,不能轉動,這是世界上最大的單孔徑射電望遠鏡。中國 FAST設計直徑500m 2008年12月26日，F(xiàn)AST工程奠基儀式在貴州省黔南州平塘縣舉行。18小型射電望遠鏡19中型射電望遠鏡20大型射電望遠鏡21FAST22FAST設計圖232）單孔徑射電望遠鏡的限制 射電波長比較大，望遠鏡口徑有限，單個射電望遠鏡觀測的角分辨率低。 如：=10cm，D=40m =/D=10cm/40m=5

10、16=836 =180 60 60/ 無線電波長光學波長數(shù)十萬倍。 射電望遠鏡口徑學望遠鏡口徑數(shù)十倍。 單個射電望遠鏡觀測的角分辨率比光學望遠鏡低。預備知識（續(xù)）射電干涉測量得到的類星體影像射電干涉測量得到的類星體影像242)單孔徑射電望遠鏡的限制n=/Dw為了提高測角分辨率，增大D。w一般光學望遠鏡的角分辨率，比如0.2 。w設, =10cm,則： d=100kmw很難實現(xiàn)預備知識（續(xù)）25預備知識（續(xù)）3）干涉測量的提出n提高角分辨率途徑：w增加Dw減少工程難度n 做法w1962年，劍橋大學卡文迪許實驗室Ryle利用干涉的原理，發(fā)明了綜合孔徑射電望遠鏡，大大提高了射電望遠鏡的分辨率w由兩個

11、（多個）射電望遠鏡構成的虛擬大射電望遠鏡w可以將射電望遠鏡之間的距離任意調(diào)整，采用干涉測量技術26預備知識（續(xù)）3）射電干涉測量的提出用相隔兩地的兩架射電望遠鏡接收同一天體的無線電波, 兩束波進行干涉,其等效分辨率最高可以等同于一架口徑相當于兩地之間距離的單口徑射電望遠鏡。采用信號的干涉,將不同射電望遠鏡接收到同一天體的數(shù)據(jù)進行處理,即可測量出該天體所發(fā)射的無線電信號的相關特性。觀測分辨率不再依賴于望遠鏡口徑的大小,而是取決于各望遠鏡之間的距離,因此望遠鏡之間的距離越長, 分辨本領越高。271、聯(lián)線干涉測量技術1）提出n=/Dw 為了提高測角分辨率，增大D。 將兩臺相距d的射電望遠鏡A和B用電

12、纜聯(lián)接起來共同使用一臺鐘，將接收到的信號混頻后變成中頻，然后通過電纜送往相關器經(jīng)行相處理組成一臺虛擬口徑為d的大天線w 設d=100km， =3.6cm，則： =0.074。w等于或優(yōu)于光學望遠鏡的角分辨率。281、聯(lián)線干涉測量技術（續(xù)）2）實現(xiàn)方法n 傳遞本征信號：從兩臺相距d的射電望遠鏡A和B接收的某射電源的設電信號RA和 RB,經(jīng)過兩根等長電纜分別進入混頻器1和2，與信號 RA和 RB 混頻形成差頻信號RA和 RB。n傳遞中頻信號：這兩個中頻信號經(jīng)過兩根等長電纜進入干涉器，相關處理兩種信號間的時延（觀測值）。AB291、聯(lián)線干涉測量技術（續(xù)）AB3）特點n信號傳輸采用等長電纜，可以實時、

13、后處理n鋪設電纜費用高n天線之間的距離受到限制，最大217公里n受環(huán)境變化影響大4）用途n天體、空間物理n天體圖像n天體頻譜305）例子1、聯(lián)線干涉測量技術（續(xù)）31在美國新墨西哥州的特在美國新墨西哥州的特大天線排列大天線排列Very Large ArreyVery Large Arrey3233中國國家天文臺北京密云綜合孔徑射電望遠鏡 342、甚長基線干涉測量背景：聯(lián)線干涉測量受到電纜價格，溫度等外部環(huán)境的影響，目前最大口徑為217km使得天線口徑無法進一步增大。20世紀硬件和軟件技術的迅猛發(fā)展，使得打破電纜所造成的約束成為可能。高精度原子鐘使得在A、B兩地用兩臺氫原子鐘來取代原來的本機振蕩

14、器產(chǎn)生所需的相同頻率信號高密度記錄設備允許A、B兩地的射電望遠鏡分別把接收到的信號和當?shù)氐臍湓隅姰a(chǎn)生的信號同時記錄在磁帶上，然后再送往相關處理器進行事后處理。甚長基線干涉測量應運而生351)產(chǎn)生過程n每一臺射電望遠鏡采用氫鐘保證時間同步，代替站間的電纜連線。n 距離可達地球直徑n數(shù)據(jù)記錄采用磁帶，可以事后處理。n設d=7400km， =3.6cm，則： =0.001。2、甚長基線干涉測量362)甚長基線干涉測量的定義n 兩臺使用獨立本振信號的射電望遠鏡A和B，同時對同一射電源進行觀測，利用射電干涉測量原理測定信號到達A、B兩站的時間延遲，以及延遲率d/dt；n從而精確測定A到B基線向量、以及

15、射電望遠鏡到射電源方向的一整套理論、方法和技術稱為射電干涉測量。AB3、甚長基線干涉測量372、甚長基線干涉測量3)基本原理n觀測量：n 未知參數(shù)：AB基線向量、射電源方向。38(1)| cosaAcbb ssbABsb 為射電望遠鏡至射電源方向上的單位矢量；為基線向量；為 與 間的夾角。2、甚長基線干涉測量393)甚長基線干涉測量基本原理（續(xù)）(2),(,)(,)AAABBBBABABAOXYZZXYX ZAXYZXYZABXXXbYYYZZZ 坐標系：地心地球坐標系軸 自轉軸指向北極， 軸位于赤道平面，指向經(jīng)度零點， 軸垂直于軸，形成右手系。、和分別為 、 在地球坐標系下的坐標；40Bco

16、scoscossinsinC:coscos()cossin()sinGGGss、 類星體在天球坐標系的坐標為：赤經(jīng) 、赤緯在天球空間直角坐標系的三個坐標方向為：、 類星體在地球坐標系下的坐標為經(jīng)度零點的赤經(jīng)，即格林尼治恒星時。3)甚長基線干涉測量基本原理41ZYXZYXsbcGGGGTsin)sin(cos)cos(cossin)sin(cos)cos(cos3)甚長基線干涉測量基本原理（續(xù)）423)甚長基線干涉測量基本原理（續(xù)）SM起始子午面起始子午面天球赤天球赤道道Z ZX XY YABbs射電信號caA c(C、顧及地球自轉433)甚長基線干涉測量基本原理（續(xù)）C:,:coscos()c

17、ossin()sin1cossin()coscos().cossin()coscos()()coscos(GGGGGGGGGGGbcb sXYZdXYdCddXYCccc 、顧及地球自轉不變發(fā)生變化量觀測方程為：)cossin()sincossin()coscos()GGGGXYZXY 443)甚長基線干涉測量基本原理（續(xù)）（1）如果類星體的天文坐標、精確測定時，只有三個未知參數(shù)（X, Y,Z）。只需要三個觀測值。比較常用。（2）如果、也作為未知數(shù)時，理論上需要（3+2n）個觀測方程。(n為射電源的個數(shù))。)cos(cos)sin(cossin)sin(cos)cos(cos)(YXZYXcc

18、cGGGG 觀觀測測方方程程為為：454)甚長基線干涉測量應用能夠分辨射電源精細結構對射電源位置以及望遠鏡兩端測站的相對位置非常敏感，能夠分辨它們之間位置的細微變化在天體測量和大地測量中應用廣泛在深空天體導航中應用。2、甚長基線干涉測量AB46背景：1967年以來，VLBI技術的發(fā)展已經(jīng)對大地測量、地球動力學和天體測量產(chǎn)生了深遠的影響。VLBI極高的相對精度和分辨率，大大提高了如大地測量定位參考框架的連接地球自轉和極移監(jiān)測估計地殼運動繪制河外射電源圖像等許多任務的精度水平，由此產(chǎn)生了許多新的應用研究領域。VLBI已經(jīng)從發(fā)展和驗證階段進入了一個精化、擴展以及普遍認可的時代。然而，地面VLBI的天

19、線口徑不能無限制增大，為了進一步提高望遠鏡的角分辨率，空間VLBI技術應運而生。3、空間甚長基線干涉測量技術（SVLBI）471）定義：將VLBI天線送往太空，大幅度延伸VLBI觀測基線長度，提高觀測分辨率，這種技術即為空間甚長基線干涉測量（Space VLBI，簡稱SVLBI）。3、空間甚長基線干涉測量技術（SVLBI）482）特點：大幅度提高VLBI分辨率,使之能夠的分辨出更精細的射電源結構和更好地作射電源成圖。VLBI天線受到地球引力場的影響，其觀測量(兩天線接收同一射電源信號的時延和時延變率)同時涉及到三個參考系：由射電源星表實現(xiàn)的射電天球參考系由空間VLBI的軌道運動方程實現(xiàn)的動力學

20、參考系由地面測站網(wǎng)實現(xiàn)的地固參考系空間VLBI不僅能直接實現(xiàn)一個概念清晰的地固系，即同時解算出測站坐標位置、地心原點和地球定向參數(shù)EOP序列，而且還是目前唯一可用于直接連接這三個參考系的空間技術。3、空間甚長基線干涉測量技術（SVLBI）493）發(fā)展在VLBI技術發(fā)展初期的1970年，就由前蘇聯(lián)的N，S. Kardashev等人首先提出，而將設想變?yōu)楝F(xiàn)實的努力則貫穿整個70年代。首先，在1973年，由N.S Kardashe 領導的研究小組提出了在前蘇聯(lián)的Salyut空間站有關SPACELAB-2的飛行計劃中裝配一個4m的天線的建議。1979年，由B.F.Burke和N.S.Kardashev

21、 提出了第一個有關SVLBI的國際合作計劃，他們建議利用NASA的VOIR航天飛機，通過VLBI技術觀測脈沖星來研究星際介質(zhì)中等離子體的變化。3、空間甚長基線干涉測量技術（SVLBI）503）發(fā)展（續(xù)）在1986年和1987年，美國利用宇航局（NASA）的跟蹤與數(shù)據(jù)傳輸衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）中的一個4-9m的通訊衛(wèi)星天線成功地進行了論證實驗。在這期間有關的國家和組織也相繼提出了具體的SVLBI計劃。日本1997年2月發(fā)射了VLBI空間觀測站項目（VSOP）中的第一顆SVLBI衛(wèi)星HALCA之后，SVLBI已經(jīng)變成了現(xiàn)實。日本將在2012年后發(fā)射第二顆SVLBI衛(wèi)星ASTRON-G，俄羅斯也將在

22、2009年底或之后實現(xiàn)空間VLBI計劃，稱作RADIOASTRON計劃。3、空間甚長基線干涉測量技術（SVLBI）514）空間VLBI的組成uSVLBI站u地面VLBI站u地面跟蹤站u相關處理中心3、空間甚長基線干涉測量技術（SVLBI）524）空間VLBI的組成（續(xù)）（1 1）SVLBI站站 天線和饋源系統(tǒng)接收機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)參考相位和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能源系統(tǒng)裝配在空間站上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 534）空間VLBI的組成（續(xù)）（2）地面跟蹤站 w地面跟蹤站的作用是通過兩路無線電通道與SVLBI站進行不間斷的聯(lián)系。w上通道用于向空間站發(fā)射工作指令和穩(wěn)定的參考相位。w下通道用于接收和記錄

23、來自空間站的VLBI觀測數(shù)據(jù)；w系統(tǒng)管理遙測數(shù)據(jù)和由空間返回的參考相位數(shù)據(jù)。w這些數(shù)據(jù)將被送到VLBI數(shù)據(jù)處理中心與地面VLBI的觀測資料一道進行相關處理。 VSOP項目中的衛(wèi)星遙控跟蹤網(wǎng) 544）空間VLBI的組成（續(xù)）（3）地面VLBI系統(tǒng)w地面VLBI站是SVLBI系統(tǒng)的另一主要組成部分。 555）測量過程:空間天線與地面天線網(wǎng)絡觀測共同的射電源，將接收信號轉播到地面遙測站?？臻g天線的相位/頻率參考是基于地面的氫脈澤振蕩器，由地面遙測站（相位傳遞）直接依次轉播到衛(wèi)星。這種相位傳遞的穩(wěn)定性要求很高（大約110-14）。中頻信號數(shù)據(jù)傳到地面后，被記錄在地面VLBI磁帶上，而且與地面觀測陣列中

24、天線的方法完全相同。這些磁帶和地面VLBI陣列的磁帶一起收集在中心處理站來進行互相關處理和圖像處理。與SVLBI天線的所有通訊將通過地面網(wǎng)絡中一個或更多個遙測/控制站（T/C）來實現(xiàn)。地面遙測站的雙向或多向聯(lián)系提供了距離、距離變化率和相位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于確定軌道。3、空間甚長基線干涉測量技術（SVLBI）566）SVLBI與地面VLBI的比較:空間VLBI站本振頻率的相頻率鎖定在地面跟蹤站的氫脈澤頻標上，這個頻標由跟蹤站通過S（或X）波段的向上無線電通道發(fā)送給空間VLBI站?？臻gVLBI站接收到的射電信號及其它數(shù)據(jù)通過K（X、S）波段向下無線電通道發(fā)送給跟蹤站，并經(jīng)格式化后記錄到磁帶上。

25、空間VLBI站上必須配備高精度的天線姿態(tài)調(diào)整、軌道控制和檢測系統(tǒng)?？臻gVLBI站的能源是通過接收太陽能來提供的?？臻gVLBI必須配備全球覆蓋的地面支持系統(tǒng)。3、空間甚長基線干涉測量技術（SVLBI）57背景：傳統(tǒng)VLBI 中，射電望遠鏡觀測到的無線電信號經(jīng)過變頻格式變換采樣產(chǎn)生的寬帶海量觀測數(shù)據(jù)，先記錄在大容量磁帶上, 再傳遞到VLBI 相關處理機做相關處理。實時性較差，處理結果至少需數(shù)日才能得到。 利用VLBI技術為航天器導航定軌和跟蹤定位觀測等應用中中，實時性要求很高，由此，實時VLBI被提出。4、實時VLBI（Real-time VLBI）581）定義：實時VLBI（Real-time

26、VLBI），亦稱為電子VLBI（Electronic VLBI，e-VLBI），是相對傳統(tǒng)VLBI提出的這一技術是指在進行射電觀測的同時，將各射電望遠鏡所觀測的數(shù)據(jù)通過高速網(wǎng)絡實時或準實時地傳送到數(shù)據(jù)處理中心進行相關處理，即對觀測數(shù)據(jù)進行實時處理。實時VLBI的出現(xiàn)得益于通信技術的發(fā)展，目前國內(nèi)外借助于通信網(wǎng)絡將觀測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心的研究實驗已經(jīng)開展，并取得了可喜的成果。4、實時VLBI（Real-time VLBI）592）分類：實時VLBI基于中低速通訊網(wǎng), 需要中間存儲轉發(fā)設備。準實時VLBI采用高速通信技術, 無需中間緩存, 邊觀測、邊傳輸、邊處理。國外已實施的方案在通訊網(wǎng)的

27、形式上, 采用了有線(電話線、光纜) 與微波或衛(wèi)星3 種組網(wǎng)方式。在具體實施時, 分為架設實時VLBI 通信專線和租用既有通信網(wǎng)。4、實時VLBI（Real-time VLBI）603）優(yōu)點：（1）有望實現(xiàn)無人值守的全自動觀測和數(shù)據(jù)處理, 提高觀測可靠性。（2）節(jié)省昂貴、笨重的磁帶記錄設備, 降低磁帶運輸管理費用和損耗風險。（3）運用現(xiàn)代通信技術突破現(xiàn)有磁帶技術的帶寬瓶頸, 通過擴展帶寬提高觀測靈敏度。（4）通過實時檢測干涉條紋, 可以實現(xiàn)各個VLBI 站氫鐘之間的高精度時間同步,并保障整個系統(tǒng)的正常運行和觀測的成功率。（5）現(xiàn)在同時存在有Mark3、Mark4、VLBA、S2 、K4、GBR

28、 等多種磁帶記錄格式,多種記錄系統(tǒng)的格式兼容有較大的困難; 實時VLBI 沒有磁帶記錄, 而采用全數(shù)字系統(tǒng), 沒有復雜的格式轉換障礙, 便于采用通用格式。4、實時VLBI（Real-time VLBI）613）優(yōu)點(續(xù))：實時VLBI能自動、高效地管理觀測網(wǎng), 處理數(shù)據(jù), 是VLBI 技術的一次飛躍和發(fā)展趨勢。它同時具備實時性(能在觀測后幾分鐘內(nèi)獲得處理結果) 和傳統(tǒng)VLBI 的高精度的雙重優(yōu)點, 以及全天候、全天時被動觀測的特點。 能在天體物理、天體測量地球動力學、航天器精密跟蹤、快速定軌和空間科學等領域, 提供效率遠高于現(xiàn)有常規(guī)VLBI 的技術手段。4、實時VLBI（Real-time V

29、LBI）62VLBI觀測過程：組成系統(tǒng)的兩天線同時觀測某一射電源，接收由它輻射出的射電信號經(jīng)各自的接收機放大混頻后，記錄在高密度的數(shù)據(jù)磁帶上。觀測結束后，將兩測站記錄的磁帶送到數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)回放和相關處理，從而得到用于大地測量的延遲和延遲率觀測量。觀測所需的時間和頻率信號是由各天線獨立配備的氫原子鐘來提供的。三、VLBI系統(tǒng)組成63VLBI系統(tǒng)組成：VLBI系統(tǒng)主要由天線接收機記錄終端氫原子鐘相關處理機等部分組成。VLBI技術的發(fā)展始終是以改進系統(tǒng)性能、提高觀測精度為主要目標的，并為之付出了巨大的努力。三、VLBI系統(tǒng)組成641、天線系統(tǒng)天線是射電望遠鏡的一個重要組成部分。用于甚長基線干

30、涉測量的一般都是旋轉拋物面，它主要由拋物面反射面、饋源和天線支架組成。651）天線面（1）拋物面反射天線:其作用是接收被觀測射電源所反射出的射電信號，并將其聚集到拋物面的焦點上，并被饋源所吸收。電器設備比較簡單，是目前使用最廣的一種天線面。反射面可以在很寬的波長范圍內(nèi)工作，并可以同時在不同波長上進行觀測，這對于射電頻譜儀是尤為寶貴的。1、天線系統(tǒng)66（1）拋物面反射天線（續(xù)）一個好的拋物面反射面必須滿足以下三個條件： 在使用天線時，不論什么情況下，拋物面都不應當過分偏離理想形狀。 在所需的波長的偏振角范圍內(nèi)，拋物面應當反射所有投射到它上面的無線電波。 拋物面應當盡可能輕，并造成最小風阻。一架牢

31、固的，結構良好的天線重量和造價大致上隨著它口徑的立方而增加，因此這種型式的大口徑天線通常是整個VLBI系統(tǒng)中最昂貴的部件。1）、天線面67（1）拋物面反射天線（續(xù)）觀測量延遲和延遲率的觀測精度與系統(tǒng)的信噪比成正比，信噪比與天線口徑成正比，提高VLBI觀測精度的一個方法是增大天線口徑。由于積分時間和數(shù)據(jù)記錄帶寬的限制，要得到高的信噪比，通常要求有大口徑的天線面。因為不同波段的射電輻射包含著各自不同的信息， 希望能有多波段工作能力。為了有效消除電離層所產(chǎn)生的附加延遲對觀測量的影響，對VLBI大地測量觀測或天體測量，要求具有相差較遠的雙波段同時觀測的能力。1）、天線面68（1）拋物面反射天線（續(xù)）用

32、于VLBI大地測量的兩個觀測波段為X和S波段，它們的波長分別為3.6cm和13cm。為保證天線效率、降低系統(tǒng)等效噪聲溫度，對天線面的表面精度要求很高。若觀測波長為 ，則要求天線面的平整度要求高于 /20。對用于大地測量的天線而言，其平整度要求好于1.8mm。1）、天線面691、天線系統(tǒng)2）饋源饋源也稱為波導或照明天線，其作用是選擇觀測波段，并將天線面收集到的電磁波轉換成高頻電流能量，傳輸給接收機。觀測波段的選擇是通過對饋源設計形狀的改變來實現(xiàn)的。在變換觀測波段時，首先安裝對應波段的饋源系統(tǒng)。702)饋源（續(xù)）饋源安裝的兩種形式： 主焦饋源 即主焦天線系統(tǒng)，它把饋源放在旋轉拋物面的焦點處 卡焦饋

33、源即卡塞格林系統(tǒng)，用一個雙曲面作為第二反射面，安裝在拋物面的焦點處，將它所收集到的射電波再反射到雙曲面對應的焦點上，這一焦點稱為第二焦點，饋源即安放在第二焦點上。712)饋源（續(xù)）為同時進行雙波段觀測，通常要設計一種特殊的同軸饋源。VLBI觀測量采用的就是X/S波段同軸饋源和卡焦天線系統(tǒng)。饋源研制質(zhì)量的好壞和性能是影響天線效率和天線噪聲溫度的一個主要因素。721、天線面(續(xù))3)天線支架天線支架主要用于支撐天線面并驅動它的運轉，實現(xiàn)天線對被觀測射電源的精密跟蹤。按照支架結構和驅動方式，VLBI天線可分為 赤道式 地平式733）天線支架（續(xù)）（1）赤道式支架： 優(yōu)點：是天線驅動原理簡單，實現(xiàn)裝置

34、方便。在跟蹤過程中，赤緯軸并不需轉動，只要極軸以均勻的速度旋轉即可。 缺點：結構不穩(wěn)定，主要用于小型天線的設計中。74（2）地平式支架:地平式天線通過不斷改變其在地平坐標系中的指向來跟蹤被測射電源的。射電源是繞著極軸作勻速周日視運動的，它在地平坐標系中的方位和高度變化是不均勻的。因此，觀測時，天線的垂直軸和水平軸要不斷地轉動，而且速度也要不斷變化。地平式天線在跟蹤驅動的原理和實現(xiàn)上要比赤道式復雜，但它結構穩(wěn)定，對大型天線的機械制造也比較方便。所以目前大型VLBI天線一般都采用地平式。我國位于上海和烏魯木齊的兩座口徑緯25m的VLBI天線也都是地平式。753）天線支架（續(xù)）天線的指向驅動是由司服

35、系統(tǒng)來控制的。由于接收的信號很弱，加之天線口徑大、方向性強，所以對天線指向的要求很高。指向精度取決于觀測前的天線指向檢測和校準精度，以及司服系統(tǒng)的指向控制精度。762、接收機VLBI系統(tǒng)中的接收機實質(zhì)上就是一架低噪聲、高靈敏度的超外差接收機。組成部分： 低噪聲前置放大器 混頻器 中頻放大器 本振系統(tǒng)作用：它的作用是將由天線饋源輸出的高頻信號放大、混頻后變?yōu)橹蓄l，并輸送給記錄終端。772、接收機1）高頻放大器高頻放大器輸入端與饋源輸出端連接，用于接收和放大經(jīng)饋源導入的、很微弱的射頻信號。接收機系統(tǒng)噪聲主要由天線噪聲和接收機噪聲組成，接收機噪聲占主要成分。為了盡量改善系統(tǒng)信噪比，需要盡可能地降低接

36、收機的系統(tǒng)噪聲溫度。減少接收機噪聲的一個必要措施就是在VLBI接收機中采用低噪聲前置高頻放大器，這是決定接收機噪聲大小的關鍵部件。目前大部分VLBI觀測站采用致冷低噪聲放大器，如致冷參量放大器或致冷場效應晶體管低噪聲放大器?？梢酝ㄟ^增加帶寬、延長積分時間等措施來進一步提高信噪比。782、接收機2）混頻器混頻器將經(jīng)前置高頻放大器放大的射頻信號變頻為具有一定帶寬的中頻信號（Intermediate Frequency，IF）天線接收到的射頻信號不能被直接記錄，必須轉換為基帶信號（Base Band，BB）才能記錄。為此首先將RF信號轉換為IF信號。把接收到的RF信號與角頻率為0=2f0的本振信號混

37、頻，將角頻率 的分量變換為 -0 ，即中頻信號（ IF）：式中右面第二項可被跟在混頻器后面的濾波器濾掉混頻后得到的IF信號需經(jīng)IF放大器進一步放大后，傳輸給視頻變換器，由它將IF信號變換為BB信號。0001sinsincos()cos() 2tttt792、接收機3）本振系統(tǒng)本振系統(tǒng)是混頻器提供標準的本振機振蕩頻率。在VLBI中，混頻所需本振信號不是來自公共的本機振蕩器，而是由臺站的本機振蕩器（稱為分立本振）提供。如果觀測積分時間內(nèi)，組成基線的兩臺站的分立本振相位漂移量達到2，則干涉信號的相干性將完全消失。對于精密的天體測量和大地測量工作，平均漂移需要控制在2/20左右。VLBI要求本振系統(tǒng)具

38、有很高的相位穩(wěn)定性，這種高穩(wěn)定度的本振目前是通過鎖相于原子頻率標準的石英振蕩器來獲得的。而本振之間的相位漂移則主要來自兩臺站間獨立的原子頻標頻率的相對起伏。803、數(shù)據(jù)記錄終端（04-17）型號型號開發(fā)機構開發(fā)機構始用年份始用年份記錄介質(zhì)記錄介質(zhì)數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率單盤記錄時間單盤記錄時間備注備注Mark1Mark1NRAONRAO19671967磁帶磁帶125Kbps125Kbps3min3min數(shù)字系統(tǒng)，帶寬數(shù)字系統(tǒng)，帶寬360kHz360kHzMark IIMark IINRAONRAO19711971錄像帶錄像帶4Mbps4Mbps4h4h數(shù)字系統(tǒng)，帶寬數(shù)字系統(tǒng)，帶寬2MHz2MHzMarkI

39、II MarkIII HaystackHaystack射電天文射電天文臺臺GoddardGoddard宇航中心宇航中心19771977厚磁帶厚磁帶最高最高112Mbps112Mbps=13min=13min數(shù)字系統(tǒng)，帶寬數(shù)字系統(tǒng)，帶寬125 kHz125 kHz56 MHz56 MHzMK3AMK3AHaystackHaystack射電天文射電天文臺臺GoddardGoddard宇航中心宇航中心上世紀上世紀8080年年代代厚磁帶厚磁帶最高最高112Mbps112Mbps2h36min數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)MK4MK4和和VLBA4VLBA4- -上世紀上世紀9090年年代代- -最高最高1Gbps1

40、Gbps- -數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)MKP5MKP5HaystackHaystack射電天文射電天文臺臺20012001計算機硬盤計算機硬盤1Gbps1Gbps- -數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)主要VLBI數(shù)據(jù)記錄終端：813、數(shù)據(jù)記錄終端上海天文臺的數(shù)據(jù)記錄終端：型號型號始用年份始用年份記錄介質(zhì)記錄介質(zhì)記錄速率記錄速率記錄容量記錄容量記錄時間記錄時間Mark I1978計算機磁帶計算機磁帶125Kbps4-7MB5minMark II1981錄像帶錄像帶4Mbps1.8GB1hMark III1986視頻磁帶視頻磁帶112Mbps11GB13minVLBA1993視頻磁帶視頻磁帶112Mbps131.4GB2

41、.6hMK3B1994視頻磁帶視頻磁帶112Mbps131.4GB2.6hVLBA42000薄視頻磁帶薄視頻磁帶1024Mbps591.4GB1.3hCVN陣列陣列2003硬盤硬盤512Mbps2504GB4-3hMK2004硬盤硬盤1024Mbps25016GB8.7h表中的記錄時間是指用最高記錄速率一次性連續(xù)不問斷地進行記錄的時間。CVN陣列和MK5A的容量與采用的單個硬盤容量有關，目前上海天文臺佘山VLBI觀測站的單個硬盤容量是250GB。823、數(shù)據(jù)記錄終端上海天文臺的數(shù)據(jù)記錄終端：前述終端系統(tǒng)大部分采用磁帶機。磁帶機缺點： 價格昂貴 磁帶和磁頭易磨損影響數(shù)據(jù)記錄與回放的質(zhì)量為此，Ha

42、ystack研制了MK5A終端系統(tǒng)(由于諸多優(yōu)點，MK5A很快就將在各VLBI站得到普及。上海天文臺VLBI技術實驗室研制的高速數(shù)據(jù)記錄與回放硬盤系統(tǒng)(CVN陣列)一舉解決了P&G磁帶機與CVN處理機通訊不暢、故障頻繁的多年困擾。與以前的磁帶機系統(tǒng)相比，CVN數(shù)據(jù)記錄的質(zhì)量和可靠性有了極大的提高，但其通用性和性能與MK5A相比還有差距。為與國際先進VLBI站保持同步，佘山站在2004年3月中旬引進了MK5A。834、氫原子鐘和時鐘同步1）氫原子鐘）氫原子鐘VLBI中原子鐘的主要作用： 為其獨立本振提供高穩(wěn)定度的頻率標準 為數(shù)據(jù)終端提供精確的記錄時間為保持VLBI基線兩端天線所記錄的同一

43、射電信號的相干性，要求本振系統(tǒng)具有很高的相對穩(wěn)定性。對于測定VLBI系統(tǒng)，要求頻率穩(wěn)定度好于10-14，目前只有氫原子鐘才能實現(xiàn)?，F(xiàn)有的VLBI天線所配備的鐘基本上都是氫原子鐘。氫原子鐘在觀測中不斷送出5MHz和秒脈沖信號。 5MHz信號 一路送給接收機本振， 另一路送給MARK記錄終端作為視頻轉換和數(shù)據(jù)采集用 秒脈沖 一路送給MARK 終端 另一路給天線控制系統(tǒng)作定時用844、氫原子鐘和時鐘同步2）時間同步）時間同步時鐘同步也叫“對鐘”。要把分布在各地的時鐘對準（同步起來） 最直觀的方法就是搬鐘，可用一個標準鐘作搬鐘，使各地的鐘均與標準鐘對準。 或者使搬鐘首先與系統(tǒng)的標準時鐘對準，然后使系統(tǒng)

44、中的其他時鐘與搬鐘比對，實現(xiàn)系統(tǒng)其他時鐘與系統(tǒng)統(tǒng)一標準時鐘同步。所謂系統(tǒng)中各時鐘的同步，并不要求各時鐘完全與統(tǒng)一標準時鐘對齊。只要求知道各時鐘與系統(tǒng)標準時鐘在比對時刻的鐘差以及比對后它相對標準鐘的漂移修正參數(shù)即可，勿須撥鐘。855、VLBI相關處理系統(tǒng)相關處理機是VLBI觀測資料預處理的關鍵設備, 具有數(shù)據(jù)量大、運算速度快等特點。VLBI高速寬帶相關處理機分為XF型和FX型兩種, FX型性能更為先進, 但研制難度大。目前只有極少數(shù)國家擁有FX型寬帶相關處理機。1）硬件相關處理機VLBI觀測中，觀測臺站把觀測數(shù)據(jù)發(fā)送給相關處理機進行相關處理，然后由觀測者做最后處理并發(fā)表結果。不同類型的記錄終端通

45、常需設計相應的數(shù)據(jù)相關處理系統(tǒng)。上海天文臺硬件相關處理機由上海天文臺張秀忠研究員等研制開發(fā)，是一個五臺站FX型相關處理機。 最多能處理五臺站數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)記錄頻段最多為8個 FFT通道最大為512 積分時間從131.072 ms到1 h 處理速度最大為256Mbs-1station865、VLBI相關處理系統(tǒng)1）軟件相關處理機早期的VLBI相關處理機為軟件相關處理機 MARK1使用IBM360/ 50 運行專門的程序處理數(shù)據(jù)，這是最早的軟件相關處理機早期的計算機性能不高，使得軟件相關處理機的處理速率低于觀測站數(shù)據(jù)采集速率,使數(shù)據(jù)處理時間長于觀測時間，因此很長一段時間內(nèi)軟件相關處理機的研制停滯不前。

46、近幾十年來，計算技術的飛速發(fā)展，計算機運算速度得到極大幅度的提高，軟件相關處理機的研制又提上日程。日本在20世紀80 年代采用Fortran語言編程研制的XF型軟件相關處理機(Cross Correlation in a Computer ,CCC) 已應用于條紋檢測。87軟件相關處理機（續(xù)）荷蘭的歐洲VLBI聯(lián)合研究所(JIVE) 將軟件相關處理機應用于射電天文學中臺站測試領域。美國噴氣推進實驗室(JPL) 從1996 年開始了對SOFTC 軟件相關處理機的研究,并在2001 年成功的將其應用于火星探測器定軌。日本鹿兒島大學研制的窄帶軟件相關處理機應用在實時VLBI 系統(tǒng)中。日本通信綜合研究

47、所(CRL)從1999 年開始研制采用C 語言編程的軟件相關處理機,將應用在航天器導航和測地領域。國內(nèi)對于軟件相關處理機的研究目前正處于起步階段。88VLBI用于深空探測器導航的原用于深空探測器導航的原理及方法理及方法89引言經(jīng)過半個多世紀的努力，人類進入了空間技術時代，各種人造地球衛(wèi)星和空間站已成為探測研究整個地球系統(tǒng)的主要技術和工具，也成為人類邁進信息社會的重要支柱。在此期間，跨越地球空間的宇航技術得到了長足的發(fā)展。隨著人們對空間的認識和空間技術的發(fā)展，對地球外圍從距離地球幾千公里到幾億公里甚至更遠的深層空間的探索和研究的要求越來越強烈，其它行星、恒星、類星體等星體上是否有生命的存在，是否

48、有可供人類利用的資源等問題也日益受到關注。90引言為了解決這些問題和謎團，首先需要在地面上建立觀測站來探測這些深空物體的具體位置、特性、物質(zhì)構成和大氣成分等，判斷進一步探測和研究的必要性，再設計能夠接近探測目標的探測器或人造衛(wèi)星等繞地球的運行軌道并進行成功發(fā)射，進而對探測器或人造衛(wèi)星進行監(jiān)測、跟蹤、并接收它們傳回的探測信息進行信息分流、信息處理等得出定位結果、圖像結果等，通過向探測器或人造衛(wèi)星發(fā)送信息來執(zhí)行遙控、傳送導航信息和調(diào)度等任務?？梢姡诘孛嫔辖⒛軌驅ι羁仗祗w進行多種技術觀測和對人造衛(wèi)星或探測器進行跟蹤、遙控、導航和通訊等的綜合功能深空網(wǎng)是極其必要的。91VLBI技術用技術用于深空探

49、于深空探測的歷史測的歷史92應用歷史VLBI技術自上世紀70年代起已逐步應用于深空探測。典型的例子有：70年代美國阿波羅登月計劃中對于月球車的運動路線測量和80年代美國和前蘇聯(lián)分別實施的金星大氣風速測量，均使用了VLBI 技術，其測量精度分別達到了數(shù)米和幾十厘米/秒；又如日本目前正利用VLBI 技術測量月亮女神繞月衛(wèi)星(SELENE)的精確軌道，以研究月球重力場。1. 國內(nèi)方面，中科院上海天文臺自上世紀90年代開始著手VLBI在深空探測中的應用研究，并參加了多次國際合作的深空探測任務。2004年嫦娥一期工程立項并確定中科院VLBI天文測量系統(tǒng)為該工程測控系統(tǒng)的VLBI測軌分系統(tǒng)參與嫦娥一號衛(wèi)星

50、的快速工程定軌測量后，上海天文臺對現(xiàn)有的VLBI設備進行了升級改造，并多次實施航天器VLBI 測軌的綜合性大型演練，使得VLBI在“嫦娥一號/二號”月球探測器定軌任務中發(fā)揮了重大的作用，為我國的深空探測奠定了堅實的基礎。93VLBI隨著技術的發(fā)展和大量觀測數(shù)據(jù)的積累，VLBI 的定位精度大幅度提高，20世紀末已達到mas 的相對位置精度，VLBI 技術測定的河外射電源相對角位置也構成了當代最好的準慣性天球參考架。由于通過S/X 雙頻觀測可以很好的消除電離層延遲對VLBI 觀測量的影響，對流層、時鐘及儀器誤差將成為限制VLBI 定位精度進一步提高的主要誤差源，為了有效地消除或減小這些誤差對觀測量

51、精度的影響，逐步發(fā)展出差分VLBI 技術(VLBI)。94VLBIVLBI 技術通過交替觀測目技術通過交替觀測目標天體標天體(深空探測器深空探測器)和參考天和參考天體，將信號傳播路徑中的共同體，將信號傳播路徑中的共同誤差從觀測量中扣除，從而實誤差從觀測量中扣除，從而實現(xiàn)高精度的相對定位，精確確現(xiàn)高精度的相對定位，精確確定深空探測器的位置，因而在定深空探測器的位置，因而在深空探測中發(fā)揮著重要的作用，深空探測中發(fā)揮著重要的作用，被廣泛應用于人造地球衛(wèi)星、被廣泛應用于人造地球衛(wèi)星、月球探測器、太陽系行星際探月球探測器、太陽系行星際探測器等深空探測中。測器等深空探測中。95VLBI應用差分VLBI 技

52、術在行星際探測器定軌中的應用目前并不太多，但仍有令人驚喜的成果。例如通過對火衛(wèi)2 號探測器、海盜1 號火星探測器、先驅1 號金星等星際探測器的差分VLBI 觀測，可以初步建立射電天球參考架與太陽系動力學參考架之間的聯(lián)系，聯(lián)接精度可達十幾個毫角秒 ；1984 年，全球20 個VLBI 測站共同觀測了兩個被分別釋放到金星赤道上空用于氣象探測研究的氣球，測定了它們之間的三維位置和速度，解算結果表明兩氣球之間的位置精度為幾千米，速度精度為532 厘米/秒 ，從而實現(xiàn)了導航應用的VLBI 全球聯(lián)合觀測。96VLBI應用進展VLBI技術歷經(jīng)近50年的發(fā)展，具有高精度、高分辨率以及多用途等特點，已經(jīng)在大地測

53、量和天文地球動力學中得到了富有成果的應用。VLBI觀測技術在深空探測中也得到了廣泛的應用，例如1993年7月發(fā)射的日本火星探測衛(wèi)星“NOZOMI”，在衛(wèi)星上儀器發(fā)生故障，地面接收不到測距數(shù)據(jù)時，利用差分VLBI(VLBI)觀測技術成功地確定了該衛(wèi)星的軌道。德國也曾利用一種類似于VLBI測速的3-way多普勒觀測資料確定了“月球勘探者”的軌道，并做了求解月球重力場方面的嘗試?；赩LBI技術的理論和應用已經(jīng)非常成熟，先后出現(xiàn)包括GEODYN，GEODYN II，OCCAM等幾個著名的高精度數(shù)據(jù)處理軟件。國內(nèi)已經(jīng)建設了對于月球探測器定軌的VLBI觀測站：昆明40米口徑和北京50米口徑的天線。它們與

54、國內(nèi)已有的VLBI測站形成了上海、北京、昆明、烏魯木齊等VLBI網(wǎng)絡，通過聯(lián)測對我國月球探測器“嫦娥一號”實現(xiàn)了定軌，展開了相關研究，取得了豐富的成果。97VLBI技術對深空探測的重要性技術對深空探測的重要性98經(jīng)典空間定位技術的不足由于深空探測器所處的特殊空間環(huán)境，目前應用成熟的各種空間定位技術均無法較好的承擔深空探測器的測定軌任務，主要表現(xiàn)為：GPS 一般只用于低軌衛(wèi)星的精密定軌，對于高軌衛(wèi)星定軌精度則很差或無法定軌；SLR 定軌要求衛(wèi)星必須安裝激光反射器，且對軌道高度也有一定限制，不適于月球探測器等深空探測器的定軌；另外，雖然多普勒技術被廣泛的應用于探測器定位中，但其測距精度有限，且對探

55、測器橫向方向的觀測精度仍有待加強。1. 因此，必須發(fā)展新的空間定位技術以滿足深空探測器測定軌的需求。99VLBI的優(yōu)點甚長基線干涉測量(VLBI)技術憑借高精度和高角分辨率的技術特點，成為了各國深空探測的主要測定軌技術手段，我國的“嫦娥”系列月球探測器也采用了USB(統(tǒng)一S 波段測控系統(tǒng))和 VLBI 聯(lián)合觀測的定軌方式。近年來，各國又將差分VLBI 技術(VLBI)引入到深空探測器定位任務中，即地面即地面VLBI 測站在觀測探測器的同時交替觀測其附近的河外射電源，測站在觀測探測器的同時交替觀測其附近的河外射電源，再進行差分組成再進行差分組成VLBI 觀測量觀測量，該技術的優(yōu)點是可以大大削弱探

56、測器信號與被測射電源信號傳播路徑中的測站位置誤差、儀器測量誤差、傳播介質(zhì)誤差等公共誤差對時延觀測量的影響，從而達到提高時延觀測量精度的目的，為進一步提高探測器定軌精度提供保證。100VLBI的優(yōu)點另外，可以設想在深空探測器上安置一個VLBI 天線，與地面VLBI 測站一同對穩(wěn)定的河外射電源進行觀測以組成空間VLBI(SVLBI)時延觀測量，這樣不僅可以克服地球直徑對VLBI 基線長度的限制，進一步提高觀測量精度，而且能夠實現(xiàn)空間大地測量和地球動力學涉及的三個參考系(天球坐標系、地球坐標系及動力學坐標系)的直接連接，避免多系統(tǒng)觀測所帶來的系統(tǒng)差問題，使得精密定軌和參考系連接同時進行，改善探測器的

57、定軌精度?？梢姡鞣N形式的VLBI 技術已逐漸受到國際深空探測領域的關注，對其進行全面深入的研究有利于推動我國深空探測任務的進一步發(fā)展。101VLBI對探測器精密定位的原理對探測器精密定位的原理102VLBI精密單點定位原理精密單點定位原理設在某選定的坐標系中的時刻t0某波從波源S出發(fā)，分別在時刻t1,t2被測站O1,O2接收，對應的測站至月球探測器(波源)矢量分別為S1，S2。設E為時刻t0地心位置，此時測站的地心矢量分別為R1，R2，Re為地心至月球探測器矢量。則有：對于VLBI測量，觀測時延T可表示為：其中,t是幾何時延，就是假定在真空情況下，光線經(jīng)過光程S2和S1的時間差。幾何時延直接

58、和探測器的站心坐標矢量建立幾何關系。是由多種原因引起的附加時延總和。 1110122202(t )(t )(t )(t )(t )(t )eeSSRSSR 2121(tt )Tt 103VLBI精密單點定位原理精密單點定位原理如果能用一定的物理模型計算出附加時延差的采用值 ，則可以由式給出幾何時延的觀測值t ，并建立如下方程： 兩站心坐標矢量的模為：于是2121(tt )Tt 2211c(t )(t )tSSS 12110101011222020202(t )(x (t )x(y (t )(t )(t )(x (t )x(y (t )(t )eeeeeeSyzzSyzz222222）12010

59、10112020202(x (t )x(y (t )(t )(x (t )x(y (t )(t )eeeeeeSyzzyzz222222）104VLBI精密單點定位原理精密單點定位原理上式即是VLBI用于探測器觀測的基本幾何關系式。方程左端是經(jīng)過附加時延改正后的幾何光程差的觀測值，右端是探測器在光子發(fā)射時刻的地心赤道坐標以及兩臺站在接收時刻的地心赤道坐標的函數(shù)。臺站坐標已知，探測器坐標是待定值。假定在n條基線上，同時觀測到探測器在時刻發(fā)出的光子，每條基線都可給出形如下式的觀測方程。如果有三條以上基線同時觀測得到的獨立的誤差方程，即可解出探測器的位置坐標，這就是地面VLBI單點定位的基本原理。1

60、201010112020202(x (t )x(y (t )(t )(x (t )x(y (t )(t )eeeeeeSyzzyzz222222）105VLBI對探測器定位求解過程對探測器定位求解過程由前述可知，對于給定基線兩端的測站O1,O2，將月球探測器和兩臺站之間的距離依次表示為：為了推導方便，簡記為距離差距離差簡記為12110101011222020202(t )(x (t )x(y (t )(t )(t )(x (t )x(y (t )(t )eeeeeeSyzzSyzz222222）22211112222222(xx )()()(xx )()()ssssssryyzzryyzz120101