——VLBI技术在嫦娥工程中首次成功应用

 

前言

　　VLBI技术是20世纪60年代末发展起来的新技术，是目前能获得最高分辨本领和最高测量精度的观测和测量手段。中国科学院上海天文台从事VLBI技术和相关科学研究30多年，积累了丰富的经验，在国际天文研究中发挥了重要作用。在我国首次月球探测中，根据工程特点，攻克一道道难关，自行研制了许多高精度设备，使我国VLBI系统满足了航天工程可靠性、稳定性和实时性的要求。“嫦娥一号”卫星任务中，我们将VLBI技术成功应用于探月卫星发射后调相轨道段至进入环月轨道段全程10天以上的连续测轨，完满完成对月球探测卫星的测量轨道任务，在我国尚属首次，在国际上也没有先例。目前还在对嫦娥一号卫星进行长期运行管理的轨道测量。

（一）VLBI技术概述

　　VLBI一词为英文“甚长基线干涉测量”(Very Long Baseline Interferometry) 的缩写。VLBI将多台射电望远镜（观测台站）通过干涉的方法联网并同时工作，其观测效果等效于一个巨大的综合孔径射电望远镜。

　　VLBI观测台站采用高稳定度氢原子钟作为独立本振系统和专门的数据记录装置（记录介质通常为磁带或磁盘，或通过网络传输）。观测时，由两个或更多的天线在同一时刻接收同一射电源的信号，并各自记录。观测结束后将记录介质送到专门的VLBI数据处理中心进行相关运算，求出观测量。VLBI系统中的望远镜间距称为基线，其长度原则上不受限制。地面VLBI可长达几千公里，空间VLBI可达几万公里以上。基线长度可等效为综合孔径望远镜的最大口径，因而VLBI可获得极高的观测分辨率。随着计算机和网络技术的快速发展，目前已可用硬盘取代传统的磁带记录数据，并正发展利用光缆实时传送，实时处理观测数据。

　　VLBI是目前空间分辨率最高的天文观测手段。时延、时延率和干涉条纹的相关幅度是VLBI的主要观测量。射电源同一时刻辐射的电磁波到达基线两端的时间延迟差(简称时延)。时延变化率简称时延率。时延和时延率可提供关于基线 (长度和方向)和射电源位置(赤经和赤纬) 相关的信息；相关幅度则反映了有关射电源亮度分布。VLBI获得的射电源亮度分辨率达到万分之几角秒，测量洲际间基线三维向量精度可达几厘米，测量射电源位置的精度达到万分之几角秒。

（二）我国VLBI发展历程

　　中国科学院上海天文台是我国VLBI技术发展的摇篮。20世纪70年代初，上海天文台叶叔华院士提出了建设中国VLBI网的建议。1978年上海天文台射电天文研究室成立，逐步开展VLBI系统建设和应用研究工作。1981年11月， VLBI实验系统的6米天线与原西德100米天线在21厘米波段进行了国际上首次横跨欧亚大陆的VLBI观测。1987年11月，我国首台25米射电望远镜在上海佘山建成。

　　1986年，上海天文台提出了“中国VLBI网二期工程”，在上海佘山站的基础上，建设沪－乌两台站VLBI系统。1993年 12月，上海天文台为乌鲁木齐南山站与39所签订 “25米射电望远镜天线系统”。1994年10月，南山站揭幕。目前上海天文台和乌鲁木齐天文站的两架25米射电望远镜已成为国际上测地学和天体测量学的国际VLBI服务网络（IVS）和天体物理研究的欧洲甚长基线干涉网（EVN）的正式成员。

　　为完成绕月探测工程，2006年，国家天文台分别在北京和昆明建设口径为50和40米的射电望远镜。它们不仅是绕月探测工程地面应用系统的数据接收站而且是中国VLBI网（CVN）新的观测站，参加绕月卫星的VLBI测轨工作。上海天文台为这两台望远镜配备了VLBI接收和记录终端。此后，上海天文台建立了4台站VLBI数据处理中心（包括软件相关处理机、硬件相关处理机、数据后处理、测角计算，误差修正、轨道计算、观测计划编制、以及数据实时收发系统和调度系统等），同时建立了四个台站到上海VLBI数据处理中心的数据传输的网络。2007年由上海、北京、昆明和乌鲁木齐4台站以及上海天文台的VLBI数据处理和调度中心构成完整的中国VLBI网正式建成。

（三）现有的人才、技术、设备现状和优势

　　上海天文台拥有一支实力很强的VLBI人才队伍，有VLBI实验室和佘山观测基地两个VLBI学科创新团组。是我国VLBI的技术发源地和重要的技术开发基地，能独立研制VLBI相关处理机和氢原子钟，拥有25米射电望远镜、数据处理中心、氢原子钟主要VLBI设施等，并具有从组织VLBI观测、数据处理到科学应用的能力。

　　上海天文台以天文地球动力学和银河系、星系天体物理研究见长，拥有甚长基线干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、全球定位系统（GPS）等多项现代空间天文观测技术，是世界上同时拥有这些技术的少数几个天文台之一。具有对空间飞行器精密测轨、定轨及轨道设计相关学科优势和有30多年的VLBI工作经验。近年来，上海天文台承担我国探月、深空探测和导航定位系统等方面的重大任务，是国家二级保密单位，并获得我国军工产品质量管理体系证书和武器装备科研生产许可证。

（一）专家论证，VLBI分系统在嫦娥工程中立项

　　嫦娥一号卫星绕月探测工程是我国首次月球探测工程，是我国跨入深空探测的第一步，在我国航天事业的发展史上具有里程碑意义。由于我国无深空探测网，现有的S频段航天测控网（USB测控系统）主要为地球卫星服务，其测控的最远地球卫星距地球为8万公理，面对超过30万公里的嫦娥卫星的测控，许多技术要求已接近USB系统临界。工程立项之初，如何在无深空网支持条件下完成地月距离远距离测控成为了整个工程的瓶颈。如何利用我国现有条件，安全可靠地将探月卫星送入月球轨道并对绕月卫星精密测轨无疑是绕月工程的一大关键。

　　在绕月工程立项中，上海天文台积极主动向工程总体介绍VLBI测轨方法及其在绕月工程应用的可行性。经过多次反复论证，工程总体认为中国科学院的VLBI测量系统有能力对绕月卫星进行精密测量。2003年9月，国防科工委、中国科学院、总装备部和航天科技集团公司向中央提交的《我国月球探测工程综合立项论证报告》指出，我国绕月工程系统的测控系统“以我国现有的S频段航天测控网为主，辅以VLBI（甚长基线干涉仪）天文测量系统组成”，解决了嫦娥工程测控的瓶颈，为工程及时立项做出了重要贡献。

（二）VLBI分系统在嫦娥工程中的任务和技术要求

　　根据国防科工委月球探测工程中心《关于下发绕月探测工程五大系统任务书的通知》，绕月探测工程测控系统以USB+VLBI这一创新方式，完成绕月探测工程的测控任务。

　　嫦娥工程中，VLBI分系统的任务和技术要求具体为：①完成卫星在24小时、48小时周期调相轨道段的测轨任务；②完成卫星在地月转移轨道段、月球捕获轨道段、以及环月轨道段的测轨任务；③参加调相、地月转移、月球捕获轨道段的准实时轨道确定与预报；④完成与北京航天指挥控制中心间的数据交换。

　　工程任务实施中，上海天文台作为绕月探测工程VLBI测轨分系统的总体单位，具体组织实施了以中科院的VLBI系统为基础，进行重大技术改造，建立VLBI测轨分系统，配合USB系统，保证了嫦娥卫星的高精度和高可靠性测控。

（三）科学管理，联合攻关，突破关键

　　严慎细实、科学管理是VLBI在探月工程中得以成功实施的重要保证。

　　2001年起，在工程立项前，上海天文台就跟踪国家战略需求，组织开展了VLBI应用于月球探测测控关键技术研究。通过有关863项目及中国科学院知识创新工程方向性项目“VLBI应用于月球探测测控的关键技术研究”等项目研究开展预研工作，组织观测试验，着手突破月球探测卫星VLBI定位定轨的数学模型和数据处理方法、人造天体实时VLBI观测技术等关键技术。

工程立项后，VLBI测轨分系统设立了工程总指挥、总设计师二师系统。

　　行政指挥系统：上海天文台台长担任工程总指挥，对工程项目的研制质量与可靠性负责，并在计划、组织、过程控制、协调和资源等方面对工程项目的研制质量与可靠性工作予以保证。在工程项目研制完成交付时签署《产品质量承诺书》。

　　设计师系统：由各级设计师组成，负责产品研制中的技术设计工作。对工程项目研制的设计、试验质量与可靠性负责。各子系统设一名项目负责人负责该子系统的质量与可靠性策划，协助设计师做好对项目质量与可靠性的设计等工作。

　　二师系统还负责工程项目研制过程中质量与可靠性的策划与实施，并对质量与可靠性工作进行监督、控制和技术支持，并对有关的监督检查形成相关记录。

　　项目总体组按《绕月探测工程VLBI测轨分系统项目研制任务书》以及我台质量管理体系要求分别编制了《质量保证大纲》、《标准化大纲》和《软件工程质量保证计划》；在研制过程中，按照系统工程化要求，编制了《系统研制工程化管理大纲》和《可靠性工作计划》。在分系统总体技术方案中，对系统的质量与可靠性分析、可靠性模型等具体的设计和指标分配进行了策划。在分析VLBI分系统关键技术的同时，对系统的可靠性进行分析。项目的可靠性策划、组织和管理工作落实。为加强项目管理，分系统建立了周例会制度，组织学习文件，传达交流有关信息，汇报研制工作进展，布置、明确下周主要工作，及时协调解决项目研制过程中出现的问题，确保项目进展顺利。

　　2004年起，VLBI测轨分系统全体参研人员贯彻工程要求，攻克了各种难关，先后完成了VLBI测轨分系统的系统论证、VLBI测量精度分析研究、总体技术方案设计、嫦娥一号卫星任务VLBI分系统总体技术（实施方案）等任务。突破了e-VLBI技术、相关后处理、测角算法、介质改正、实时快速定轨、条纹搜索等关键技术；完成了软硬相关处理机、致冷接收机、软件系统（含8个配置项：观测纲要编制、软件相关处理、相关后处理、传播介质误差修正、轨道计算、测角归算、台站监管、运行管理）等关键设备研制和系统集成，对有关的关键技术进行了评审。

　　经过艰苦努力，2007年，VLBI分系统完成了对VLBI台站（包括上海、北京、昆明、乌鲁木齐四个VLBI观测站）的改造，VLBI数据处理和指挥控制中心及相关通信设施的研制和建设。

（四）质量第一，实施工程化管理

　　为高质量完成这一重大航天工程，VLBI测轨分系统根据任务书、工程项目管理办法及嫦娥工程质量与可靠性要求，严格按工程化管理，按计划完成了从总体方案设计阶段、系统建设与任务准备阶段和在任务实施阶段的各项任务。

　　从2007年10月27日至11月30日，VLBI测轨分系统按照北京航天飞行控制中心的指令，制定VLBI分系统观测计划，对嫦娥一号进行跟踪观测。观测数据实时送往位于上海天文台的VLBI数据处理中心。VLBI中心经过复杂的处理后将卫星时延，时延率和角位置以准实时方式送往北京指挥控制中心。VLBI中心同时还接收北京飞控中心的USB测距测速数据，完成“嫦娥一号”卫星的轨道确定，并送北京飞控中心。

　　在每天实时观测完成后，VLBI分系统对观测数据进行更精确的系统误差修正，并将新的精修正后的时延，时延率，角位置和定轨结构送北京指挥控制中心。特别是在11月2日地月转移轨道段中途修正，11月5日、6日、7日的三次近月制动中，VLBI分系统对变轨过程进行了跟踪测量，并向北京指挥控制中心提供了控前6小时、控前3小时和控后30分钟的定轨结果，为“嫦娥一号”卫星准确入轨作出了贡献。

　　由于观测了严慎细实的科学管理方针，上海天文台领导的VLBI测轨系统全面达到各项设计指标，部分重要指标大大超过了设计指标。

（一）完善我国厘米波VLBI网建设

　　为适应我国天文学和深空探测领域对VLBI的需求，多年来上海天文台一直致力于中国厘米波段VLBI网，不断完善其性能。

1、台站建设：对上海和乌鲁木齐VLBI系统进行适时升级改造，使其保持国际先进水平；2006年建设的北京密云和云南昆明两台射电望远镜，已配备S/X波段接收设备和VLBI记录终端；我国VLBI网可进行S/X波段的联测。计划在在2010年以前，为北京和昆明站研制C和L波段接收机。届时使中国VLBI网的四台站共同具有四个工作波段（S、X、C、L）的观测能力。我国计划在贵州建设的FAST也将具有VLBI观测功能。

2、处理中心：在绕月探测工程的支持下，在上海天文台建立了我国唯一的VLBI数据处理中心。该中心不仅完成了工程关键段的数据处理任务，目前还在承担长达一年的卫星长期运行管理期间的VLBI观测指挥与数据处理的任务。计划在2010年前，将其扩展为10台站处理能力。

目前上海天文台正在研制积极发展先进的VLBI高速软件相关处理机、宽带数字基带转换器、毫米波VLBI等新技术，旨在为VLBI在未来我国天文观测、大地测量和航天器测轨等领域的应用服务。

（二）发展空间和深空VLBI关键技术和设备

　　为适应科学研究和国家战略需求，上海天文台正努力发展有关关键技术和设备。在空间毫米波VLBI阵、空间与月基VLBI关键技术、高精度VLBI精密定位与定轨关键技术开展预研。

（三）在天文基础研究中的作用

　　VLBI在天体物理领域的应用：活动星系核致密结构和射电喷流的观测研究；谱线VLBI观测。VLBI在天体测量领域的应用：对于研究中国大陆现代板块运动；对于国家大地测量控制网建设。

（四）在深空探测中的作用

　　“嫦娥一号”卫星任务中，将VLBI技术成功应用于探月卫星发射后调相轨道段至进入环月轨道段全程10天以上的连续测轨，在我国尚属首次，在国际上也没有先例。

VLBI测轨系统圆满完成了探月一期的VLBI改造和“嫦娥一号”卫星的测定轨任务，经过进一步的改进，可以承担探月二、三期工程的测定轨任务和其它深空探测器（火星探测器等）测定轨任务；航天器VLBI测轨技术可以推广到我国拟建设的深空测控网。

（五）人才培养

　　通过绕月探测队伍，上海天文台培养了年轻的科研技术骨干，一批30多岁的年轻人担任了项目的正、副主任设计师。这批科研骨干经过嫦娥工程的锻炼，将来无论是在世界前沿性科学研究和国家重大工程建设方面，都将发挥更大的作用。

　　由于在嫦娥工程中的突出贡献，上海天文台荣获全国“五一劳动奖状”、全国“三八红旗集体”荣誉称号，一人荣获全国“五一劳动奖章”，五人获得五部位联合授予的我国首次月球探测突出贡献者荣誉称号。