VLBI

上世紀50年代，劍橋大學的天文學家馬丁·賴爾建成了第一台射電干涉儀，使不同望遠鏡接收到的電磁波可以疊加成像，在此基礎上，VLBI得以發展。1974年，賴爾以此獲得了諾貝爾獎。

採用原子鐘控制的高穩定度的獨立本振系統和磁帶記錄裝置﹔由兩個或兩個以上的天線分別在同一時刻接收同一射電源的信號﹐各自記錄在磁帶上﹔然後把磁帶一起送到處理機中﹐進行相關運算﹐求出觀測值。這種干涉測量方法的優點是基線長度原則上不受限制﹐可長達幾千公里﹐因而極大地提高了分辨率。

甚長基線干涉的測量值包括﹕干涉條紋的相關幅度﹔射電源同一時刻輻射的電磁波到達基線兩端的時間延遲差（簡稱時延）﹐延遲差變化率（簡稱時延率）。相關幅度提供有關射電源亮度分佈的信息﹐時延和時延率提供有關基線（長度和方向）和射電源位置（赤經和赤緯）的信息。所得的射電源的亮度分佈﹐分辨率達到萬分之幾角秒﹐測量洲際間基線三維向量的精度達到幾釐米﹐測量射電源的位置的精度達到千分之幾角秒。在分辨率和測量精度上﹐與其他常規測量手段相比﹐成數量級的提高。目前﹐用於甚長基線干涉儀的天線﹐是各地原有的大﹑中型天線﹐平均口徑在30米左右﹐使用的波長大部分在釐米波段。最長基線的長度可以跨越大洲。

射電源輻射出的電磁波﹐通過地球大氣到達地面﹐由基線兩端的天線接收。由於地球自轉﹐電磁波的波前到達兩個天線的幾何程差(除以光速就是時間延遲差)是不斷改變的。兩路信號相關的結果就得到干涉條紋。天線輸出的信號﹐進行低噪聲高頻放大後﹐經變頻相繼轉換為中頻信號和視頻信號。在要求較高的工作中﹐使用頻率穩定度達10 的氫原子鐘﹐控制本振系統﹐並提供精密的時間信號，由處理機對兩個“數據流”作相關處理﹐用尋找最大相關幅度的方法﹐求出兩路信號的相對時間延遲和干涉條紋率。如果進行多源多次觀測﹐則從求出的延遲和延遲率可得到射電源位置和基線的距離﹐以及根據基線的變化推算出的極移和世界時等參數。參數的精度主要取決於延遲時間的測量精度。因為﹐理想的干涉條紋僅與兩路信號幾何程差產生的延遲有關﹐而實際測得的延遲還包含有傳播介質（大氣對流層﹑電離層等）﹑接收機﹑處理機以及鐘的同步誤差產生的隨機延遲﹐這就要作大氣延遲和儀器延遲等項改正﹐改正的精度則關係到延遲的測量精度。目前延遲測量精度約為0.1毫微秒。

由於甚長基線干涉測量法具有很高的測量精度﹐所以用這種方法進行射電源的精確定位﹐測量數千公里範圍內基線距離和方向的變化﹐對於建立以河外射電源為基準的慣性參考系﹐研究地球板塊運動和地殼的形變﹐以及揭示極移和世界時的短週期變化規律等都具有重大意義。此外﹐在天體物理學方面﹐由於採用了獨立本振和事後處理系統﹐基線加長不再受到限制﹐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﹐隨着地球的自轉﹐基線向量在波前平面上的投影﹐通常會掃描出一個橢圓來。這樣﹐在一天內對某個射電源進行跟蹤觀測的干涉儀﹐就可以獲得各個不同方向的超高分辨率測量數據。依據多副長基線干涉儀跟蹤觀測得到的相關幅度﹐應用模型擬合方法﹐便可得到關於射電源亮度分佈的結構圖。地球大氣對天體射電信號產生的隨機相位起伏﹐帶來了干涉條紋相位的測量誤差。這和其他一些的誤差來源一道﹐限制了甚長基線干涉測量法的應用。若在三條基線上對射電源進行跟蹤觀測﹐則由三個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鐘誤差的隨機效應。用這種閉合相位參與運算﹐可以達到較好的模型擬合﹐從而減小結構圖的誤差。隨着投入觀測的站數不斷增多﹐閉合相位也在增多﹐而且各基線掃描的橢圓覆蓋情況也會逐漸改善﹐從而可以得到更精確的結構圖。用甚長基線干涉儀測到的射電結構圖表明﹕許多射電源呈扁長形﹐中心緻密區的角徑往往只有毫角秒量級﹐但卻對應着類星體或星系這樣的光學母體﹔有些緻密源本身還呈現小尺度的雙源結構甚至更復雜的結構﹔從射電結構隨時間變化的情況看來﹐有的小雙源好像以幾倍於光速的視速度相分離。這些新發現給天體物理學和天體演化學提出了重大的研究課題。我國首次引入VLBI天文測量手段為嫦娥一號定軌　VLBI是英文的甚長基線干涉測量的一個縮寫。它的主要特點是用分佈在不同地點的兩台或者是更多的望遠鏡在同一時刻觀察同一個設定點，然後把數據錄入到磁帶或者硬盤上，送到VLBI的數據處理中心，用專門的相關處理機進行處理，以獲得VLBI的觀測量，也就是延遲率和衞星的角位置。

這種干涉測量的方法和特點，使觀測的分辨率不再侷限於單個望遠鏡的口徑，而是望遠鏡的距離，我們把它稱之為由基線的長度所決定的。

中國科學院的VLBI網是測軌系統的一個分系統，它目前由北京、上海、昆明和烏魯木齊的四個望遠鏡以及位於上海的天文台的數據處理中心組成。這樣一個網所構成的望遠鏡分辨率相當於口徑為3000多公里的巨大的綜合望遠鏡，測角精度可以達到百分之幾角秒，甚至更高。

VLBI測軌分系統的具體任務是獲得衞星的VLBI測量數據，包括時延、延遲率和衞星的角位置，並參與軌道的確定和預報。具體的任務，比如説完成衞星在24小時、48小時週期的調相軌道段的測軌任務。完成衞星在地月轉移軌道段、月球捕獲軌道段以及環月軌道段的測軌任務。並且還要參加調相軌道、地月轉移軌道、月球捕獲軌道段的準實時軌道的確定和預報。

VLBI測軌分系統從2007年10月27日起，即衞星24小時的調相軌道段的第一天正式實施對嫦娥一號衞星的測量任務。現在已經完成了24小時、48小時調相軌道、地月轉移軌道段和月球捕獲軌道段的第一天總共十天的測量任務。

VLBI分系統的各測站數據處理中心設備工作正常，VLBI測量數據及時傳輸到北京的航天飛控中心，數據資料很好，滿足了工程的要求，為嫦娥一號衞星的精確定軌作出了貢獻。

VLBI系統為奔月定軌提供測軌數據

奔月、繞月的半年過程中，嫦娥二號的位置信息至關重要。在地面上，我國採用S波段測距和測速系統與VLBI（甚長基線干涉測量技術，用以測量衞星的角度位置）相結合，精確、及時地為衞星定位。

從10月2日凌晨開始，位於我國上海佘山、北京密雲、雲南昆明、新疆烏魯木齊的4台射電望遠鏡組成一張直徑3000千米的大網，開始對奔向月球的嫦娥二號進行測控。

凌晨3點，中科院上海天文台的VLBI指揮中心便已就位，4點開始對系統進行校準觀測。5點15分，佘山站、密雲站先後成功捕獲嫦娥二號衞星信號，5點35分昆明站成功捕獲衞星信號，7點10分烏魯木齊站成功捕獲衞星信號。此後，衞星的角度定位數據就以5秒一次的頻率，從VLBI中心送至北京飛控中心。

據VLBI測軌分系統總指揮、上海天文台台長洪曉瑜介紹，10月3日上午6點和9點，VLBI分系統已向北京飛控中心提供了兩次衞星的控前預報軌道測量結果，為嫦娥二號的第一次軌道修正提供了決策信息，並提供控後軌道數據。下午4點，他們給出了當天的軌道測量結果，此後的1個月內，他們將每天在可觀測衞星的弧段實時進行衞星的跟蹤測量，為衞星進入長期運行作準備。

在112小時的奔月階段，VLBI系統還將完成一項歷時4小時的“較差差分單程測距技術”的試驗任務，為嫦娥三號奔月時更高精度的測軌作準備。VLBI測軌分系統總設計師張秀忠告訴記者，從今年4月起，整個系統已進行了不下百次的演練，以確保系統可靠，“若用這套系統定位月球上的一個點，誤差範圍不會超過一個籃球場”。

與執行嫦娥一號任務時相比，現在的VLBI測軌系統更加穩定，精度更高。儘管這次任務仍然是要求在收到數據10分鐘內提供衞星定位信息，但到嫦娥三號時可能提升到1分鐘。“這次我們將盡量嘗試做到最快。”張秀忠説。

當嫦娥二號繞月飛行後，VLBI的測控工作將進入“月出而作，月落而息”的狀態。當衞星進入100公里×15公里軌道時，該系統將迎來下一個挑戰，因為此時對測軌的精度要求將更高。

VLBI，是由兩個或兩個以上的天線分別在同一時刻接收同一射電源的信號，問題就是同時接收了同一射電源的信號，但接收到的射電源的信號並不是同一時刻發射的。所以所測得的結果，只是不同時刻事件的匯合！並不能正確展示真實景象！它是越近越真，越遠越假！