第6章---空間大地測(cè)量技術(shù)vlbi

1、射電天文學(xué)的誕生 射電干涉測(cè)量技術(shù) 國(guó)際VLBI技術(shù)的發(fā)展 中國(guó)VLBI技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用,內(nèi)容要點(diǎn),射電天文學(xué)的誕生,1.射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實(shí)驗(yàn)卡爾·央斯基（Karl Guthe Jansky）是一名無(wú)線電工程師，在美國(guó)新澤西州的貝爾電話實(shí)驗(yàn)室工作。1931 年，公司分配他來(lái)研究和尋找干擾無(wú)線電波通訊的噪聲源；,射電天文學(xué)的誕生,1.射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實(shí)驗(yàn)他建造了一笨拙的、看上去

2、比現(xiàn)代同類任何天線更像旋轉(zhuǎn)木馬、而且更小的射頻天線 。他將天線調(diào)諧在一個(gè) 14-6米的接收波長(zhǎng)上，并安裝在老福特輪胎上，每 20 分鐘旋轉(zhuǎn)一周。 天線連接在一個(gè)接收器上，天線的輸出記錄在一個(gè)條形圖表的記錄器上。,射電天文學(xué)的誕生,1.射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)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(wú)法歸屬，便把它叫做不知起源的穩(wěn)固發(fā)生靜電噪聲。當(dāng)他的天線旋轉(zhuǎn)時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這種未知靜電噪聲的產(chǎn)生方向逐漸變化，在2

3、4小時(shí)之內(nèi)幾乎經(jīng)過了一個(gè)完整的圓周變化。因?yàn)樗约翰⒉皇且粋€(gè)天文研究者，所以通過了較長(zhǎng)一段時(shí)間的總結(jié)，推測(cè)這種靜電噪聲來(lái)自于地球之外的某個(gè)源，因?yàn)殪o電噪聲方向變化似乎與地球的自轉(zhuǎn)有關(guān)。起初他認(rèn)為這個(gè)源是太陽(yáng)。不過，他注意到這種無(wú)線電波輻射每天大約提前4分鐘達(dá)到高峰。,射電天文學(xué)的誕生,1.射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實(shí)驗(yàn)一恒星年實(shí)際上比在地球上觀察的日出或日落的數(shù)值長(zhǎng)一天。因此，地球?qū)τ诤阈堑男D(zhuǎn)周期（一恒星天）比一個(gè)太陽(yáng)日（地球繞日自

4、傳周期）短大約4分。因此央斯基做出結(jié)論，這種放射線的來(lái)源肯定比太陽(yáng)遠(yuǎn)。經(jīng)過1年多的精確測(cè)量和分析，確認(rèn)這種噪聲來(lái)自地球之外，銀河系中心人馬座方向發(fā)射的一種射電波。,射電天文學(xué)的誕生,2、雷伯的射電望遠(yuǎn)鏡美國(guó)無(wú)線電工程師雷伯(Grote Reber)證實(shí)了央斯基的發(fā)現(xiàn)。1937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(wú)線電望遠(yuǎn)鏡建造了樣機(jī)；對(duì)準(zhǔn)了央斯基曾經(jīng)收到宇宙射電波的天空。一開始尋找波長(zhǎng)更短的

5、放射線，認(rèn)為這些波長(zhǎng)在探測(cè)時(shí)更容易、強(qiáng)度更強(qiáng)。,8/65,射電天文學(xué)的誕生,1939年4月，當(dāng)他將探測(cè)波長(zhǎng)縮短到1.87米，就發(fā)現(xiàn)了銀河系平面的強(qiáng)烈輻射波；還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了人馬座射電源發(fā)射出許多不同波長(zhǎng)的射電波；,射電天文學(xué)的誕生,3、射電天文學(xué)的誕生雷伯又發(fā)現(xiàn)了其它新的射電源，并在1.9米的波長(zhǎng)處做出了第一幅“射電天圖”。從此為以光學(xué)波段為主要觀測(cè)手段的天文學(xué)揭開了新的一頁(yè)，射電天文學(xué)誕生了。射電天文學(xué)是利用射電望遠(yuǎn)鏡接收到的宇

6、宙天體發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)，研究天體的物理、化學(xué)性質(zhì)的一門學(xué)科。,射電天文學(xué)的誕生,4、射電天文學(xué)的發(fā)展從央斯基的發(fā)現(xiàn)至今的60多年來(lái)，射電天文學(xué)揭示了許多奇妙的天文現(xiàn)象，并取得了令人矚目的成就。近代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)無(wú)一不奠基于射電天文學(xué)類星體；脈沖星；星際分子宇宙微波背景輻射；在獲物理諾貝爾獎(jiǎng)的項(xiàng)目中有7項(xiàng)涉及天文學(xué)其中有5項(xiàng)直接或主要通過射電天文學(xué)手段取得的，這些反映了這一新興學(xué)科的強(qiáng)大生命力。,射電天文學(xué)的誕生 射

7、電干涉測(cè)量技術(shù) 國(guó)際VLBI技術(shù)的發(fā)展 中國(guó)VLBI技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用,內(nèi)容要點(diǎn),大氣窗口,宇宙中的各種天體會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)不同的電磁波信號(hào),其中大部分信號(hào)在通過圍繞在地球四周的大氣層時(shí)，將被大氣層所吸收而無(wú)法到達(dá)地面。只有波長(zhǎng)為0.4 ~0.76µm的可見光，波長(zhǎng)為0.76~2.5µm的近紅外譜段，波長(zhǎng)為3.5~4.2µm的中紅外譜段和波長(zhǎng)為8~14µm的遠(yuǎn)紅外譜段，以及

8、波長(zhǎng)在1.4mm，3.5mm，8mm附近的微波波段和波長(zhǎng)大于1cm的微波波段的信號(hào)才能穿透大氣層而到達(dá)地面,我們將其稱為大氣窗口。,河外射電源,（1）正常射電星系：射電功率為1030~1034 w的星系稱正常射電星系。其無(wú)線電信號(hào)的輸出功率約為可見光信號(hào)輸出功率的百萬(wàn)分之一。換言之，一般星系的信號(hào)基本上都是以可見光的形式輸出的。（2）特殊射電星系：射電功率比正常射電星系強(qiáng)102~106倍，已接近甚至超過可見光的輸出功率。多具有射電雙源

9、，其射電來(lái)自星系光學(xué)像兩旁的延伸區(qū)。 （3）河外類星體：類星體是20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的一種新型天體。目前大多認(rèn)為它是屬于星系一級(jí)的天體。類星體的體積很小，許多類星體的直徑只有1光年左右，約為普通星系直徑的十萬(wàn)分之一。然而它所發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)的功率卻要比一般星系強(qiáng)百萬(wàn)倍。于是類星體就成為射電觀測(cè)中非常理想的觀測(cè)目標(biāo)。類星體也能發(fā)出很強(qiáng)的可見光信號(hào)，在照相底片上形成類似于恒星的點(diǎn)狀成像，其角直徑一般都小于1″。利用類星體可以很方便地把

10、光學(xué)觀測(cè)成果和射電干涉測(cè)量的成果相互聯(lián)系起來(lái)。由于正常射電星系所發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)過于微弱，所以在射電干涉測(cè)量中主要觀測(cè)后兩類射電源，特別是河外類星體。,射電觀測(cè),1、射電天體一般星系體積大，直徑可達(dá)數(shù)十至數(shù)百萬(wàn)光年 發(fā)射信號(hào)以可見光為主，無(wú)線電信號(hào)非常微弱，其功率約為可見光的百萬(wàn)分之一左右。用光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)經(jīng)緯儀觀測(cè)。,射電觀測(cè),1、射電天體河外類星體體積小，直徑一般為1光年左右。 既發(fā)射可見光，也發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，且

11、無(wú)線電信號(hào)發(fā)射功率為一般星系的百萬(wàn)倍；可以用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)?？梢砸渣c(diǎn)狀攝像。 這樣可以將天文光學(xué)觀測(cè)和射電干涉測(cè)量的成果結(jié)合起來(lái)。,射電望遠(yuǎn)鏡及其分辨率,射電望遠(yuǎn)鏡是一種能接收和處理來(lái)自太空的無(wú)線電信號(hào)的裝置，由巨大的拋物面天線，高精度的原子鐘，數(shù)據(jù)接收和處理設(shè)備等組成。 利用射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)時(shí)其角分辨率可用下列公式來(lái)估算：

12、 式中 為角分辨率， 為射電望遠(yuǎn)鏡所接收的無(wú)線電信號(hào)的波長(zhǎng)，通常為13cm和3.6cm, 為射電望遠(yuǎn)鏡接收天線的口徑。,Arecibo Radio Telescope 305m,阿雷西博(Arecibo)天文臺(tái)，波多黎各（西印度群島），USA,直徑：305m、51米深、 1974年建成占地大約20英畝，40000塊鋁制面板組成，900噸的接收平臺(tái)射線頻率: 50 MHz (6m) ~ 10,000 MHz (

13、3cm).,干涉測(cè)量,1 干涉測(cè)量的提出角分辨率的提高要求，途徑：增加D；減少工程難度； 做法由兩個(gè)（多個(gè)）射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的虛擬大射電望遠(yuǎn)鏡；可以將射電望遠(yuǎn)鏡之間的距離任意調(diào)整，采用干涉測(cè)量技術(shù)。,聯(lián)線干涉測(cè)量甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量,聯(lián)線干涉測(cè)量的提出,為較大幅度的提高角分辨率，有人提出了聯(lián)線干涉測(cè)量的方法。通過此方法我們就組成了一臺(tái)虛擬的口徑為D的大射電望遠(yuǎn)鏡。此時(shí)D即為兩臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡的距離。,聯(lián)線干涉測(cè)量的局限性： ①

14、 電纜價(jià)格較貴，且鋪設(shè)電纜的工作量也較大。 ② 由于溫度和外界環(huán)境的不同，兩根電纜所產(chǎn)生的熱脹冷縮及介 電系數(shù)的變化也不相同，從而使A，B的傳送時(shí)間也不嚴(yán)格相同，從而影響結(jié)果的精度。這種誤差會(huì)隨著距離的增加而變大。所以聯(lián)線干涉測(cè)量的距離一般被限制在幾十公里以內(nèi)，至今為止，最長(zhǎng)的間距為217公里。,聯(lián)線干涉測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法,從兩臺(tái)相距d的射電望遠(yuǎn)鏡A和B接收的某一射電源的設(shè)電信號(hào)RA和 RB,經(jīng)過兩根等長(zhǎng)電纜分別進(jìn)入混頻器1和2，與

15、信號(hào) RA和 RB 混頻形成差頻信號(hào)RA′和 RB′。這兩個(gè)中頻信號(hào)經(jīng)過兩根等長(zhǎng)電纜進(jìn)入干涉器，相關(guān)處理兩種信號(hào)間的時(shí)延τ（觀測(cè)值）。,聯(lián)線干涉測(cè)量,在美國(guó)新墨西哥州的特大天線排列Very Large Array (VLA),聯(lián)線干涉測(cè)量,澳大利亞：An artist's conception of the Atacama Large Millimeter Array (ALMA),甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量的提出,如前所述，由于經(jīng)費(fèi)

16、及精度等原因，進(jìn)行聯(lián)線干涉測(cè)量時(shí)A、B兩站間的距離無(wú)法繼續(xù)增加，為了進(jìn)一步提高射電測(cè)量的角分辨率，就必須設(shè)法突破電纜所造成的約束。20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)水平的迅猛發(fā)展使我們有可能做到這一點(diǎn)：① 由于高精度的計(jì)時(shí)工具和頻率標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)（例如氫原子鐘）使我們有可能在A、B兩地用兩臺(tái)氫原子鐘來(lái)取代原來(lái)的本振信號(hào)。這兩臺(tái)原子鐘所給出的頻率可視為是完全相同的，故可以用他們來(lái)取代聯(lián)線干涉測(cè)量中的本振和送往混頻的電纜。② 由于高精度的氫原子鐘和高密度

17、的記錄設(shè)備的出現(xiàn)，可以使A、B兩臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡分別接收到的信號(hào)和當(dāng)?shù)氐臍湓隅姷男盘?hào)同時(shí)記錄在磁帶上，然后再送往相關(guān)處理器進(jìn)行事后處理。由于這兩臺(tái)氫鐘能保持嚴(yán)格同步，鐘信號(hào)又與觀測(cè)值一起記錄在磁帶上，這就使我們有可能通過事后回放的記錄來(lái)求出不同時(shí)刻射電信號(hào)到達(dá)A、B兩地的時(shí)間延遲量 。于是聯(lián)線干涉測(cè)量中通往乘法器的兩根電纜也可以取消。從而使兩個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡相互獨(dú)立。兩臺(tái)間的距離不再受電纜線的限制，可以方便的擴(kuò)充至數(shù)千甚至上萬(wàn)公里。這種射電干

18、涉測(cè)量方法被稱為甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量,甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法,每一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡采用氫鐘保證時(shí)間同步，代替站間的電纜連線。 距離可以達(dá)到地球直徑。數(shù)據(jù)記錄采用磁帶，可以事后處理。,基本原理觀測(cè)量： τ 未知參數(shù)：AB基線向量、射電源方向。,甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量的原理,Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory,射電望遠(yuǎn)鏡是一種能接收和處理來(lái)自太空的無(wú)線電信號(hào)的裝置，由巨大的拋物面天線，高精度的原

19、子鐘，數(shù)據(jù)接收和處理設(shè)備等組成。,HartRAO VLBI equipment,空間VLBI（SVLBI）,空間VLBI（SVLBI）,空間VLBI由以下幾部分組成：SVLBI站地面VLBI站地面跟蹤站相關(guān)處理中心,空間VLBI測(cè)量原理,30/65,安裝在空間的天線與地面天線網(wǎng)絡(luò)一起觀測(cè)共同的射電源；將接收信號(hào)通過數(shù)字信號(hào)或模擬數(shù)字信號(hào)連接轉(zhuǎn)播到地面遙測(cè)站?？臻g天線的頻率是基于地面的氫脈鐘，由地面遙測(cè)站直接依次轉(zhuǎn)播到衛(wèi)星（又

20、稱相位傳遞）。這種相位傳遞的穩(wěn)定性要求很高（大約1×10-14）。中頻信號(hào)（IF）數(shù)據(jù)傳到地面記錄在磁帶上。這些磁帶和地面VLBI的磁帶一起收集在中心處理站來(lái)進(jìn)行互相關(guān)處理和圖像處理。,SVLBI觀測(cè)量類型,三種類型地面-地面時(shí)間延遲和延遲率：這些同地面VLBI可觀測(cè)量相同。地面-空間時(shí)間延遲和延遲率：地面天線和安裝在SVLBI衛(wèi)星上天線之間的觀測(cè)量?？臻g-到-空間時(shí)間延遲和延遲率：安裝在兩個(gè)SVLBI衛(wèi)星上的天線之

21、間的觀測(cè)量。,空間VLBI的發(fā)展計(jì)劃,1、俄羅斯RadioAstron前蘇聯(lián)在80年代中期提出的SVLBI計(jì)劃，現(xiàn)由俄羅斯莫斯科列別捷夫（Lebedev）物理研究所的天文空間中心ASC領(lǐng)導(dǎo)。計(jì)劃發(fā)射一個(gè)10m口徑的射電望遠(yuǎn)鏡；最高分辨率:30μas ;任務(wù)建立高精度的天文坐標(biāo)參考系統(tǒng)；建立高精度的地球重力場(chǎng)模型天體物理,空間VLBI的發(fā)展計(jì)劃,2、日本VSOP 1997計(jì)劃在2012年由ISAS贊助VSOP后繼的

22、任務(wù)科學(xué)目標(biāo)毫米級(jí)波段微波觀測(cè)完成活動(dòng)星系核中心特大質(zhì)量黑洞周圍增長(zhǎng)磁圈和噴氣式加速區(qū)域的成像問題南天區(qū)射電源研究以及證明遠(yuǎn)射電源磁力圈結(jié)構(gòu) 。,空間VLBI的發(fā)展計(jì)劃,3、美國(guó)航空航天局(NASA)ALFA(the Astronomical Low Frequency Array)計(jì)劃;計(jì)劃由16顆安裝射電望遠(yuǎn)鏡的小型人造衛(wèi)星群組成空間射電望遠(yuǎn)鏡陣列;一起工作如一個(gè)單一的射電波望遠(yuǎn)鏡；距離地球約達(dá)一百萬(wàn)公里。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高

23、于地球大氣層，觀測(cè)條件不受大氣窗口的限制。,實(shí)時(shí)VLBI（e-VLBI）,實(shí)時(shí)VLBI（簡(jiǎn)稱eVLBI：http://en.wikipedia.org/wiki/EVLBI#e-VLBI ）技術(shù)是在高速數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、海量存儲(chǔ)設(shè)備、高速互聯(lián)網(wǎng)等一系列技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)VLBI的一項(xiàng)重大改進(jìn)，利用高速互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)取代記錄媒介的郵寄，是未來(lái)VLBI 技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。實(shí)時(shí)VLBI大大縮短了從觀測(cè)到成像的時(shí)間間隔，非常適合觀測(cè)短時(shí)標(biāo)

24、瞬變天文現(xiàn)象，有利于天文學(xué)家在天體爆發(fā)的瞬間捕捉到稍縱即逝的信息，這些信息對(duì)于研究強(qiáng)烈的宇宙現(xiàn)象非常重要。實(shí)時(shí)VLBI技術(shù)也被應(yīng)用到對(duì)人造航天器進(jìn)行高精度測(cè)定軌中。,射電天文學(xué)的誕生 射電干涉測(cè)量技術(shù) 國(guó)際VLBI技術(shù)的發(fā)展 中國(guó)VLBI技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用,內(nèi)容要點(diǎn),射電天文學(xué)的誕生 射電干涉測(cè)量技術(shù) 國(guó)際VLBI技術(shù)的發(fā)展 中國(guó)VLBI技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用,內(nèi)容要點(diǎn),上海天

25、文臺(tái)-余山站,烏魯木齊天文臺(tái)-南山站,云南天文臺(tái)-鳳凰山站,國(guó)家天文臺(tái)總部-北京密云站,射電天文學(xué)的誕生 射電干涉測(cè)量技術(shù) 國(guó)際VLBI技術(shù)的發(fā)展 中國(guó)VLBI技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用,內(nèi)容要點(diǎn),IVS products,Earth Orientation Parameters (EOP):24-hour sessions (all EOP)1-hour Intensives (UT1?UTC)Terre

26、strial Reference Frame (TRF)Celestial Reference Frame (CRF)Daily EOP+station coordinates (SINEX-files) Tropospheric Parameters (TROPO)Baseline Lengths (BL),VLBI Terrestrial Reference Frame (VTRF),EOP: Earth Orientat

27、ion ParametersPrecession/NutationPolar motionUT1 - UTC,ICRF: International Celestial Reference FrameQuasar positions,ITRF: International Terrestrial Reference FramePositionsVelocitiesTime series,Reference Frames,

28、大地測(cè)量地面觀測(cè)站G的坐標(biāo)： XG衛(wèi)星定軌SVLBI觀測(cè)衛(wèi)星S的坐標(biāo)： XS或衛(wèi)星的開普勒軌道元素Ei（a，e，i，ω，Ω,，M）天體測(cè)量觀測(cè)射電源的位置XQ：α、δ,地球動(dòng)力學(xué)連接CIS和CTS的參數(shù)（又稱地球定向參數(shù)EOP）地球自轉(zhuǎn)參數(shù)序列ERP’s：xp,yp，UT1-UTC；章動(dòng)參數(shù)：黃經(jīng)章動(dòng)dψ和黃赤交角章動(dòng)dε 固體潮固體潮洛夫數(shù)：η2, λ2；其余參數(shù)時(shí)鐘偏差和鐘漂率：ΔC0, ΔC1；大氣天頂