甚長基線干涉測量

甚長基線干涉測量測量方法01發(fā)展歷史操作規(guī)范技術評價技術內(nèi)容實際應用目錄03050204基本信息甚長基線干涉測量（簡稱：VLBI）是一種用于射電天文學中的天文干涉測量方法。它允許用多個天文望遠鏡同時觀測一個天體，模擬一個大小相當于望遠鏡之間最大間隔距離的巨型望遠鏡的觀測效果。甚長基線干涉測量的基礎是時間同步和相位同步。時間同步是兩個觀測天線的時間一致，相位同步是接收到的頻率信號的相位之間一致，實際上也是時間同步。甚長基線干涉測量的原理是把兩測站經(jīng)混頻后的信號分別記錄在各測站的磁帶上（不用公共的時鐘，而是各測站有自己的時鐘，時標信號也同時記錄在磁帶上）。觀測結束后，再將兩測站的磁帶送到處理系統(tǒng),進行數(shù)據(jù)回放和相關處理。利用這種辦法,只要能同時看到源，基線的長度就幾乎不受限制。發(fā)展歷史發(fā)展歷史1931年，美國貝爾實驗室的詹姆斯·肯德用天線陣接收到了來自銀河系中心的無線電波。1937年美國人格羅特·雷伯在自家的后院建造了一架口徑9.5m的天線，并在1939年接收到了來自銀河系中心的無線電波，并且根據(jù)觀測結果繪制了第一張射電天圖，射電天文學從此誕生。雷伯使用的那架天線是世界上第一架專門用于天文觀測的射電望遠鏡。20世紀60年代，天文學取得了四項非常重要的發(fā)現(xiàn)：脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子，被稱為“四大發(fā)現(xiàn)”，這四項發(fā)現(xiàn)都與射電望遠鏡有關。20世紀60年代，最大的單孔徑射電望遠鏡直徑305米；1962年，英國劍橋大學卡文迪許實驗室的馬丁·賴爾（Ryle）利用基線干涉的原理，發(fā)明了綜合孔徑射電望遠鏡，大大提高了射電望遠鏡的分辨率。其基本原理是：用相隔兩地的兩架射電望遠鏡接收同一天體的無線電波，兩束波進行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一架口徑相當于兩地之間距離的單口徑射電望遠鏡。賴爾因為此項發(fā)明獲得1974年諾貝爾物理學獎。

技術內(nèi)容科學定義測量原理觀測方程參考系誤差改正12345技術內(nèi)容科學定義定義一：利用電磁波干涉原理，在多個測站上同步接收河外致密射電源(類星體)發(fā)射的無線電信號并對信號進行測站間時間延遲干涉處理以測定測站間相對位置以及從測站到射電源的方向的技術和方法。定義二：利用甚長基線干涉儀或甚長基線干涉儀陣，進行天體測量和天體物理研究的技術方法。

測量原理原理圖示基線兩端的射電望遠鏡各自以獨立的時間標準（氫原子鐘等），同時接收同一個射電源的信號，并記錄于磁帶上，然后將兩磁帶的記錄一起送入處理機作相關處理，求出兩相同信號到達基線兩端的時刻之差(簡稱時延)和相對時延變化率(簡稱時延率)。

觀測方程設被觀測的射電源方向(赤緯δ，赤經(jīng)λ)已知，在地心直角坐標系中，該兩面射電望遠鏡位置間的坐標差(,,)同觀測量間的基本觀測方程為：c+ωcosδ(sinλ-cosλ)+=-cosδcosλ-cosδsinλ-sinδz+c(+t)，其中c是光速；左端第二項是自轉項，ω是自轉角速度，、用適當近似值代入計算；是觀測誤差;+t代表時延中來自儀器的部分。上式假設所有必須的改正均已作過，包括極移、周日極移、歲差、章動、傳播介質、測站、和海潮負荷等。否則，在觀測方程式中須有相應的待定參數(shù)。時延的觀測精度很高，已達到0.1毫秒，相應的距離是3厘米。而且這種方法是純幾何性的測量，基本不涉及，測量的距離也只受地球自身的限制。所以，這種技術可以以厘米級的精度對全球進行測量。被觀測的射電源是銀河系以外的類星體，距離極遠，它們的自行每年不大于0.0001″，射電源位置的精度已優(yōu)于0.01″，還可更高，以此為參考的坐標系是很穩(wěn)定的，是迄今為止可以利用的最好的慣性參考系。此外，這種技術測量速度快，幾天或幾小時的觀測就可得出滿意的結果。觀測完全不受氣象條件的限制，可全天候工作。所有這些，使它必將成為地球測量、地球動態(tài)測量和天體測量的特別有力的手段。

參考系根據(jù)相對論原理宇宙中任何星體的位置確定都需要一個參考系，觀測得到數(shù)據(jù)均為依照該參考系所得出的相對位置。不同的觀測距離具有不同的參考系，一般太陽系以內(nèi)的觀測以地球參考系為準，太陽系范圍外的觀測以天球參考系為準。天球參考系原點：太陽系質心。赤道：J2000.0平赤道。赤經(jīng)原點：J2000.0動力春分點。它的的建立和維持是通過射電源坐標表來實現(xiàn)的。地球參考系原點：地球質心。尺度：相對論框架下的尺度。方向：1984.0國際時間局（BIH）方向。誤差改正理論延遲和延遲率為了用最小二乘法進行地球動力學參數(shù)的計算，需要計算理論延遲和延遲率。理論延遲和延遲率計算是一個比較復雜的過程，它除了計算幾何延遲和延遲率之外，還需要計算各項附加延遲和延遲率改正量，如大氣延遲和延遲率等。另外，由于測站位置受到上面提到的地球固體潮、海潮載荷和大氣載荷等影響而隨時間變化，所以計算不同時刻的理論延遲和延遲率時，也必須加以相應的改正。

操作規(guī)范系統(tǒng)組成測量值測量方式操作規(guī)范系統(tǒng)組成1、甚長基線干涉測量的組成單位為射電望遠鏡，射電望遠鏡包含收集無線電波的定向天線、放大電波信息的高靈敏度的接收機、信息記錄終端、氫原子鐘保證時間同步、處理和顯示系統(tǒng)五大部分。一個完整的VLBI系統(tǒng)需要至少兩個觀測點。2、數(shù)據(jù)處理中心。定向天線收集同一天體的射電輻射，接收機將這些信號加工、轉化成可供記錄和顯示的形式，終端設備把信號記錄下來，并按特定的要求進行數(shù)據(jù)回放和處理，然后顯示大地測量的延遲和延遲率觀測量等。

測量方式1、投射來的電磁波被一精確鏡面反射后，同相到達公共焦點。用旋轉拋物面作鏡面易于實現(xiàn)同相聚焦，因此，射電望遠鏡天線大多是拋物面。射電望遠鏡表面和一理想拋物面的均方誤差如不大于λ/16～λ/10，該望遠鏡一般就能在波長大于λ的射電波段上有效地工作。2、對米波或長分米波觀測，可以用金屬作鏡面；而對厘米波和毫米波觀測，則需用光滑精確的金屬板(或鍍膜)作鏡面。3、從天體投射來并匯集到望遠鏡焦點的射電波，必須達到一定的功率電平，才能為接收機所檢測。檢測技術水平要求最弱的電平一般應達10~20W。射頻信號功率首先在焦點處放大10～1000倍，并變換成較低頻率(中頻)，然后由電纜將其傳送至控制室，進一步放大、檢波，最后以適于特定研究的方式進行記錄、處理和顯示。

測量值甚長基線干涉的測量值包括﹕干涉條紋的相關幅度；射電源同一時刻輻射的電磁波到達基線兩端的時間延遲差(簡稱時延)，延遲差變化率(簡稱時延率)。相關幅度提供有關射電源亮度分布的信息，時延和時延率提供有關基線(長度和方向)和射電源位置(赤經(jīng)和赤緯)的信息。所得的射電源的亮度分布，分辨率達到萬分之幾角秒，測量洲際間基線三維向量的精度達到幾厘米，測量射電源的位置的精度達到千分之幾角秒。在分辨率和測量精度上，與其他常規(guī)測量手段相比，成數(shù)量級的提高。用于甚長基線干涉儀的天線，是各地原有的大﹑中型天線，平均口徑在30米左右，使用的波長大部分在厘米波段。最長基線的長度可以跨越大洲。

實際應用應用學科相關組織具體用途實際應用應用學科地質學由于甚長基線干涉測量法具有很高的測量精度，所以用這種方法進行射電源的精確定位，測量數(shù)千公里范圍內(nèi)基線距離和方向的變化，對于建立以河外射電源為基準的慣性參考系，研究地球板塊運動和地殼的形變，以及揭示極移和世界時的短周期變化規(guī)律等都具有重大意義。天體物理學在天體物理學方面，由于采用了獨立本振和事后處理系統(tǒng)，基線加長不再受到限制，這就可以跨洲越洋，充分利用地球所提供的上萬公里的基線距離，使干涉儀獲得萬分之幾角秒的超高分辨率。而且，隨著地球的自轉，基線向量在波前平面上的投影，通常會掃描出一個橢圓來。這樣，在一天內(nèi)對某個射電源進行跟蹤觀測的干涉儀，就可以獲得各個不同方向的超高分辨率測量數(shù)據(jù)。依據(jù)多副長基線干涉儀跟蹤觀測得到的相關幅度，應用模型擬合方法，便可得到關于射電源亮度分布的結構圖。地球大氣對天體射電信號產(chǎn)生的隨機相位起伏，帶來了干涉條紋相位的測量誤差。這和其他一些的誤差來源一道，限制了甚長基線干涉測量法的應用。若在三條基線上對射電源進行跟蹤觀測，則由三個條紋相位之和所形成的閉合相位，基本上可以消去大氣和時鐘誤差的隨機效應。用這種閉合相位參與運算，可以達到較好的模型擬合，從而減小結構圖的誤差。具體用途觀測衛(wèi)星中國科學院的VLBI是測軌系統(tǒng)的一個分系統(tǒng)，它由北京、上海、昆明和烏魯木齊的四個望遠鏡以及位于上海的天文臺的數(shù)據(jù)處理中心組成。這樣一個所構成的望遠鏡分辨率相當于口徑為3000多公里的巨大的綜合望遠鏡，測角精度可以達到百分之幾角秒，甚至更高。VLBI測軌分系統(tǒng)的具體任務是獲得衛(wèi)星的VLBI測量數(shù)據(jù)，包括時延、延遲率和衛(wèi)星的角位置，并參與軌道的確定和預報。具體的任務，比如說完成衛(wèi)星在24小時、48小時周期的調(diào)相軌道段的測軌任務。完成衛(wèi)星在地月轉移軌道段、月球捕獲軌道段以及環(huán)月軌道段的測軌任務。并且還要參加調(diào)相軌道、地月轉移軌道、月球捕獲軌道段的準實時軌道的確定和預報。VLBI測軌分系統(tǒng)從2007年10月27日起，即衛(wèi)星24小時的調(diào)相軌道段的第一天正式實施對嫦娥一號衛(wèi)星的測量任務。如今已經(jīng)完成了24小時、48小時調(diào)相軌道、地月轉移軌道段和月球捕獲軌道段的第一天總共十天的測量任務。VLBI分系統(tǒng)的各測站數(shù)據(jù)處理中心設備工作正常，VLBI測量數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)奖本┑暮教祜w控中心，數(shù)據(jù)資料很好，滿足了工程的要求，為嫦娥一號衛(wèi)星的精確定軌作出了貢獻。相關組織IVS:InternationalVLBIServiceforGeodesyandAstrometry（應用于測地和天測的國際VLBI服務）的縮寫，為全球性的VLBI應用于天體測量和地球動力學方面的合作組織，開展VLBI觀測、數(shù)據(jù)處理及技術發(fā)展的國際合作并提供服務。EVN：EuropeanVLBINetwork（歐洲VLBI）的縮寫。它首先由歐洲國家發(fā)起成立的VLBI組織。自1994年起，中國的上海和烏魯木齊VLBI站也參加了該組織，所以實質上為歐亞VLBI。EVN提供天體物理及某些天體測量課題的觀測及進行VLBI技術發(fā)展的國際合作。APT：Asia-PacificTelescope（亞太射電望遠鏡）的縮寫，它由亞太地區(qū)VLBI組織或者臺站組成，每年不定期地組織天文學和地球動力學方面的VLBI觀測，并組織學術交流。CORE：ContinuousObservationRotationofEarth（地球自轉連續(xù)觀測）的縮寫，它為美國NASA的一項研究計劃，由美國NASA的GSFC主持，全球大多數(shù)具有天測/測地能力的VLBI臺站參加了該項計劃。其主要科學目的就是用VLBI技術高精度連續(xù)測量地球自轉參數(shù)；同時，也為天球參考系、地球參考系的建立和維持及現(xiàn)代板塊運動觀測提供高精度的數(shù)據(jù)。VSOP：VLBISpaceObservatoryProgram（VLBI空間觀測站計劃）的縮寫。技術評價技術缺陷特點優(yōu)勢技術評價特點優(yōu)勢1、VLBI延遲和延遲率是純幾何觀測量，其中沒有包含地球引力場的信息，因此觀測量的獲得也不受地球引力場的影響。2、VLBI是相對測量，僅利用VLBI技術只能測定出兩個天線之間的相對位置，即基線矢量b，而不能直接測出各天線的地心坐標。3、為了確定VLBI測站的地心坐標，通常是在一個測站上同時進行VLBI和激光測衛(wèi)（SatelliteLaserRanging，SLR）觀測，即并置觀測，利用SLR技術所測得的地心坐標為基準，進而推算出其他VLBI測站的地心坐標。4、由于射電源的赤經(jīng)α和地球自轉的變化之間有直接的關系無法獨立地從延遲和延遲率觀測量中解算出來。因此，VLBI技術不能獨立地確定射電源參考系的赤經(jīng)原點，它必須用其他技術來測定。5、延遲率觀測量中不包含基線分量Z的影響。所以，僅由延遲率觀測無法解算出基線分量Z。另外，將延遲率的數(shù)據(jù)加到延遲數(shù)據(jù)中，并不會減少