第6章---空間大地測量技術(shù)vlbi

1、射電天文學(xué)的誕生 射電干涉測量技術(shù) 國際VLBI技術(shù)的發(fā)展 中國VLBI技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)在大地測量中的應(yīng)用,內(nèi)容要點,射電天文學(xué)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；,射電天文學(xué)的誕生,1.射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗他建造了一笨拙的、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 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(zhuǎn)一周。 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。,射電天文學(xué)的誕生,1.射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗實驗中，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。當他的天線旋轉(zhuǎn)時，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(jié)，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(zhuǎn)有關(guān)。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。,射電天文學(xué)的誕生,1.射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗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。因此，地球?qū)τ诤阈堑男D(zhuǎn)周期（一恒星天）比一個太陽日（地球繞日自

4、傳周期）短大約4分。因此央斯基做出結(jié)論，這種放射線的來源肯定比太陽遠。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。,射電天文學(xué)的誕生,2、雷伯的射電望遠鏡美國無線電工程師雷伯(Grote Reber)證實了央斯基的發(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)代無線電望遠鏡建造了樣機；對準了央斯基曾經(jīng)收到宇宙射電波的天空。一開始尋找波長更短的

5、放射線，認為這些波長在探測時更容易、強度更強。,8/65,射電天文學(xué)的誕生,1939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；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；,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)波段為主要觀測手段的天文學(xué)揭開了新的一頁，射電天文學(xué)誕生了。射電天文學(xué)是利用射電望遠鏡接收到的宇

6、宙天體發(fā)出的無線電信號，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，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；在獲物理諾貝爾獎的項目中有7項涉及天文學(xué)其中有5項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)科的強大生命力。,射電天文學(xué)的誕生 射

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

8、波長在1.4mm，3.5mm，8mm附近的微波波段和波長大于1cm的微波波段的信號才能穿透大氣層而到達地面,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。其無線電信號的輸出功率約為可見光信號輸出功率的百萬分之一。換言之，一般星系的信號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60年代發(fā)現(xiàn)的一種新型天體。目前大多認為它是屬于星系一級的天體。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分之一。然而它所發(fā)出的無線電信號的功率卻要比一般星系強百萬倍。于是類星體就成為射電觀測中非常理想的觀測目標。類星體也能發(fā)出很強的可見光信號，在照相底片上形成類似于恒星的點狀成像，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)觀測成果和射電干涉測量的成果相互聯(lián)系起來。由于正常射電星系所發(fā)出的無線電信號過于微弱，所以在射電干涉測量中主要觀測后兩類射電源，特別是河外類星體。,射電觀測,1、射電天體一般星系體積大，直徑可達數(shù)十至數(shù)百萬光年 發(fā)射信號以可見光為主，無線電信號非常微弱，其功率約為可見光的百萬分之一左右。用光學(xué)天文望遠鏡、光學(xué)經(jīng)緯儀觀測。,射電觀測,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)射無線電信號，且

11、無線電信號發(fā)射功率為一般星系的百萬倍；可以用射電望遠鏡觀測?？梢砸渣c狀攝像。 這樣可以將天文光學(xué)觀測和射電干涉測量的成果結(jié)合起來。,射電望遠鏡及其分辨率,射電望遠鏡是一種能接收和處理來自太空的無線電信號的裝置，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。 利用射電望遠鏡進行觀測時其角分辨率可用下列公式來估算：

12、 式中 為角分辨率， 為射電望遠鏡所接收的無線電信號的波長，通常為13cm和3.6cm, 為射電望遠鏡接收天線的口徑。,Arecibo Radio Telescope 305m,阿雷西博(Arecibo)天文臺，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噸的接收平臺射線頻率: 50 MHz (6m) ~ 10,000 MHz (

13、3cm).,干涉測量,1 干涉測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（多個）射電望遠鏡構(gòu)成的虛擬大射電望遠鏡；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(shù)。,聯(lián)線干涉測量甚長基線干涉測量,聯(lián)線干涉測量的提出,為較大幅度的提高角分辨率，有人提出了聯(lián)線干涉測量的方法。通過此方法我們就組成了一臺虛擬的口徑為D的大射電望遠鏡。此時D即為兩臺射電望遠鏡的距離。,聯(lián)線干涉測量的局限性： ①

14、 電纜價格較貴，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的傳送時間也不嚴格相同，從而影響結(jié)果的精度。這種誤差會隨著距離的增加而變大。所以聯(lián)線干涉測量的距離一般被限制在幾十公里以內(nèi)，至今為止，最長的間距為217公里。,聯(lián)線干涉測量實現(xiàn)方法,從兩臺相距d的射電望遠鏡A和B接收的某一射電源的設(shè)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

15、信號 RA和 RB 混頻形成差頻信號RA′和 RB′。這兩個中頻信號經(jīng)過兩根等長電纜進入干涉器，相關(guān)處理兩種信號間的時延τ（觀測值）。,聯(lián)線干涉測量,在美國新墨西哥州的特大天線排列Very Large Array (VLA),聯(lián)線干涉測量,澳大利亞：An artist's conception of the Atacama Large Millimeter Array (ALMA),甚長基線干涉測量的提出,如前所述，由于經(jīng)費

16、及精度等原因，進行聯(lián)線干涉測量時A、B兩站間的距離無法繼續(xù)增加，為了進一步提高射電測量的角分辨率，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：① 由于高精度的計時工具和頻率標準的出現(xiàn)（例如氫原子鐘）使我們有可能在A、B兩地用兩臺氫原子鐘來取代原來的本振信號。這兩臺原子鐘所給出的頻率可視為是完全相同的，故可以用他們來取代聯(lián)線干涉測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兩臺射電望遠鏡分別接收到的信號和當?shù)氐臍湓隅姷男盘柾瑫r記錄在磁帶上，然后再送往相關(guān)處理器進行事后處理。由于這兩臺氫鐘能保持嚴格同步，鐘信號又與觀測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求出不同時刻射電信號到達A、B兩地的時間延遲量 。于是聯(lián)線干涉測量中通往乘法器的兩根電纜也可以取消。從而使兩個射電望遠鏡相互獨立。兩臺間的距離不再受電纜線的限制，可以方便的擴充至數(shù)千甚至上萬公里。這種射電干

18、涉測量方法被稱為甚長基線干涉測量,甚長基線干涉測量實現(xiàn)方法,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。 距離可以達到地球直徑。數(shù)據(jù)記錄采用磁帶，可以事后處理。,基本原理觀測量： τ 未知參數(shù)：AB基線向量、射電源方向。,甚長基線干涉測量的原理,Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory,射電望遠鏡是一種能接收和處理來自太空的無線電信號的裝置，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)一起觀測共同的射電源；將接收信號通過數(shù)字信號或模擬數(shù)字信號連接轉(zhuǎn)播到地面遙測站?？臻g天線的頻率是基于地面的氫脈鐘，由地面遙測站直接依次轉(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（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進行互相關(guān)處理和圖像處理。,SVLBI觀測量類型,三種類型地面-地面時間延遲和延遲率：這些同地面VLBI可觀測量相同。地面-空間時間延遲和延遲率：地面天線和安裝在SVLBI衛(wèi)星上天線之間的觀測量?？臻g-到-空間時間延遲和延遲率：安裝在兩個SVLBI衛(wèi)星上的天線之

21、間的觀測量。,空間VLBI的發(fā)展計劃,1、俄羅斯RadioAstron前蘇聯(lián)在80年代中期提出的SVLBI計劃，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)。計劃發(fā)射一個10m口徑的射電望遠鏡；最高分辨率:30μas ;任務(wù)建立高精度的天文坐標參考系統(tǒng)；建立高精度的地球重力場模型天體物理,空間VLBI的發(fā)展計劃,2、日本VSOP 1997計劃在2012年由ISAS贊助VSOP后繼的

22、任務(wù)科學(xué)目標毫米級波段微波觀測完成活動星系核中心特大質(zhì)量黑洞周圍增長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射電源磁力圈結(jié)構(gòu) 。,空間VLBI的發(fā)展計劃,3、美國航空航天局(NASA)ALFA(the Astronomical Low Frequency Array)計劃;計劃由16顆安裝射電望遠鏡的小型人造衛(wèi)星群組成空間射電望遠鏡陣列;一起工作如一個單一的射電波望遠鏡；距離地球約達一百萬公里。遠遠高

23、于地球大氣層，觀測條件不受大氣窗口的限制。,實時VLBI（e-VLBI）,實時VLBI（簡稱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)上對傳統(tǒng)VLBI的一項重大改進，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VLBI 技術(shù)發(fā)展的一個方向。實時VLBI大大縮短了從觀測到成像的時間間隔，非常適合觀測短時標

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，這些信息對于研究強烈的宇宙現(xiàn)象非常重要。實時VLBI技術(shù)也被應(yīng)用到對人造航天器進行高精度測定軌中。,射電天文學(xué)的誕生 射電干涉測量技術(shù) 國際VLBI技術(shù)的發(fā)展 中國VLBI技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)在大地測量中的應(yīng)用,內(nèi)容要點,射電天文學(xué)的誕生 射電干涉測量技術(shù) 國際VLBI技術(shù)的發(fā)展 中國VLBI技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)在大地測量中的應(yīng)用,內(nèi)容要點,上海天

25、文臺-余山站,烏魯木齊天文臺-南山站,云南天文臺-鳳凰山站,國家天文臺總部-北京密云站,射電天文學(xué)的誕生 射電干涉測量技術(shù) 國際VLBI技術(shù)的發(fā)展 中國VLBI技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)在大地測量中的應(yīng)用,內(nèi)容要點,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、大地測量地面觀測站G的坐標： XG衛(wèi)星定軌SVLBI觀測衛(wèi)星S的坐標： XS或衛(wèi)星的開普勒軌道元素Ei（a，e，i，ω，Ω,，M）天體測量觀測射電源的位置XQ：α、δ,地球動力學(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；章動參數(shù)：黃經(jīng)章動dψ和黃赤交角章動dε 固體潮固體潮洛夫數(shù)：η2, λ2；其余參數(shù)時鐘偏差和鐘漂率：ΔC0, ΔC1；大氣天頂