甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量測(cè)量方法01發(fā)展歷史操作規(guī)范技術(shù)評(píng)價(jià)技術(shù)內(nèi)容實(shí)際應(yīng)用目錄03050204基本信息甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（簡(jiǎn)稱：VLBI）是一種用于射電天文學(xué)中的天文干涉測(cè)量方法。它允許用多個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)一個(gè)天體，模擬一個(gè)大小相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡之間最大間隔距離的巨型望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果。甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量的基礎(chǔ)是時(shí)間同步和相位同步。時(shí)間同步是兩個(gè)觀測(cè)天線的時(shí)間一致，相位同步是接收到的頻率信號(hào)的相位之間一致，實(shí)際上也是時(shí)間同步。甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量的原理是把兩測(cè)站經(jīng)混頻后的信號(hào)分別記錄在各測(cè)站的磁帶上（不用公共的時(shí)鐘，而是各測(cè)站有自己的時(shí)鐘，時(shí)標(biāo)信號(hào)也同時(shí)記錄在磁帶上）。觀測(cè)結(jié)束后，再將兩測(cè)站的磁帶送到處理系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和相關(guān)處理。利用這種辦法,只要能同時(shí)看到源，基線的長(zhǎng)度就幾乎不受限制。發(fā)展歷史發(fā)展歷史1931年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的詹姆斯·肯德用天線陣接收到了來自銀河系中心的無線電波。1937年美國(guó)人格羅特·雷伯在自家的后院建造了一架口徑9.5m的天線，并在1939年接收到了來自銀河系中心的無線電波，并且根據(jù)觀測(cè)結(jié)果繪制了第一張射電天圖，射電天文學(xué)從此誕生。雷伯使用的那架天線是世界上第一架專門用于天文觀測(cè)的射電望遠(yuǎn)鏡。20世紀(jì)60年代，天文學(xué)取得了四項(xiàng)非常重要的發(fā)現(xiàn)：脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子，被稱為“四大發(fā)現(xiàn)”，這四項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都與射電望遠(yuǎn)鏡有關(guān)。20世紀(jì)60年代，最大的單孔徑射電望遠(yuǎn)鏡直徑305米；1962年，英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的馬丁·賴爾（Ryle）利用基線干涉的原理，發(fā)明了綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，大大提高了射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率。其基本原理是：用相隔兩地的兩架射電望遠(yuǎn)鏡接收同一天體的無線電波，兩束波進(jìn)行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一架口徑相當(dāng)于兩地之間距離的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。賴爾因?yàn)榇隧?xiàng)發(fā)明獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

技術(shù)內(nèi)容科學(xué)定義測(cè)量原理觀測(cè)方程參考系誤差改正12345技術(shù)內(nèi)容科學(xué)定義定義一：利用電磁波干涉原理，在多個(gè)測(cè)站上同步接收河外致密射電源(類星體)發(fā)射的無線電信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)站間時(shí)間延遲干涉處理以測(cè)定測(cè)站間相對(duì)位置以及從測(cè)站到射電源的方向的技術(shù)和方法。定義二：利用甚長(zhǎng)基線干涉儀或甚長(zhǎng)基線干涉儀陣，進(jìn)行天體測(cè)量和天體物理研究的技術(shù)方法。

測(cè)量原理原理圖示基線兩端的射電望遠(yuǎn)鏡各自以獨(dú)立的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（氫原子鐘等），同時(shí)接收同一個(gè)射電源的信號(hào)，并記錄于磁帶上，然后將兩磁帶的記錄一起送入處理機(jī)作相關(guān)處理，求出兩相同信號(hào)到達(dá)基線兩端的時(shí)刻之差(簡(jiǎn)稱時(shí)延)和相對(duì)時(shí)延變化率(簡(jiǎn)稱時(shí)延率)。

觀測(cè)方程設(shè)被觀測(cè)的射電源方向(赤緯δ，赤經(jīng)λ)已知，在地心直角坐標(biāo)系中，該兩面射電望遠(yuǎn)鏡位置間的坐標(biāo)差(,,)同觀測(cè)量間的基本觀測(cè)方程為：c+ωcosδ(sinλ-cosλ)+=-cosδcosλ-cosδsinλ-sinδz+c(+t)，其中c是光速；左端第二項(xiàng)是自轉(zhuǎn)項(xiàng)，ω是自轉(zhuǎn)角速度，、用適當(dāng)近似值代入計(jì)算；是觀測(cè)誤差;+t代表時(shí)延中來自儀器的部分。上式假設(shè)所有必須的改正均已作過，包括極移、周日極移、歲差、章動(dòng)、傳播介質(zhì)、測(cè)站、和海潮負(fù)荷等。否則，在觀測(cè)方程式中須有相應(yīng)的待定參數(shù)。時(shí)延的觀測(cè)精度很高，已達(dá)到0.1毫秒，相應(yīng)的距離是3厘米。而且這種方法是純幾何性的測(cè)量，基本不涉及，測(cè)量的距離也只受地球自身的限制。所以，這種技術(shù)可以以厘米級(jí)的精度對(duì)全球進(jìn)行測(cè)量。被觀測(cè)的射電源是銀河系以外的類星體，距離極遠(yuǎn)，它們的自行每年不大于0.0001″，射電源位置的精度已優(yōu)于0.01″，還可更高，以此為參考的坐標(biāo)系是很穩(wěn)定的，是迄今為止可以利用的最好的慣性參考系。此外，這種技術(shù)測(cè)量速度快，幾天或幾小時(shí)的觀測(cè)就可得出滿意的結(jié)果。觀測(cè)完全不受氣象條件的限制，可全天候工作。所有這些，使它必將成為地球測(cè)量、地球動(dòng)態(tài)測(cè)量和天體測(cè)量的特別有力的手段。

參考系根據(jù)相對(duì)論原理宇宙中任何星體的位置確定都需要一個(gè)參考系，觀測(cè)得到數(shù)據(jù)均為依照該參考系所得出的相對(duì)位置。不同的觀測(cè)距離具有不同的參考系，一般太陽(yáng)系以內(nèi)的觀測(cè)以地球參考系為準(zhǔn)，太陽(yáng)系范圍外的觀測(cè)以天球參考系為準(zhǔn)。天球參考系原點(diǎn)：太陽(yáng)系質(zhì)心。赤道：J2000.0平赤道。赤經(jīng)原點(diǎn)：J2000.0動(dòng)力春分點(diǎn)。它的的建立和維持是通過射電源坐標(biāo)表來實(shí)現(xiàn)的。地球參考系原點(diǎn)：地球質(zhì)心。尺度：相對(duì)論框架下的尺度。方向：1984.0國(guó)際時(shí)間局（BIH）方向。誤差改正理論延遲和延遲率為了用最小二乘法進(jìn)行地球動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算，需要計(jì)算理論延遲和延遲率。理論延遲和延遲率計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，它除了計(jì)算幾何延遲和延遲率之外，還需要計(jì)算各項(xiàng)附加延遲和延遲率改正量，如大氣延遲和延遲率等。另外，由于測(cè)站位置受到上面提到的地球固體潮、海潮載荷和大氣載荷等影響而隨時(shí)間變化，所以計(jì)算不同時(shí)刻的理論延遲和延遲率時(shí)，也必須加以相應(yīng)的改正。

操作規(guī)范系統(tǒng)組成測(cè)量值測(cè)量方式操作規(guī)范系統(tǒng)組成1、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量的組成單位為射電望遠(yuǎn)鏡，射電望遠(yuǎn)鏡包含收集無線電波的定向天線、放大電波信息的高靈敏度的接收機(jī)、信息記錄終端、氫原子鐘保證時(shí)間同步、處理和顯示系統(tǒng)五大部分。一個(gè)完整的VLBI系統(tǒng)需要至少兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。2、數(shù)據(jù)處理中心。定向天線收集同一天體的射電輻射，接收機(jī)將這些信號(hào)加工、轉(zhuǎn)化成可供記錄和顯示的形式，終端設(shè)備把信號(hào)記錄下來，并按特定的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和處理，然后顯示大地測(cè)量的延遲和延遲率觀測(cè)量等。

測(cè)量方式1、投射來的電磁波被一精確鏡面反射后，同相到達(dá)公共焦點(diǎn)。用旋轉(zhuǎn)拋物面作鏡面易于實(shí)現(xiàn)同相聚焦，因此，射電望遠(yuǎn)鏡天線大多是拋物面。射電望遠(yuǎn)鏡表面和一理想拋物面的均方誤差如不大于λ/16～λ/10，該望遠(yuǎn)鏡一般就能在波長(zhǎng)大于λ的射電波段上有效地工作。2、對(duì)米波或長(zhǎng)分米波觀測(cè)，可以用金屬作鏡面；而對(duì)厘米波和毫米波觀測(cè)，則需用光滑精確的金屬板(或鍍膜)作鏡面。3、從天體投射來并匯集到望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)的射電波，必須達(dá)到一定的功率電平，才能為接收機(jī)所檢測(cè)。檢測(cè)技術(shù)水平要求最弱的電平一般應(yīng)達(dá)10~20W。射頻信號(hào)功率首先在焦點(diǎn)處放大10～1000倍，并變換成較低頻率(中頻)，然后由電纜將其傳送至控制室，進(jìn)一步放大、檢波，最后以適于特定研究的方式進(jìn)行記錄、處理和顯示。

測(cè)量值甚長(zhǎng)基線干涉的測(cè)量值包括﹕干涉條紋的相關(guān)幅度；射電源同一時(shí)刻輻射的電磁波到達(dá)基線兩端的時(shí)間延遲差(簡(jiǎn)稱時(shí)延)，延遲差變化率(簡(jiǎn)稱時(shí)延率)。相關(guān)幅度提供有關(guān)射電源亮度分布的信息，時(shí)延和時(shí)延率提供有關(guān)基線(長(zhǎng)度和方向)和射電源位置(赤經(jīng)和赤緯)的信息。所得的射電源的亮度分布，分辨率達(dá)到萬分之幾角秒，測(cè)量洲際間基線三維向量的精度達(dá)到幾厘米，測(cè)量射電源的位置的精度達(dá)到千分之幾角秒。在分辨率和測(cè)量精度上，與其他常規(guī)測(cè)量手段相比，成數(shù)量級(jí)的提高。用于甚長(zhǎng)基線干涉儀的天線，是各地原有的大﹑中型天線，平均口徑在30米左右，使用的波長(zhǎng)大部分在厘米波段。最長(zhǎng)基線的長(zhǎng)度可以跨越大洲。

實(shí)際應(yīng)用應(yīng)用學(xué)科相關(guān)組織具體用途實(shí)際應(yīng)用應(yīng)用學(xué)科地質(zhì)學(xué)由于甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量法具有很高的測(cè)量精度，所以用這種方法進(jìn)行射電源的精確定位，測(cè)量數(shù)千公里范圍內(nèi)基線距離和方向的變化，對(duì)于建立以河外射電源為基準(zhǔn)的慣性參考系，研究地球板塊運(yùn)動(dòng)和地殼的形變，以及揭示極移和世界時(shí)的短周期變化規(guī)律等都具有重大意義。天體物理學(xué)在天體物理學(xué)方面，由于采用了獨(dú)立本振和事后處理系統(tǒng)，基線加長(zhǎng)不再受到限制，這就可以跨洲越洋，充分利用地球所提供的上萬公里的基線距離，使干涉儀獲得萬分之幾角秒的超高分辨率。而且，隨著地球的自轉(zhuǎn)，基線向量在波前平面上的投影，通常會(huì)掃描出一個(gè)橢圓來。這樣，在一天內(nèi)對(duì)某個(gè)射電源進(jìn)行跟蹤觀測(cè)的干涉儀，就可以獲得各個(gè)不同方向的超高分辨率測(cè)量數(shù)據(jù)。依據(jù)多副長(zhǎng)基線干涉儀跟蹤觀測(cè)得到的相關(guān)幅度，應(yīng)用模型擬合方法，便可得到關(guān)于射電源亮度分布的結(jié)構(gòu)圖。地球大氣對(duì)天體射電信號(hào)產(chǎn)生的隨機(jī)相位起伏，帶來了干涉條紋相位的測(cè)量誤差。這和其他一些的誤差來源一道，限制了甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量法的應(yīng)用。若在三條基線上對(duì)射電源進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，則由三個(gè)條紋相位之和所形成的閉合相位，基本上可以消去大氣和時(shí)鐘誤差的隨機(jī)效應(yīng)。用這種閉合相位參與運(yùn)算，可以達(dá)到較好的模型擬合，從而減小結(jié)構(gòu)圖的誤差。具體用途觀測(cè)衛(wèi)星中國(guó)科學(xué)院的VLBI是測(cè)軌系統(tǒng)的一個(gè)分系統(tǒng)，它由北京、上海、昆明和烏魯木齊的四個(gè)望遠(yuǎn)鏡以及位于上海的天文臺(tái)的數(shù)據(jù)處理中心組成。這樣一個(gè)所構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡分辨率相當(dāng)于口徑為3000多公里的巨大的綜合望遠(yuǎn)鏡，測(cè)角精度可以達(dá)到百分之幾角秒，甚至更高。VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)的具體任務(wù)是獲得衛(wèi)星的VLBI測(cè)量數(shù)據(jù)，包括時(shí)延、延遲率和衛(wèi)星的角位置，并參與軌道的確定和預(yù)報(bào)。具體的任務(wù)，比如說完成衛(wèi)星在24小時(shí)、48小時(shí)周期的調(diào)相軌道段的測(cè)軌任務(wù)。完成衛(wèi)星在地月轉(zhuǎn)移軌道段、月球捕獲軌道段以及環(huán)月軌道段的測(cè)軌任務(wù)。并且還要參加調(diào)相軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道、月球捕獲軌道段的準(zhǔn)實(shí)時(shí)軌道的確定和預(yù)報(bào)。VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)從2007年10月27日起，即衛(wèi)星24小時(shí)的調(diào)相軌道段的第一天正式實(shí)施對(duì)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的測(cè)量任務(wù)。如今已經(jīng)完成了24小時(shí)、48小時(shí)調(diào)相軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道段和月球捕獲軌道段的第一天總共十天的測(cè)量任務(wù)。VLBI分系統(tǒng)的各測(cè)站數(shù)據(jù)處理中心設(shè)備工作正常，VLBI測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)奖本┑暮教祜w控中心，數(shù)據(jù)資料很好，滿足了工程的要求，為嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的精確定軌作出了貢獻(xiàn)。相關(guān)組織IVS:InternationalVLBIServiceforGeodesyandAstrometry（應(yīng)用于測(cè)地和天測(cè)的國(guó)際VLBI服務(wù)）的縮寫，為全球性的VLBI應(yīng)用于天體測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)方面的合作組織，開展VLBI觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理及技術(shù)發(fā)展的國(guó)際合作并提供服務(wù)。EVN：EuropeanVLBINetwork（歐洲VLBI）的縮寫。它首先由歐洲國(guó)家發(fā)起成立的VLBI組織。自1994年起，中國(guó)的上海和烏魯木齊VLBI站也參加了該組織，所以實(shí)質(zhì)上為歐亞VLBI。EVN提供天體物理及某些天體測(cè)量課題的觀測(cè)及進(jìn)行VLBI技術(shù)發(fā)展的國(guó)際合作。APT：Asia-PacificTelescope（亞太射電望遠(yuǎn)鏡）的縮寫，它由亞太地區(qū)VLBI組織或者臺(tái)站組成，每年不定期地組織天文學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)方面的VLBI觀測(cè)，并組織學(xué)術(shù)交流。CORE：ContinuousObservationRotationofEarth（地球自轉(zhuǎn)連續(xù)觀測(cè)）的縮寫，它為美國(guó)NASA的一項(xiàng)研究計(jì)劃，由美國(guó)NASA的GSFC主持，全球大多數(shù)具有天測(cè)/測(cè)地能力的VLBI臺(tái)站參加了該項(xiàng)計(jì)劃。其主要科學(xué)目的就是用VLBI技術(shù)高精度連續(xù)測(cè)量地球自轉(zhuǎn)參數(shù)；同時(shí)，也為天球參考系、地球參考系的建立和維持及現(xiàn)代板塊運(yùn)動(dòng)觀測(cè)提供高精度的數(shù)據(jù)。VSOP：VLBISpaceObservatoryProgram（VLBI空間觀測(cè)站計(jì)劃）的縮寫。技術(shù)評(píng)價(jià)技術(shù)缺陷特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)技術(shù)評(píng)價(jià)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)1、VLBI延遲和延遲率是純幾何觀測(cè)量，其中沒有包含地球引力場(chǎng)的信息，因此觀測(cè)量的獲得也不受地球引力場(chǎng)的影響。2、VLBI是相對(duì)測(cè)量，僅利用VLBI技術(shù)只能測(cè)定出兩個(gè)天線之間的相對(duì)位置，即基線矢量b，而不能直接測(cè)出各天線的地心坐標(biāo)。3、為了確定VLBI測(cè)站的地心坐標(biāo)，通常是在一個(gè)測(cè)站上同時(shí)進(jìn)行VLBI和激光測(cè)衛(wèi)（SatelliteLaserRanging，SLR）觀測(cè)，即并置觀測(cè)，利用SLR技術(shù)所測(cè)得的地心坐標(biāo)為基準(zhǔn)，進(jìn)而推算出其他VLBI測(cè)站的地心坐標(biāo)。4、由于射電源的赤經(jīng)α和地球自轉(zhuǎn)的變化之間有直接的關(guān)系無法獨(dú)立地從延遲和延遲率觀測(cè)量中解算出來。因此，VLBI技術(shù)不能獨(dú)立地確定射電源參考系的赤經(jīng)原點(diǎn)，它必須用其他技術(shù)來測(cè)定。5、延遲率觀測(cè)量中不包含基線分量Z的影響。所以，僅由延遲率觀測(cè)無法解算出基線分量Z。另外，將延遲率的數(shù)據(jù)加到延遲數(shù)據(jù)中，并不會(huì)減少