《VLBI知识点》PPT课件.ppt

4.1 射电天文学的产生 甚长基线干涉测量 Very Long Baseline Interferometry，VLBI 一种空间天文大地测量技术 射电窗口 其波长范围为1mm60m。 这个波段的上界变化于15200m之间，与电离层的密度、观 测点的地理位置和太阳活动有关。射电窗口比光学窗口要大 得多，包含了比光学波段更多的宇宙信息，射电天文学就是 通过射电窗口来观测和研究宇宙的。 射电窗口的发现和利用对天文学有重要意义，宇宙中各种天 体在不同波长上辐射的电磁波都包含着各自不同的物理内容 和信息，如天体的温度、状态、结构、成分以及演化等。 射电观测并不是对光学观测资料在数量上的增加和补充，而 是为人类认识宇宙打开一个比光学窗口大得多的天窗。 角分辨率： 单孔径射电望远镜 综合孔径射电望远镜干涉测量技术 联线干涉测量技术 VLBI Space VLBI 实时VLBI 4.3 VLBI系统组成 射电望远镜 收集无线电波的定向天线 放大电波信息的高灵敏度的接收机 信息记录终端 氢原子钟保证时间同步 处理和显示系统 定向天线收集同一天体的射电辐射，接收机将这些信号加工、转化成 可供记录和显示的形式，终端设备把信号记录下来，并按特定的要求 进行数据回放和处理，然后显示大地测量的延迟和延迟率观测量等。 观测所需的时间和频率信号由氢原子钟提供。 VLBI VLBI设备 一个完整的VLBI系统由两个以上的观测站和一个 数据处理中心组成。 VLBI观测站的主要设备为射电天线（可全天区观 测）、接收机、VLBI数据采集系统、氢原子钟、 GPS定时接收机和气象数据采集仪等。 VLBI数据处理中心的主要设备为VLBI相关处理机 和通用计算机等。 VLBI原理 到达天线的两路射电信号是平行传播的 VLBI大地测量所观测的是距离地球非常遥远的致密河外射电源，它们一 般都是在距离地球一亿光年以外的宇宙空间中。如果将这些射电源视为 一个点源，则每个射电源在同一时刻向四周所辐射的电磁波就会形成一 个同心球面波的波前面。射电波传播的越远，球面波的半径就越大。当 到达地球表面时，传播距离已经远远大于组成VLBI系统的两天线之间的 距离。因而，可以认为此刻波前面是平面型的， 由于两个天线到某一射电源的距离不同，有一路程差L，则射 电信号的同一波前面到达两天线的时间也将不同，有一时间延 迟 VLBI基本原理 当射电干涉仪两单元的射电望远 镜同时对准某一射电源时，它们 接收到了该射电源的射电辐射。 假设所观测的为非常遥远的河外 射电源，则可以认为它所辐射的 射电波到达地球时为一平面波。 设射电波到达射电干涉仪两天线 的时间分别为t1和t2，其时间差 为gt2t1，称为几何延迟。 B K 由于地球的运动，基线矢量位置不断变化 延迟率 大地测量所采用的VLBI观测量主要是延迟和延迟 率，它们包含了基线矢量、射电源位置和地球运 动等信息。 VLBI特点 VLBI延迟和延迟率是纯几何观测量，其中没有包含地球引力场 的信息，因此观测量的获得也不受地球引力场的影响。 VLBI是相对测量，仅利用VLBI技术只能测定出两个天线之间的 相对位置，即基线矢量b，而不能直接测出各天线的地心坐标。 为了确定VLBI测站的地心坐标，通常是在一个测站上同时进行 VLBI和激光测卫（Satellite Laser Ranging，SLR）观测，即 并置观测，利用SLR技术所测得的地心坐标为基准，进而推算出 其他VLBI测站的地心坐标。 用于天测/测地VLBI固定站的射电天 线，一般应达到下列技术指标要求 (1 ) 天线口径20-30m (2 ) 天线形式实面抛物面天线 (3 ) 座架形式方位/俯仰式，两轴相交 (4 ) 接收频率S/X双波段同时接收；X波段8200-9000MHz，S波段2200-2400MHz 波长约为 3.6cm ，波长约为 13.6cm (5 ) 主面精度0.5-0.7mm (6 ) 指向精度20as (7 ) 旋转范围方位：270 俯仰 ：0-90 (8 ) 旋转速度以上 (9 ) 可知方式计算机程序引导 参考系 VLBI的数据处理如其它空间大地测量技术 一样，在规定的参考系定义下实施。 天球参考系： 原点：太阳系质心。 赤道：J2000.0平赤道。 赤经原点：J2000.0动力春分点。 它的的建立和维持是通过射电源坐标表来 实现的。 地球参考系 原点：地球质心。 尺度：相对论框架下的尺度。 方向：1984.0国际时间局（BIH）方向。 方向的时间变化：对地壳不产生整体旋转 。 板块 非洲0.891-3.0993.922 南极-0.821-1.7013.706 阿拉伯6.685-0.5216.760 澳大利亚7.8395.1246.282 Caribbean-0.178-3.3851.581 Cocos-9.705-21.60510.925 欧亚-0.981-2.3953.153 印度6.6700.0406.790 Juan de Fuca5.2008.610-5.820 Nazca-1.532-8.5779.609 北美0.258-3.599-0.163 太平洋-1.5104.840-9.970 菲律宾10.090-7.160-9.670 Rivera-9.390-30.96012.050 Scotia-0.410-2.660-1.270 南美-1.038-1.515-0.870 理论延迟和延迟率 为了用最小二乘法进行地球动力学参数的 计算，需要计算理论延迟和延迟率。理论 延迟和延迟率计算是一个比较复杂的过程 ，它除了计算几何延迟和延迟率之外，还 需要计算各项附加延迟和延迟率改正量， 如大气延迟和延迟率等。另外，由于测站 位置受到上面提到的地球固体潮、海潮载 荷和大气载荷等影响而随时间变化，所以 计算不同时刻的理论延迟和延迟率时，也 必须加以相应的改正。 观测计划 观测频率和频率窗口的选择：目前MKIII系统已经基本固 定采用X/S双频观测。 观测台站的选择：根据观测目的，确定参加观测的台站， 并提出对参加观测的射电源的流量密度要求。 被观测的射电源的选择：一组VLBI天测或者测地观测一般 要进行1-2天，被观测的射电源有10-20个。这些射电源可 以直接从射电源表中查取，也可以从相同目的的其他观测 所采用的射电源中参考选取。被观测的射电源应满足的条 件是：流量密度要足够强，尽可能分布均匀，即要求分布 在不同的赤经和赤纬上，以满足解算基线参数和射电源位 置的要求；另外，射电源自行要极小，一般要选用河外射 电源，即角径小的点源，如果射电源的角径较大，会降低 条纹可见度，是信噪比下降，同时还会因为射电源亮度分 布的重心位置不易精确确定而导致延迟测量误差。 编排观测时间表：先计算每个射电源相对各测站的观测共 同可见时间，然后再确定各天线在什么时间观测哪颗射电 源，观测时间是多少。为了提高解算精度，要求在规定的 时间内尽可能多的观测次数，一般应达到每小时6次，每 次5分钟左右。在观测次序上应做到不同赤经、赤纬的射 电源轮流观测，并有大的时角和赤纬跨度，且在整个天区 分布均匀。为了避免大气影响的增大，天线的观测仰角一 般不宜低于5。在观测时间表编好之后，还可以利用有关 的协方差分析优化设计软件估计有关参数的解算精度，并 不断调整观测刚要，以选择一个能够获得最佳观测和解算 精度的观测时间表。 编观测文件：目前几乎所有的观测都需要由接收机可读的 观测文件，这是因为在观测中天线系统和记录终端都是由 计算机按观测文件来控制运行的。文件包括的主要参数有 ：台站名（代号）、射电源名、观测时间表、观测频率、 所需带宽、记录模式等。在观测之前，要将观测文件输入 到VLBI站的主控计算机中，以进行测前准备和控制观测的 实施。 观测实施 目前，用MKIII系统进行VLBI测地观测时，大部分 观测工作都是由计算机自动控制进行的。这些工 作包括：天线指向控制、观测频率、边带及记录 磁道的设置，磁带机的起、停、正转反转及记录 ，系统噪声测量，以及电缆延迟、相位校正数据 、气象数据的采集等。观测人员的工作则是测前 准备好完成上述工作的计算机控制程序，以及在 即将开始观测时启动这些程序，并在观测进行中 更换磁带、清洗磁头等。观测结束后将产生一个 观测记录文件，观测人员要将文件转录到软盘或 者磁带上，随同数据记录磁带仪器运至VLBI数据 处理中心，进行相关处理。 VLBI应用于天文地球动力学 天球坐标系的建立 根据IAU的决议，采用非常遥远的、可以认为没有视运动的河外 致密射电源作为建立天球参考系（ICRS）的基础，而VLBI是对 它们进行定位测量的基本手段。根据上式可以解算出射电源的赤 经和赤纬。目前VLBI测量精度已经好于毫角秒，多次观测后可以 达到亚毫角秒的精度。对于在几度范围内的相对位置测量可以达 到几十微角秒的精度。 目前国际上采用608颗河外致密射电源作为国际天球参考框架（ ICRF）的基础，其中212颗射电源为基本源，它们的测量精度达 到了0.2mas，ICRF的轴是以它们来定义的。 VLBI只能测量相对赤经，所以必须假定某一射电源的赤经为已知 。为了射电天球参考框架与光学天球参考框架的联结，通常选取 某射电源的光学对应体在光学天球参考系中的赤经值作为它的的 赤经。目前的国际天球参考系的赤经原点是以VLBI射电源表中 23颗射电源的平J2000.0赤经来定义的，而该VLBI射电源表中的 3C273B的赤经是固定于它在FK5系统中的赤经值。 地球参考系的建立 目前，VLBI对于数千km距离上的测量精度已经达到了mm 级精度，因此，它是建立地球参考系（ITRS）的基本手 段之一。类似于ICRS，它是通过精确测定一系列地面点 的位置来实现的，这些地面点构成的框架称为地球参考框 架（ITRF）。目前的ITRF是采用VLBI、SLR、GPS及 DORIS等来实现的。例如，ITRF97中有VLBI测定的全球 共143个地面点，多数地面点坐标的测量精度达到mm级 精度。我国的上海和乌鲁木齐的VLBI站均为ITRF97的参 考点。 地面VLBI观测只能得到测站之间的相对位置，所以要以 VLBI方法独立建立地球参考系，必须至少定义一个VLBI 站的坐标为已知。目前，通常采用VLBI与其它技术（SLR 、GPS、DORIS等）并置观测方法解决VLBI的原点定义 问题。即在一个观测值或者在较小的范围内（数km）配 置VLBI、SLR、GPS、DORIS等各种设备进行并置观测 ，它们之间相对位置利用地面精密大地测量的方法来测定 。 现代地壳运动的测量 当测量数据有足够的时间跨度后，不但能够测定观测值的 精确位置，还可以测定它们的运动速度，而观测站的运动 速度反映了它们所在地区的现代地壳运动。在ITRF97中 ，在列出了各观测站坐标的同时，也列出了它们的运动速 度。 根据VLBI观测，多数在板块内部的观测站，其运动速度与 根据地质资料得到全球板块运动模型NUVEL-1A是一致的 ，但在板块边缘地区，观测站实测的运动速度与理论模型 值通常不一致，这说明在板块边缘通常存在较大的局部运 动。 固定VLBI站全球仅数十个，为了用VLBI测量更多地区现 代地壳运动，美国、日本、德国、加拿大以及我国等均研 制了可流动的VLBI系统。流动VLBI采用3-6m的小天线， 因此可以实施机动，它与具有20-30m天线的固定VLBI站 联测，在几千km距离上可以达到亚cm、甚至mm量级的 精度。所以，VLBI技术在数千km的尺度上，仍有它的的 优势。 地球定向参数的观测 地球定向参数（EOP）板块极移、地球自转速率变化、章 动及岁差，VLBI是测量EOP的有力工具。 极移和地球自转速率变化使得地心坐标系的三个轴与地壳 的相对位置发生变化。也就是表现为地面点坐标或者基线 坐标分量的变化。所以用VLBI测量地面点坐标的变化或者 基线坐标分量的变化，从而计算得到极移和地球自转速率 的变化。章动和岁差表现为射电源坐标的变化，所以也是 可以通过VLBI观测来测定它们。实际数据处理时，对极移 、地球自转、章动和岁差矩阵等取偏导数，以组成误差方 程，从而计算得到这些参数。目前，VLBI测量极移和、日 长变化（即地球自转变化）以及章动改正数的精度均达到 了亚毫角秒。 VLBI应用于天文地球动力学 天球坐标系的建立 根据IAU的决议，采用非常遥远的、可以认为没有视运动的河外 致密射电源作为建立天球参考系（ICRS）的基础，而VLBI是对 它们进行定位测量的基本手段。根据上式可以解算出射电源的赤 经和赤纬。目前VLBI测量精度已经好于毫角秒，多次观测后可以 达到亚毫角秒的精度。对于在几度范围内的相对位置测量可以达 到几十微角秒的精度。 目前国际上采用608颗河外致密射电源作为国际天球参考框架（ ICRF）的基础，其中212颗射电源为基本源，它们的测量精度达 到了0.2mas，ICRF的轴是以它们来定义的。 VLBI只能测量相对赤经，所以必须假定某一射电源的赤经为已知 。为了射电天球参考框架与光学天球参考框架的联结，通常选取 某射电源的光学对应体在光学天球参考系中的赤经值作为它的的 赤经。目前的国际天球参考系的赤经原点是以VLBI射电源表中 23颗射电源的平J2000.0赤经来定义的，而该VLBI射电源表中的 3C273B的赤经是固定于它在FK5系统中的赤经值。 地球参考系的建立 目前，VLBI对于数千km距离上的测量精度已经达到了mm 级精度，因此，它是建立地球参考系（ITRS）的基本手 段之一。类似于ICRS，它是通过精确测定一系列地面点 的位置来实现的，这些地面点构成的框架称为地球参考框 架（ITRF）。目前的ITRF是采用VLBI、SLR、GPS及 DORIS等来实现的。例如，ITRF97中有VLBI测定的全球 共143个地面点，多数地面点坐标的测量精度达到mm级 精度。我国的上海和乌鲁木齐的VLBI站均为ITRF97的参 考点。 地面VLBI观测只能得到测站之间的相对位置，所以要以 VLBI方法独立建立地球参考系，必须至少定义一个VLBI 站的坐标为已知。目前，通常采用VLBI与其它技术（SLR 、GPS、DORIS等）并置观测方法解决VLBI的原点定义 问题。即在一个观测值或者在较小的范围内（数km）配 置VLBI、SLR、GPS、DORIS等各种设备进行并置观测 ，它们之间相对位置利用地面精密大地测量的方法来测定 。 现代地壳运动的测量 当测量数据有足够的时间跨度后，不但能够测定观测值的 精确位置，还可以测定它们的运动速度，而观测站的运动 速度反映了它们所在地区的现代地壳运动。在ITRF97中 ，在列出了各观测站坐标的同时，也列出了它们的运动速 度。 根据VLBI观测，多数在板块内部的观测站，其运动速度与 根据地质资料得到全球板块运动模型NUVEL-1A是一致的 ，但在板块边缘地区，观测站实测的运动速度与理论模型 值通常不一致，这说明在板块边缘通常存在较大的局部运 动。 固定VLBI站全球仅数十个，为了用VLBI测量更多地区现 代地壳运动，美国、日本