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上海天文台日喀则40米口径射电望远镜正式开工建设
发布时间:2023-09-20    来源:中科院   阅读次数:648 分享到:

9月15日,中国科学院上海天文台日喀则40米口径射电望远镜正式开工建设。

该望远镜是目前中国甚长基线干涉测量(VLBI)网新增的两个望远镜之一,与其同步在建的还有长白山40米射电望远镜。最终,这两台40米射电望远镜将与此前VLBI网中的4台望远镜一起,服务我国探月和深空探测,并开展天文观测研究。

按计划,日喀则40米望远镜将于2023年底前完成天线塔基地下部分建设,2024年底前具备初步观测能力;2025年底前观测站整体竣工。升级后的VLBI网计划在2026年具备同时为两个航天器测定轨的能力。

服务航天19年,能看清月球上2米大小的物体

VLBI网是一种由射电望远镜为主要组成部分的观测网,诞生于上世纪60年代,而VLBI则是一项高精度测角技术。

通常,望远镜口径越大,空间分辨率就越高,但口径大也意味着耗资多、技术难度大。于是,科学家想到了另一种方案——利用多台射电望远镜接收同一天体的无线电波信号,将各台望远镜接收到的信号两两进行干涉测量,最后计算获得天体的射电图像。

组网的望远镜及其数据处理中心合称为“VLBI网”。它等效于一台单口径射电望远镜,其口径等于这些望远镜天线之间的最远距离。

1973年,我国天文学家、中国科学院上海天文台研究员叶叔华院士从期刊论文中了解到国际上最新的VLBI技术,并提出要在中国发展VLBI技术。

在她的推动下,1987年,上海建成了佘山25米射电望远镜;1993年,距离上海3000公里的乌鲁木齐,建成了南山25米射电望远镜;2004年,我国探月工程启动;2006年,在我国探月工程的支持下,中国科学院上海天文台又在北京建成了密云50米射电望远镜,并将云南昆明的10米射电望远镜改造成为40米射电望远镜。

至2007年,VLBI网建成“四站一中心”,即4台望远镜和1个VLBI指挥控制与数据处理中心。

同年,“嫦娥一号”卫星发射,VLBI网首次应用于航天工程,为卫星精准定轨,这是国际上首次将实时VLBI技术用于月球与深空探测器的高精度测定轨、定位。

此后,VLBI网成为探月工程测控系统的重要组成部分,完成了探月工程“绕”“落”“回”三步走战略任务和我国首次火星探测任务的VLBI测定轨任务。

深空探测重大专项总设计师吴艳华评价:“作为探月工程测控与回收系统的重要组成部分,上海天文台牵头的中国VLBI网与现有航天测控网,共同完成了历次探月与探火测定轨及定位任务。”

近年来,VLBI网不断升级。2012年,上海建成天马65米射电望远镜,替代了原先的佘山25米射电望远镜,使我国VLBI网的灵敏度提高了2.6倍。2013年,乌鲁木齐南山25米射电望远镜升级改造为口径26米、性能更加优越的射电望远镜。

“目前,VLBI网已服务航天19年,其月球轨道定轨精度达到国际先进水平,可以看清月球上2米大小的物体。”中国科学院上海天文台台长沈志强说。

增加两位新成员,能同一时间盯住两个航天器

2022年,我国正式启动探月工程四期。今年,我国载人月球探测工程登月阶段任务已启动实施,目标是在2030年前实现中国人首次登陆月球。

探月工程四期的多任务特征,向原本在同一时间只能测定一个航天器的VLBI网提出了挑战。

根据探月工程四期测轨需求,2023年5月15日,“嫦娥七号VLBI测轨分系统建设项目”获得正式批复,明确要在西藏日喀则和吉林长白山新建两个VLBI观测站。

沈志强介绍,目前,中国科学院上海天文台正在西藏日喀则、吉林长白山建设两台40米口径的大型射电望远镜,将原先的“四站一中心”拓展至“六站一中心”。

“未来,每3台望远镜配对可以组成一个VLBI‘子网’,每个‘子网’可以实现对1个探测器的测定轨,即具备‘双子网、双目标’能力。”沈志强说。

吴艳华表示,西藏日喀则和吉林长白山VLBI台站建成后,将显著改进我国VLBI测控网的构型,有力保障探月四期和深空探测后续任务。

此次启动建设的日喀则40米射电望远镜,位于西藏自治区日喀则市西侧。这里海拔约4100米,空气干燥,晴天数多,人迹罕至,电磁波干扰少。而日喀则40米射电望远镜是一台大型全可动高精度多用途射电望远镜,具有从1吉赫兹到100吉赫兹的观测能力。

为了适应高海拔环境,日喀则40米射电望远镜采用了一些新的设计方案。

日喀则40米射电望远镜总工程师、中国科学院上海天文台研究员王锦清介绍,为保障天线在高原、寒冷地区正常运行,天线结构采用全结构温控技术,使其在复杂温度环境下的面型精度和指向精度得以大幅度提高。天线控制方面,将采用新的优化控制方法,有效克服风扰动,保证天线指向精度。

此外,日喀则40米射电望远镜还将建设天线健康管理系统对天线健康状态进行监测,建设远程故障诊断系统实现设备状态实时监控。

从地面走向空间,有望实现空间-地面射电干涉观测

在沈志强看来,4100米的高海拔环境,拓展了日喀则40米射电望远镜在100吉赫兹的高频段工作能力,使望远镜不仅能够承担探月四期和深空探测VLBI测定轨任务,更好地服务我国深空探测VLBI测定轨任务,也将促进我国射电天文科学观测研究的发展,提升我国射电天文科学研究能力。

“日喀则40米射电望远镜将推动超大质量黑洞、致密天体快速时变及引力波电磁对应体、银河系动力学研究、高精度天地一体化参考架等一系列天文学前沿领域的研究。”沈志强说。

随着VLBI网的不断更新,“六站一中心”绝非VLBI的终点。

中国科学院上海天文台研究员郑为民介绍,后续,深空探测工程包括探月工程四期、行星探测工程、小行星防御演示验证、载人登月等任务,具有“目标多、精度高、时效快、多任务并行”的特点,对VLBI网的能力提出了挑战。

他认为,未来VLBI网需要进一步发展新技术和高效的运行控制方式,以适应长期任务需求。

为了服务未来深空探测的更多需求,中国科学院上海天文台还提出了“空间VLBI”的想法——将两个30米口径空间低频射电望远镜发射至地球大椭圆轨道,与地面的VLBI网联合观测。

“我们可以先利用‘鹊桥二号’中继星4.2米天线和地面VLBI天线,构建月球轨道VLBI试验系统,形成地月30万公里超长基线,提高天文研究水平和对深空探测器的测轨能力,探索中国VLBI网天地一体化雏形。未来,我们有望在国际上首次实现空间-地面的射电干涉观测。”郑为民说。

中国电科39所承研天线建设
准确获取探测数据,天线指得准是关键。作为40米口径射电望远镜天线的承研单位,中国电科39所自主创新,采用了全结构温控、远程操控等技术,大幅提高天线的面型精度,并可以实时监控设备状态,保障了设备的服役性能。此外,为保障天线在海拔高、阵风干扰大的日喀则正常运行,项目组采用新型优化控制策略,可有效克服风扰动,保证了天线指向精度。
据悉,除承担探月和深空探测测定轨任务外,日喀则40米射电望远镜还将提升我国射电天文科学研究能力,助力科学家在超大质量黑洞、致密天体快速时变及引力波电磁对应体、银河系动力学研究等领域取得更多创新性成果。

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