第6章 - 空间大地测量技术VLBI

1、中南大学测绘与国土信息工程系2022-5-27空间大地测量技术VLBI中南大学测绘与国土信息工程系2022-5-27 射电天文学的诞生 射电干涉测量技术 国际VLBI技术的发展 中国VLBI技术的发展 VLBI技术在大地测量中的应用内容要点射电天文学的诞生射电天文学的诞生 1.射电波的发现射电波的发现-央斯基的实验央斯基的实验卡尔卡尔央斯基（央斯基（Karl Guthe Jansky）是一名无线电工程师，在美国是一名无线电工程师，在美国新泽西州的贝尔电话实验室工新泽西州的贝尔电话实验室工作。作。1931 年，公司分配他来研究和年，公司分配他来研究和寻找干扰无线电波通讯的噪声寻找干扰无线电波通讯

2、的噪声源；源；射电天文学的诞生射电天文学的诞生 1.射电波的发现射电波的发现-央斯基的实验央斯基的实验 他建造了一笨拙的、看上去比他建造了一笨拙的、看上去比现代同类任何天线更像旋转木现代同类任何天线更像旋转木马、而且更小的射频天线马、而且更小的射频天线 。 他将天线调谐在一个他将天线调谐在一个 14-6米的米的接收波长上，并安装在老福特接收波长上，并安装在老福特轮胎上，每轮胎上，每 20 分钟旋转一周。分钟旋转一周。 天线连接在一个接收器上，天天线连接在一个接收器上，天线的输出记录在一个条形图表线的输出记录在一个条形图表的记录器上。的记录器上。 射电天文学的诞生射电天文学的诞生 1.射电波的发

3、现射电波的发现-央斯基的实验央斯基的实验实验中，他发现除雷电造成的静电噪声外，还存在实验中，他发现除雷电造成的静电噪声外，还存在第三种静电噪声他无法归属，便把它叫做不知起源第三种静电噪声他无法归属，便把它叫做不知起源的稳固发生静电噪声。的稳固发生静电噪声。当他的天线旋转时，他发现这种未知静电噪声的产当他的天线旋转时，他发现这种未知静电噪声的产生方向逐渐变化，在生方向逐渐变化，在24小时之内几乎经过了一个完小时之内几乎经过了一个完整的圆周变化。因为他自己并不是一个天文研究者，整的圆周变化。因为他自己并不是一个天文研究者，所以通过了较长一段时间的总结，推测这种静电噪所以通过了较长一段时间的总结，推

4、测这种静电噪声来自于地球之外的某个源，因为静电噪声方向变声来自于地球之外的某个源，因为静电噪声方向变化似乎与地球的自转有关。化似乎与地球的自转有关。起初他认为这个源是太阳。不过，他注意到这种无起初他认为这个源是太阳。不过，他注意到这种无线电波辐射每天大约提前线电波辐射每天大约提前4分钟达到高峰。分钟达到高峰。射电天文学的诞生射电天文学的诞生 1.射电波的发现射电波的发现-央斯基的实验央斯基的实验 一恒星年实际上比在地球上观察一恒星年实际上比在地球上观察的日出或日落的数值长一天。的日出或日落的数值长一天。 因此，地球对于恒星的旋转周期因此，地球对于恒星的旋转周期（一恒星天）比一个太阳日（地（一恒

5、星天）比一个太阳日（地球绕日自传周期）短大约球绕日自传周期）短大约4分。分。 因此央斯基做出结论，这种放射因此央斯基做出结论，这种放射线的来源肯定比太阳远。线的来源肯定比太阳远。 经过经过1年多的精确测量和分析，年多的精确测量和分析，确认这种噪声来自地球之外，银确认这种噪声来自地球之外，银河系中心人马座方向发射的一种河系中心人马座方向发射的一种射电波。射电波。 射电天文学的诞生射电天文学的诞生 2、雷伯的射电望远镜、雷伯的射电望远镜 美国无线电工程师雷伯美国无线电工程师雷伯(Grote Reber)证实了央斯基的发现证实了央斯基的发现。 1937年他在自己家的后院中，研制年他在自己家的后院中，

6、研制了一架直径为了一架直径为9.6米的金属抛物面天米的金属抛物面天线，为现代无线电望远镜建造了样线，为现代无线电望远镜建造了样机；机； 对准了央斯基曾经收到宇宙射电波对准了央斯基曾经收到宇宙射电波的天空。的天空。 一开始寻找波长更短的放射线，认一开始寻找波长更短的放射线，认为这些波长在探测时更容易、强度为这些波长在探测时更容易、强度更强。更强。8/65射电天文学的诞生射电天文学的诞生 1939年年4月，当他将探测月，当他将探测波长缩短到波长缩短到1.87米，就发米，就发现了银河系平面的强烈现了银河系平面的强烈辐射波；辐射波； 还进一步发现了人马座还进一步发现了人马座射电源发射出许多不同射电源发

7、射出许多不同波长的射电波；波长的射电波；射电天文学的诞生射电天文学的诞生 3、射电天文学的诞生、射电天文学的诞生 雷伯又发现了其它新的射雷伯又发现了其它新的射电源，并在电源，并在1.9米的波长处米的波长处做出了第一幅做出了第一幅“射电天射电天图图”。 从此为以光学波段为主要从此为以光学波段为主要观测手段的天文学揭开了观测手段的天文学揭开了新的一页，射电天文学诞新的一页，射电天文学诞生了。生了。 射电天文学是利用射电望射电天文学是利用射电望远镜接收到的宇宙天体发远镜接收到的宇宙天体发出的无线电信号，研究天出的无线电信号，研究天体的物理、化学性质的一体的物理、化学性质的一门学科。门学科。射电天文学

8、的诞生射电天文学的诞生 4、射电天文学的发展、射电天文学的发展 从央斯基的发现至今的从央斯基的发现至今的60多年来，射电天文学揭示多年来，射电天文学揭示了许多奇妙的天文现象，并取得了令人瞩目的成就。了许多奇妙的天文现象，并取得了令人瞩目的成就。 近代天文学的四大发现无一不奠基于射电天文学近代天文学的四大发现无一不奠基于射电天文学 类星体；类星体； 脉冲星；脉冲星； 星际分子星际分子 宇宙微波背景辐射；宇宙微波背景辐射； 在获物理诺贝尔奖的项目中在获物理诺贝尔奖的项目中 有有7项涉及天文学项涉及天文学 其中有其中有5项直接或主要通过射电天文学手段取得项直接或主要通过射电天文学手段取得的，这些反映

9、了这一新兴学科的强大生命力。的，这些反映了这一新兴学科的强大生命力。 中南大学测绘与国土信息工程系2022-5-27 射电天文学的诞生 射电干涉测量技术 国际VLBI技术的发展 中国VLBI技术的发展 VLBI技术在大地测量中的应用内容要点大气窗口大气窗口 宇宙中的各种天体会发出波长不同的电磁波信号,其中大部分信号在通过围绕在地球四周的大气层时，将被大气层所吸收而无法到达地面。只有波长为0.4 0.76m的可见光，波长为0.762.5m的近红外谱段，波长为3.54.2m的中红外谱段和波长为814m的远红外谱段，以及波长在1.4mm，3.5mm，8mm附近的微波波段和波长大于1cm的微波波段的信

10、号才能穿透大气层而到达地面,我们将其称为大气窗口。河外射电源河外射电源（1 1）正常射电星系：）正常射电星系：射电功率为10301034 w的星系称正常射电星系。其无线电信号的输出功率约为可见光信号输出功率的百万分之一。换言之，一般星系的信号基本上都是以可见光的形式输出的。（2 2）特殊射电星系：）特殊射电星系：射电功率比正常射电星系强102106倍，已接近甚至超过可见光的输出功率。多具有射电双源，其射电来自星系光学像两旁的延伸区。 （3 3）河外类星体：）河外类星体：类星体是20世纪60年代发现的一种新型天体。目前大多认为它是属于星系一级的天体。类星体的体积很小，许多类星体的直径只有1光年左

11、右，约为普通星系直径的十万分之一。然而它所发出的无线电信号的功率却要比一般星系强百万倍。于是类星体就成为射电观测中非常理想的观测目标。类星体也能发出很强的可见光信号，在照相底片上形成类似于恒星的点状成像，其角直径一般都小于1。利用类星体可以很方便地把光学观测成果和射电干涉测量的成果相互联系起来。由于正常射电星系所发出的无线电信号过于微弱，所以在射电干涉测量中主要观测后两类射电源，特别是河外类星体。射电观测射电观测1、射电天体、射电天体一般星系一般星系 体积大，直径可达数十体积大，直径可达数十至数百万光年至数百万光年 发射信发射信号以号以可见光可见光为主，无线为主，无线电信号非常微弱，其功电信号

12、非常微弱，其功率约为可见光的百万分率约为可见光的百万分之一左右。之一左右。 用光学天文望远镜、光用光学天文望远镜、光学经纬仪观测。学经纬仪观测。射电观测射电观测1、射电天体、射电天体河外类星体河外类星体 体积小，直径一般为体积小，直径一般为1光年左光年左右。右。 既发射既发射可见光可见光，也发射，也发射无线无线电信号电信号，且无线电信号发射，且无线电信号发射功率为一般星系的百万倍；功率为一般星系的百万倍；可以用可以用射电望远镜射电望远镜观测。可观测。可以以以以点状摄像点状摄像。 这样可以将天文光学观测和这样可以将天文光学观测和射电干涉测量的成果结合起射电干涉测量的成果结合起来。来。射电望远镜及

13、其分辨率射电望远镜及其分辨率 射电望远镜射电望远镜是一种能接收和处理来自太空的无线是一种能接收和处理来自太空的无线电电信号的信号的装置，由巨大的抛物面天线，高精度的原子装置，由巨大的抛物面天线，高精度的原子钟，数据接收和处理设备等组成。钟，数据接收和处理设备等组成。 利用射电望远镜进行观测时其角分辨率可用下列利用射电望远镜进行观测时其角分辨率可用下列公式来估算：公式来估算： 式中式中 为角分辨率，为角分辨率， 为射电望远镜所接收的无线为射电望远镜所接收的无线电信号的波长，通常为电信号的波长，通常为13cm和和3.6cm, 为射电望远为射电望远镜接收天线的口径。镜接收天线的口径。 DArecib

14、o Radio Telescope 305m阿雷西博(Arecibo)天文台，波多黎各（西印度群岛），USA直径：305m、51米深、 1974年建成占地大约20英亩，40000块铝制面板组成，900吨的接收平台射线频率: 50 MHz (6m) 10,000 MHz (3cm). 干涉测量干涉测量1 干涉测量的提出角分辨率的提高要求，途径： 增加D； 减少工程难度； 做法 由两个（多个）射电望远镜构成的虚拟大射电望远镜； 可以将射电望远镜之间的距离任意调整，采用干涉测量技术。联线干涉测量甚长基线干涉测量联线干涉测量联线干涉测量的提出的提出为较大幅度的提高角分辨率，有人提出了联线干涉测量的方法

15、。通过此方法我们就组成了一台虚拟的口径为D的大射电望远镜。此时D即为两台射电望远镜的距离。联线干涉测量的联线干涉测量的局限性局限性： 电缆价格较贵，且铺设电缆的工作量也较大。电缆价格较贵，且铺设电缆的工作量也较大。 由于温度和外界环境的不同，两根电缆所产生的热胀冷缩及介由于温度和外界环境的不同，两根电缆所产生的热胀冷缩及介 电系数的变化也不相同，从而使电系数的变化也不相同，从而使A A，B B的传送时间也不严格相同，的传送时间也不严格相同，从而影响结果的精度。这种误差会随着距离的增加而变大。所以从而影响结果的精度。这种误差会随着距离的增加而变大。所以联线干涉测量的距离一般被限制在几十公里以内，

16、至今为止，最联线干涉测量的距离一般被限制在几十公里以内，至今为止，最长的间距为长的间距为217217公里。公里。联线干涉测量实现方法 从两台相距从两台相距d的射电望远镜的射电望远镜A和和B接收的某一射电源的接收的某一射电源的设电信号设电信号RA和和 RB,经过两经过两根等长电缆分别进入混频根等长电缆分别进入混频器器1和和2，与信号，与信号 RA和和 RB 混频形成差频信号混频形成差频信号RA和和 RB。 这两个中频信号经过两根这两个中频信号经过两根等长电缆进入干涉器，相等长电缆进入干涉器，相关处理两种信号间的时延关处理两种信号间的时延（观测值）。（观测值）。本振信号混频器1混频器2干涉器RAR

17、ARBRB时延AB时延联线干涉测量在美国新墨西哥州的特大天线排列在美国新墨西哥州的特大天线排列Very Large Array (VLA) D联线干涉测量澳大利亚：An artists conception of the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) 甚长基线干涉测量的提出甚长基线干涉测量的提出如前所述，由于经费及精度等原因，进行联线干涉测量时如前所述，由于经费及精度等原因，进行联线干涉测量时A、B两站间的距离无两站间的距离无法继续增加，为了进一步提高射电测量的角分辨率，就必须设法突破电缆所造法继续增加，为了进一步提高射电测量的角分辨率，就必须设法

18、突破电缆所造成的约束。成的约束。20世纪科学技术水平的迅猛发展使我们有可能做到这一点：世纪科学技术水平的迅猛发展使我们有可能做到这一点： 由于高精度的计时工具和频率标准的出现（例如氢原子钟）使我们有可能在由于高精度的计时工具和频率标准的出现（例如氢原子钟）使我们有可能在A、B两地用两台氢原子钟来取代原来的本振信号。这两台原子钟所给出的频率两地用两台氢原子钟来取代原来的本振信号。这两台原子钟所给出的频率可视为是完全相同的，故可以用他们来取代联线干涉测量中的本振和送往混频可视为是完全相同的，故可以用他们来取代联线干涉测量中的本振和送往混频的电缆。的电缆。 由于高精度的氢原子钟和高密度的记录设备的出

19、现，可以使由于高精度的氢原子钟和高密度的记录设备的出现，可以使A、B两台射电望远两台射电望远镜分别接收到的信号和当地的氢原子钟的信号同时记录在磁带上，然后再送往镜分别接收到的信号和当地的氢原子钟的信号同时记录在磁带上，然后再送往相关处理器进行事后处理。由于这两台氢钟能保持严格同步，钟信号又与观测相关处理器进行事后处理。由于这两台氢钟能保持严格同步，钟信号又与观测值一起记录在磁带上，这就使我们有可能通过事后回放的记录来求出不同时刻值一起记录在磁带上，这就使我们有可能通过事后回放的记录来求出不同时刻射电信号到达射电信号到达A、B两地的时间延迟量两地的时间延迟量 。于是联线干涉测量中通往乘法器的两。

20、于是联线干涉测量中通往乘法器的两根电缆也可以取消。从而使两个射电望远镜相互独立。两台间的距离不再受电根电缆也可以取消。从而使两个射电望远镜相互独立。两台间的距离不再受电缆线的限制，可以方便的扩充至数千甚至上万公里。这种缆线的限制，可以方便的扩充至数千甚至上万公里。这种射电干涉测量方法被射电干涉测量方法被称为甚长基线干涉测量称为甚长基线干涉测量甚长基线干涉测量甚长基线干涉测量实现方法实现方法 每一台射电望远镜采用每一台射电望远镜采用氢钟保证时间同步，代氢钟保证时间同步，代替站间的电缆连线。替站间的电缆连线。 距离可以达到地球直径。距离可以达到地球直径。 数据记录采用磁带，可数据记录采用磁带，可以

21、事后处理。以事后处理。基本原理基本原理 观测量：观测量： 未知参数：未知参数：AB基基线向量、射电源方线向量、射电源方向。向。甚长基线干涉测量的原理甚长基线干涉测量的原理Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory 射电望远镜是一种能接收和处理来自太空的无线电信号的装置，由巨大的抛物面天线，高精度的原子钟，数据接收和处理设备等组成。HartRAO VLBI equipment 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 空间VLBI（SVLBI）空间VLBI（SVLBI）空间VLBI由以下几部分组成： SVLBI站 地面VLBI站 地面跟踪站 相关处理中

22、心空间空间VLBI测量原理测量原理30/65 安装在空间的天线与地面天线网络一起安装在空间的天线与地面天线网络一起观测共同的射电源；观测共同的射电源； 将接收信号通过数字信号或模拟数字信将接收信号通过数字信号或模拟数字信号连接转播到地面遥测站。号连接转播到地面遥测站。 空间天线的频率是基于地面的氢脉钟，空间天线的频率是基于地面的氢脉钟，由地面遥测站直接依次转播到卫星（又由地面遥测站直接依次转播到卫星（又称相位传递）。这种相位传递的稳定性称相位传递）。这种相位传递的稳定性要求很高（大约要求很高（大约110-14）。）。 中频信号（中频信号（IF）数据传到地面记录在磁）数据传到地面记录在磁带上。带

23、上。 这些磁带和地面这些磁带和地面VLBI的磁带一起收集在的磁带一起收集在中心处理站来进行互相关处理和图像处中心处理站来进行互相关处理和图像处理。理。SVLBI观测量类型三种类型 地面-地面时间延迟和延迟率：这些同地面VLBI可观测量相同。 地面-空间时间延迟和延迟率：地面天线和安装在SVLBI卫星上天线之间的观测量。 空间-到-空间时间延迟和延迟率：安装在两个SVLBI卫星上的天线之间的观测量。空间VLBI的发展计划1、俄罗斯俄罗斯RadioAstron前苏联在前苏联在80年代中期提出的年代中期提出的SVLBI计划，计划，现由俄罗斯莫斯科列别捷夫（现由俄罗斯莫斯科列别捷夫（Lebedev）物

24、理研究所的天文空间中心物理研究所的天文空间中心ASC领导。领导。计划发射一个计划发射一个10m口径的射电望远镜；口径的射电望远镜；最高分辨率最高分辨率:30as ;任务任务建立高精度的天文坐标参考系统；建立高精度的天文坐标参考系统；建立高精度的地球重力场模型建立高精度的地球重力场模型天体物理天体物理空间VLBI的发展计划2、日本、日本VSOP 1997 计划在计划在2012年由年由ISAS赞助赞助VSOP后继的任务后继的任务 科学目标科学目标毫米级波段微波观测毫米级波段微波观测完成活动星系核中心特完成活动星系核中心特大质量黑洞周围增长磁大质量黑洞周围增长磁圈和喷气式加速区域的圈和喷气式加速区域

25、的成像问题成像问题南天区射电源研究南天区射电源研究以及证明远射电源磁力以及证明远射电源磁力圈结构圈结构 。空间空间VLBI的发展计划的发展计划3、美国航空航天局、美国航空航天局(NASA) ALFA(the Astronomical Low Frequency Array)计划计划; 计划由计划由16颗安装射电望远镜颗安装射电望远镜的小型人造卫星群组成空间的小型人造卫星群组成空间射电望远镜阵列射电望远镜阵列; 一起工作如一个单一的射电一起工作如一个单一的射电波望远镜；波望远镜； 距离地球约达一百万公里。距离地球约达一百万公里。 远远高于地球大气层，观测远远高于地球大气层，观测条件不受大气窗口的

26、限制。条件不受大气窗口的限制。 实时实时VLBI（e-VLBI）实时VLBI（简称eVLBI：/wiki/EVLBI#e-VLBI ）技术是在高速数据记录设备、海量存储设备、高速互联网等一系列技术飞速发展的基础上对传统VLBI的一项重大改进，利用高速互联网传输数据取代记录媒介的邮寄，是未来VLBI 技术发展的一个方向。实时VLBI大大缩短了从观测到成像的时间间隔，非常适合观测短时标瞬变天文现象，有利于天文学家在天体爆发的瞬间捕捉到稍纵即逝的信息，这些信息对于研究强烈的宇宙现象非常重要。实时VLBI技术也被应用到对人造航天器进行高精度测定轨中。中南大学测绘与国土信息工程系2022-5-27 射电天文学的诞生 射电干涉测量技术 国际VLBI技术的发展 中国VLBI技术的发展 VLBI技术在大地测量中的应用内容要点中南大学测绘与国土信息工程系2022-5-27 射电天文学的诞生 射电干涉测量技术 国际VLBI技术的发展 中国VLBI技术的发展 VLBI技术在大地测量中的应用内容要点乌鲁木齐南山乌鲁木齐南山上海佘山上海佘山贵州贵州500m贵州贵州500m乌鲁木齐南山乌鲁木齐南山上海上海佘山佘山贵州贵州50