FAST的VLBI观测与科学

我国500 m口径球面射电望远镜(Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope,FAST)的主要科学目标之一是作为甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)的主导单元,凭借其空前的接收面积,极大提高VLBI网的观测灵敏度,从而实施对极弱射电源的高分辨率观测研究.然而,FAST独一无二的特性,比如跟踪目标天体的方式以及较小的视场,对其参与VLBI观测提出了新的挑战.本文就FAST的VLBI参考点的选取和精确测定,以及VLBI相位参考观测模式的实现方案进行了探讨,并展望了FAST可能参与的VLBI研究课题.     

对银河系中心超大质量黑洞候选体Sgr A*的VLBI观测研究

位于银河系中央的极其致密的非热射电源Sagittari8us A^*（Sgr A^*），被公认为最佳的超大质量黑洞候选体，其质量约为400万个太阳质量。甚长基线干涉测量（BLBI）技术以其独有的高空间分辩率为我们提供了唯一可以探讨Sgr A^*位于几个史瓦西（Schwarzschild）半径区域内天体物理性质的手段。介绍了对 Sgr A^*的VLBI研究现状和最新进展，着重论述了毫米波和亚毫米波VLBI观测对研究Sgr A^*的辐射区域的真实形状和大小，以及探索其结构随时间变化的重要性。Sgr A^*无疑是检验广义相对论将就的亚亮米波VLBI实验的最佳目标。     

Helene的Cassini ISS图像的天体测量

Helene是土星的一颗小卫星,因其暗弱和靠近土星环,而致地面难以观测,历史上观测数据非常少.Cassini ISS在2004–2017年间观测了大量Helene的图像,本文对这些观测图像进行了天体测量工作.具体地说,我们先使用参考星对ISS相机的指向进行校正,然后使用二维高斯法对Helene的量度坐标进行测量,最后将该位置归算到Cassini为原点的国际天球参考架下的赤经、赤纬坐标.并与JPL的历表SAT393进行了比较,计算了位置残差.我们对总计890幅图像进行了有效测量.测量结果显示:和SAT393相比,赤经、赤纬方向的残差均差分别为0.23和-0.63 km,标准差分别为3.48和2.23 km.这个精度远超地面观测的精度,显示了空间观测的优势.     

基于VLBI和GPS测量2009年7月22日日全食期间电离层TEC变化

2009年7月22日上午发生的日全食是21世纪全食持续时间最长的日全食,跨越了中国北纬约30°的广大地区,为研究太阳对地球电离层的影响提供了一次难得的机会.上海位于此次日全食带中心线附近.为此,上海佘山站、乌鲁木齐南山站和日本鹿岛站开展了VLBI联合观测实验.与此同时,TEC测量还配合使用了GPS观测站.本文介绍了此次日全食观测实验的背景、测量方案、观测实验详情和数据处理流程.根据相关处理结果,利用二维条纹搜索方法在上海一乌鲁木齐基线获得了优质干涉条纹,预示着VLBI测量取得成功.对单站GPS数据的初步分析表明.日全食食甚时刻TEC值存在快速下降.此次观测实验预期将首次获得电离层TEC变化的VLBI实测结果.并开展VLBI与GPS测量结果的比较研究.     

基于同波束VLBI的大气电波相位抖动统计特性研究

探测器和射电源的信号通过地球大气和电离层时其相位发生抖动,对地面观测系统如VLBI的测量精度产生极大影响.本文基于日本探月工程SELENE的两个小卫星Rstar和Vstar 4个测站长达1年的同波束VLBI观测数据,研究了VLBI各基线相关相位及两卫星间差分相关相位的阿伦方差和构造函数的统计特性及每月的变化情况,并首次得到了差分相关相位的均方根和角距离的关系模型.同时,利用4测站6基线的相关相位及两卫星间差分相关相位,首次反演出各个测站的大气电波相位抖动及两卫星间差分相位抖动的阿伦方差、构造函数、以及差分相位的均方根和角距离的关系模型.时间间隔?在8–80 s时,差分相关相位和各测站的阿伦方差正比于?0,符合Kolmogorov湍流理论.6条基线的差分相位抖动的均方根的平均值?与角距离?的关系模型为?=2.759?+1.069 deg/deg,反演出的4个测站的差分相关相位抖动的均方根的平均值与角距离的关系模型为?=1.967?+0.738 deg/deg.     

基于GPS的FAST望远镜馈源平台自动测量控制系统

500m直径大射电望远镜(简称FAST望远镜)的跟踪观测是由馈源的空间运动来实现,因此馈源在搜索运动过程中要保持很高的稳定性。就馈源平台自动控制系统对位置和姿态测量精度要求进行分析,提出了采用实时动态技术和全球定位系统(GPS)姿态测量技术进行馈源平台的实时监控,以实现整个FAST望远镜对宇宙射电源的自动化跟踪。介绍了GPS时实动态姿态测量原理和FAST监测系统的构成,以及姿态测量的数学模型和解算方法。该方法在50mFAST馈源模型上试验得到馈源平台中心点位精度为5.65mm、姿态精度0.345°可以满足FAST望远镜一次支撑的精度要求。     

面向连续离散系统的自适应最大相关熵滤波算法

针对目标跟踪中运动模型不精确和测量异常导致的传统滤波算法精度下降问题,提出了一种鲁棒平方根连续-离散自适应最大相关熵容积卡尔曼滤波(RSRCD-AMCCKF)算法。在目标跟踪问题中采用了精度更高的连续-离散时间模型,提高了目标跟踪的解算精度;将加权最小二乘方法与传统最大相关熵准则相结合,得到改进的相关熵代价权函数,之后引入连续-离散时间滤波框架,提高了滤波算法在测量异常情况下的鲁棒性;以高斯核函数作为相关熵的调整因子,依据不同测量环境选择自适应因子,进而对观测噪声的协方差矩阵进行调整。仿真结果表明：与传统算法相比,当测量噪声为高斯噪声时,RSRCD-AMCCKF算法对目标位置和速度估计的精度分别提高了38.4%和27.3%;当测量噪声为非高斯噪声时,RSRCD-AMCCKF算法对目标位置和速度估计的精度分别提高了23.5%和23.9%;当测量值发生突变时,RSRCD-AMCCKF算法对目标位置和速度估计的精度分别提高了12.6%和7.1%。RSRCD-AMCCKF算法在各类测量条件下都具有更高的精度和鲁棒性,更接近目标跟踪的克拉美罗下界,能够较好地实现滤波精度和抗异常测量的统一。     

相位实时差分技术应用于飞行器交会对接研究

空间飞行器交会对接需要实时高精度地确定两飞行器的相对位置.应用GNSS引导两飞行器交会对接,是GNSS差分原理的一种特殊应用.星载接收机提供的载波相位观测值是高精度定位的基础,但是如何实时可靠地固定相位模糊度仍然是关键技术,提出了一种有效的模糊度实时解算算法,即在宽巷组合的基础上附加选权约束来固定两种不同波长的宽巷模糊度,然后依据组合法直接求解L1和L2相位模糊度整数解.实验结果显示,应用该算法进行模糊度单历元实时解算时,15km以内的短基线,解算成功率大于99%,能满足实时交会对接定位精度的要求.为了验证该算法在空间飞行器对接中的应用,采用仿真的方法模拟了两飞行器逼近和离开的过程,模拟并实时输出星载GNSS观测量.进而应用新算法实时估计两飞行器间相对位置,精度达到厘米级水平.我们的研究不但能进一步完善GNSS相位模糊度解算理论与方法,也可促进GNSS在航空飞行器编队飞行和交会对接等相关领域的应用.     

用于地月空间VLBI的加权全频谱信号合成技术

在我国探月工程四期嫦娥七号任务中,中继星将搭载一个4.2 m口径的X波段抛物面望远镜.该望远镜将与地基望远镜构成具有400000 km空地基线的月球轨道VLBI实验系统,实施地月空间VLBI实验.为尽可能提高空地VLBI基线灵敏度,提出了采用加权全频谱合成(FSC)技术增强地基信号.本文先理论推导了信号合成后的效果及两个望远镜信号合成时的最优加权系数比值.然后设计了VLBI加权全频谱合成算法,并基于实测信号利用网格搜索的方法找到最优加权系数,结果与理论推导相符.最后,利用“嫦娥四号”多组VLBI原始观测信号进行测试.结果表明,本文设计的信号合成算法可以大幅度提高VLBI基线射电源信号的信噪比.     

高轨空间碎片图像定心算法的比较

数字图像定心算法的使用对天体测量的最终精度有着重要的影响.高轨空间碎片的光学观测中,受观测方法影响,目标星像存在较严重的退化,影响了星像质心的计算.针对常用的四种图像定心算法:修正矩方法、一维Gauss拟合、二维Gauss拟合和中值法,利用空间碎片的实测图像进行了实验.通过比较天文定位结果与精密星历参考值,分析了不同方法的计算精度,以及不同阈值对结果的影响.实验表明,对于高轨空间碎片的退化星像,中值法计算的赤经位置精度最好,其余三种方法计算的赤纬精度较高,对于Gauss方法,无阈值能获得比较好的计算精度.     

嫦娥三号探测器DOR信号本地相关处理与定轨验证

嫦娥三号(CE-3)探测器在我国首次正式使用了X波段差分单向测距(DOR)信号,未来深空探测器将沿用这一信标体制.本文针对DOR信号特点研究了不同于常规VLBI信号处理的本地相关处理方法,并用于CE-3环月段DOR信号的干涉处理.经过带宽综合、射电源校正,获得了高精度较差差分单向测距(Delta-DOR)时延,并成功将测量结果用于探测器定轨.本地相关获得的DOR信号的相位噪声明显小于现有相关处理机,定轨获得的星历与工程中的精密星历差异约为20m,等效时延残差约0.4ns.相比于常规的VLBI信号相关处理机,本地相关更适合于弱信号的处理,可以用于我国未来月球与深空探测项目.     

基于共面光标提取的空间目标单目测量技术

针对空间目标捕获任务技术需求,设计了一种基于平面靶标特征点提取的单目视觉线性相对位姿解算方法. 提出基于几何指数阈值判别的特征光标提取方法,并采用非线性项变量代换方法,设计了基于特征光标提取的线性相对位姿解算方法,建立了单目视觉相对测量地面实验系统,在模拟目标航天器相对位置和姿态低速动态漂移的条件下进行了试验. 测量结果表明,所提出的特征光标提取算法能够有效避免高亮光斑对特征光标提取的不利影响,且相对位姿解算算法具有较好的精度和实时性,相对于传统非线性迭代求解方法,该方法计算量小,求解过程稳定.      

浅谈影响GPS基线解算结果的因素及处理办法

在大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等,经常利用GPS布设各种类型和等级的控制网,而基线解算则是GPS控制网观测数据处理过程的重要环节,基线解算质量的好坏直接关系到各条基线的观测精度,从而影响整个控制网的精度。     

国内期刊亮点

正中国研发数字化天顶望远镜样机经典的光学天体测量技术观测得到的是地方铅垂线在恒星背景上的指向,它受重力场变化的影响,因而可用于垂线变化的测量和研究。这对天文学和地球科学的交叉研究领域具有特殊的意义,非甚长基线干涉测量(VLBI)、激光测距(SLR)等技术所能取代。中国科学院国家天文台田立丽等利用CCD等相关新技术、新器件,研制成功了口镜为20 cm的数字化天顶望远镜样机DZT-1。试观测表明,DZT-1做到高效率,每晚可观测上万个星次,这对抑制随机观测误差的影响,提高观测精度起到很明显的作用。同时DZT-1自动化程度高,甚至可通过遥控实现无人值守观测。同时因其小型化和易于移动,便     

多基线近景摄影测量连续像对相对定向

根据近景摄影测量多基线、大倾角摄影的情况,推导了多基线近景摄影测量连续像对相对定向的公式,提出了以基线分量以及方向余弦为参数的解算方法,从而克服了非线性的共面条件方程式在解算时对摄影位置及姿态的限制.对摄影测量手册中相对定向方法进行了介绍.利用非量测数码相机对实验场地所拍摄的数据进行两种相对定向方法解算,获得了精度较高的结果,验证了两种算法的正确性及稳定性.     

一种新的蜂窝网无线定位位置解算方法

定位算法是无线定位技术研究的核心，其优劣将直接影响整个定位系统的性能。针对蜂窝网无线定位技术的特点，提出了一种基于坐标变换对TOA定位测量数据进行位置解算的方法，该方法通过对测量点的空间坐标变换，避免了位置解算过程中的方程线性化问题，减小了计算复杂度，并能大大提高位置解算的精度。实验结果表明，相对于泰勒级数展开法，有效地提高了系统定位性能。      

GPS单星单历元模糊度与电离层延迟分类解算

整周模糊度与电离层延迟是GPS观测方程中两类不同性质的未知参数。基于参数分类解算的思想,结合平方根信息滤波/平滑的基本原理,推导出使用单颗GPS卫星的双频观测数据单历元求解电离层延迟与整周模糊度的公式。通过使用模拟数据实验获得的结果来看,该方法有效,整周模糊度和电离层延迟解算精度可达0.3周和0.02m。     

基于地基测量数据的地月L2点探测器轨道确定

CE-5T1是探月工程三期的先导探测器,主要用于验证嫦娥五号(CE-5)飞行过程和再入返回技术,为CE-5任务的顺利实施奠定基础.CE-5T1在执行完主任务之后,又飞向了地月平动点L2,并绕L2点飞行约40 d,是我国第一颗绕地月L2点飞行的探测器.本文利用地基测距测速和VLBI干涉测量数据,对CE-5T1绕L2点飞行期间的轨道进行了定轨计算并分析精度.轨道动力学特征决定了绕L2点飞行的探测器需要采用较长弧段数据以提高定轨精度,而由于不同类型测量数据和轨道之间的几何特征差异,VLBI系统误差对定轨精度的影响要远大于测距系统误差.分析结果表明,综合利用5–7 d的测距测速和VLBI数据,CE-5T1在L2点的定轨后位置和速度精度分别为百米和毫米每秒量级.相关分析结果可以为我国后续执行类似任务的探测器(如CE-4)提供参考.     

一种新的蜂窝网无线定位位置解算方法

定位算法是无线定位技术研究的核心，其优劣将直接影响整个定位系统的性能。针对蜂窝网无线定位技术的特点，提出了一种基于坐标变换对TOA定位测量数据进行位置解算的方法，该方法通过对测量点的空间坐标变换，避免了位置解算过程中的方程线性化问题，减小了计算复杂度，并能大大提高位置解算的精度。实验结果表明，相对于泰勒级数展开法，有效地提高了系统定位性能。     

BL Lac天体0735＋178：类星体3C147VLBA偏振观测？…

为确定类星体 3C147的绝对偏振位置角 ,利用美国 VL BA对 BL L ac天体 0 735 178进行 5GHz波段偏振观测 ,得到源 0 .0 0 1″尺度高质量偏振图像 .结果显示 0 735 178具有核 -喷流结构 ,其喷流延伸达0 .0 1″,位置角约 65°,其中核部分偏振度为 2 .4 % ,喷流部分偏振较强 ,为 56% ,喷流中的磁场与喷流方向接近一致 .利用 BL L ac天体 0 735 178做偏振校准源 ,详细介绍了在 VL BI偏振观测中确定目标源绝对偏振位置角的过程