星載氫鐘VLBI觀測實驗及分析*

王志超 劉慶會 鄭 鑫 張 娟 謝勇輝 鄧 濤 蔣健華張 超 王玲玲 梁 悅

(1 中國科學院上海天文臺 上海 200030)

(2 中國科學院大學 北京 100049)

1 引言

VLBI (Very Long Baseline Interferometer)技術在測角方面具有很高的測量精度[1], 和測速、測距技術一起被廣泛應用于深空探測器精密測定軌,我國VLBI網(wǎng)由北京測站(Bj)、上海佘山測站(Sh)、上海天馬測站(Tm)、昆明測站(Km)、烏魯木齊測站(Ur)和上海VLBI數(shù)據(jù)處理中心組成. VLBI的分辨率與其基線長度成正比關系, 同等條件下基線越長分辨率越高. 地基VLBI測站由于受限于地球自身物理尺寸, 基線最大長度只能達到地球直徑. 因此脫離地球自身大小的限制, 將基線延伸到地球以外的空間, 發(fā)展空間VLBI是未來VLBI技術發(fā)展的必經(jīng)之路, 也是VLBI技術自然而然的發(fā)展結果.

國際上, 美國曾于上世紀80年代首次通過TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System)衛(wèi)星與分別位于澳大利亞和日本的兩臺64 m射電望遠鏡組成空間VLBI網(wǎng), 建立了一條長達1.4倍地球直徑的基線, 并成功開展射電源觀測實驗, 證實了空間VLBI技術的可行性[2]. 隨后, 日本于1997年2月發(fā)射了VLBI衛(wèi)星HALCA (Highly Advanced Laboratory for Communications and Astronomy), 并成功開展了VSOP (VLBI Space Observatory Programme)項目研究[3–5]. 最近十年, 俄羅斯于2011年發(fā)射空間射電望遠鏡Radio-Astron, 成功開展了空間VLBI科學觀測, 并取得了一系列重要科研成果[6–8]. 目前, 國際上已沒有在軌工作的空間VLBI衛(wèi)星. VSOP和RadioAstron作為繞地球軌道空間VLBI衛(wèi)星, 都已結束在軌工作.

中國計劃在2025年左右發(fā)射嫦娥七號探測器.嫦娥七號繞月飛行的中繼星將搭載4.2 m的可展開天線, 并通過配備VLBI專用設備, 建立人類歷史上第1個月球軌道VLBI臺站. 通過與現(xiàn)有的中國VLBI地面測站相結合, 組成地月超長基線. 將我國現(xiàn)有的基線長度從3200 km擴展到380000 km,將大幅提高我國VLBI網(wǎng)的深空探測定軌定位精度和天體物理及天體測量研究能力.

中國月球軌道VLBI測站將是中國首個空間VLBI測站, 很多關鍵性技術需要在地面系統(tǒng)性地測試驗證. 中國月球軌道VLBI臺站主要由一個4.2 m的可展開天線、致冷接收機、數(shù)據(jù)采集終端、星載氫鐘等組成[9]. 氫鐘作為時間頻率基準, 其性能直接影響月球VLBI時延的測量精度. 相比于月球軌道VLBI測站, 中國VLBI網(wǎng)地面測站, 目前使用的都是性能優(yōu)于被動型星載氫鐘的主動型地面氫鐘. 由于月球VLBI使用的質(zhì)量較小的被動型星載氫鐘未曾用于VLBI觀測, 需要驗證其可行性. 為此, 我們交替使用主動型地面氫鐘和被動型星載氫鐘, 利用上海天文臺佘山25 m射電望遠鏡和其他測站對天問一號探測器和射電源進行了觀測驗證. 通過分析比對不同類型氫鐘的射電源時延誤差、探測器時延誤差, 最終得出了星載氫鐘滿足深空探測VLBI測定軌精度要求的結論, 驗證了星載氫鐘作為月球VLBI測站頻率基準的可行性.

2 被動型星載氫鐘和主動型地面氫鐘

被動型星載氫鐘利用基態(tài)氫原子的超精細能級躍遷信號實現(xiàn)高精度頻率輸出, 具有頻率穩(wěn)定度高、頻率漂移率低、體積較小、重量較輕等優(yōu)點.已經(jīng)在我國的北斗系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[10].本次實驗所使用的被動型星載氫鐘, 是由上海天文臺氫鐘團隊針對月球VLBI系統(tǒng)的實際需求研發(fā)的一款小型被動型氫鐘. 該氫鐘被用于此次的月球VLBI地面實驗系統(tǒng)氫鐘對比試驗中, 以驗證被動型星載氫鐘在VLBI觀測的可行性.

主動型地面氫鐘具有極好的短期和中長期頻率穩(wěn)定度[11], 目前作為地面頻率基準廣泛應用于中國VLBI網(wǎng)各個臺站. 但由于主動型地面氫鐘體積、質(zhì)量大等原因, 難以實現(xiàn)衛(wèi)星搭載. 本次試驗中, 用于比對的主動型地面氫鐘是上海天文臺于本世紀初從美國購買的一臺主動型地面氫鐘(MHM-2010). 該款進口氫鐘參加過國際VLBI聯(lián)測以及探月工程嫦娥一號、二號、三號、四號、五號等VLBI測定軌任務, 滿足歷次探測器的定軌定位對頻標穩(wěn)定性的要求. 兩款氫鐘的性能指標對比見表1. 從表中可以看出, 此次實驗的主動型地面氫鐘在頻率穩(wěn)定度性能上優(yōu)于被動型星載氫鐘約一個數(shù)量級. 但在體積和質(zhì)量方面, 被動型星載氫鐘比主動型地面氫鐘更輕巧.

表1 主動型地面氫鐘和被動型星載氫鐘主要技術指標對比Table 1 The comparison of main technical indicators between active hydrogen atomic clock and space passive hydrogen maser

3 實驗步驟

本次實驗期間, 中國VLBI網(wǎng)在執(zhí)行天問一號VLBI測定軌任務, 天馬站、北京站、昆明站、烏魯木齊站參加觀測. 根據(jù)實驗目的, 為了不影響天問一號測定軌任務以及確保實驗中氫鐘以外其他觀測設備的一致性, 本次月球VLBI地面實驗在未參加天問一號觀測任務的上海佘山25 m測站展開,并建立相應的測試實驗環(huán)境. 實驗系統(tǒng)如圖1所示,25 m天線接收到探測器信號和射電源信號, 通過饋源網(wǎng)絡將電磁波轉換為射頻電信號后, 電信號被傳遞到致冷接收機系統(tǒng). 經(jīng)過致冷接收機下變頻、濾波等一系列處理后信號變?yōu)橹蓄l信號, 再傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采樣等處理, 最后將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴虾LBI數(shù)據(jù)處理中心[12]. 其中,氫鐘作為接收系統(tǒng)變頻器的本振信號和數(shù)據(jù)采集終端時鐘信號的基準, 實驗中通過轉換信號接口實現(xiàn)不同類型氫鐘之間的切換. 天問一號觀測時, 使用的是差分VLBI技術, 即交替觀測河外射電源和探測器[13]. 具體實驗安排設置如表2所示,2021年2月26日,UTC時間6點至8點,在佘山測站首先使用主動型地面氫鐘作為時間頻率標準對天問一號和射電源進行2 h的觀測, 之后待天線調(diào)整時,通過轉換信號接口將頻標由主動型地面氫鐘更改為被動型星載氫鐘. UTC時間8點至10點, 使用被動型星載氫鐘作為頻率標準繼續(xù)觀測天問一號和射電源2 h. 2021年2月28日, UTC時間10點至12點,先使用主動型地面氫鐘作為時間頻率標準對天問一號和射電源進行觀測2 h. UTC時間12點至14 點,改用被動型星載氫鐘作為頻率標準繼續(xù)觀測天問一號和射電源2 h. 整個實驗過程中, 實驗設備只更改了氫鐘.

圖1 星載氫鐘VLBI觀測實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for VLBI observation of space passive hydrogen maser

表2 不同時間實驗安排情況Table 2 The arrangement of experiments at different time

4 數(shù)據(jù)結果分析

由于2 d的實驗觀測過程中, VLBI觀測的參考射電源均為0306+102, 所以觀測數(shù)據(jù)變化和射電源無直接關系. 使用后處理軟件處理數(shù)據(jù), 比對分析同一條基線使用不同氫鐘作為頻標, 分別對射電源觀測誤差、探測器觀測誤差以及綜合觀測誤差結果的影響, 能直接驗證星載氫鐘是否滿足深空探測器的VLBI測定軌要求, 進而驗證被動型星載氫鐘作為月球VLBI系統(tǒng)頻標的可行性. 其中,北京測站、昆明測站、烏魯木齊測站、天馬測站正常使用主動型地面氫鐘進行觀測, 這4個測站相互間組成與佘山測站無關的6條基線的殘余群時延數(shù)據(jù), 將作為參照數(shù)據(jù), 用來比對被動型星載氫鐘VLBI實驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量. 實驗過程中, 2月26日,探測器第1個觀測弧段scan2, 使用的是非0306+102射電源來校正, 因此數(shù)據(jù)處理過程中棄用該觀測弧段數(shù)據(jù). 2月26日, 觀測射電源弧段scan21, 使用主動型地面氫鐘作為頻率標準, 與探測器觀測弧段scan22使用氫鐘類型不一致, 因此棄用探測器scan22弧段數(shù)據(jù). 同理, 2月28日, 探測器的觀測弧段scan42和scan62均與校正射電源使用不同類型氫鐘, 故棄用該段觀測數(shù)據(jù). 本實驗分析數(shù)據(jù)均為天問一號火星探測器殘余群時延數(shù)據(jù).

4.1 Scan間射電源時延測量誤差

天問一號探測器的觀測是30 s觀測數(shù)據(jù)輸出一個觀測時延值(30 s積分). 每個觀測弧段(scan)在3–5 min不等, 具體時間由觀測綱要設計而定. 射電源的觀測是300 s觀測數(shù)據(jù)輸出一個相位積分點.由于整個觀測過程只得到9個射電源積分點, 無法通過射電源scan間數(shù)據(jù)來反映射電源的觀測精度.因此, 我們通過比較將單個scan內(nèi)探測器殘余群時延值(去掉野值點)減去2 h內(nèi)探測器的所有scan殘余群時延的平均值(去掉野值點)來間接反映射電源時延的觀測精度. 根據(jù)觀測實驗數(shù)據(jù), 利用后處理軟件, 本文對兩種氫鐘的VLBI觀測數(shù)據(jù)進行分析,結果如圖2所示. 佘山測站和其他3個VLBI測站組成的Sh-Bj、Sh-Km、Sh-Ur 3條基線的殘余群時延的標準差及平均值如表3所示. 從總體上來說, 使用被動型星載氫鐘和主動型地面氫鐘相比, 殘余群時延誤差略大, 但基本處于同等水平. 如2月26日,被動型星載氫鐘的誤差0.195 ns略大于主動型地面氫鐘的0.132 ns. 2月28日, 被動型星載氫鐘的誤差0.124 ns和主動型地面氫鐘的0.088 ns基本相當.

表3 射電源殘余群時延的標準差Table 3 The standard deviation of residual group delay of radio source

圖2 不同基線射電源殘余群時延單個scan值減去2 h內(nèi)所有scan的平均值. (a) t1226x結果; (b) t1228x結果.Fig.2 The average of residual group delay of radio source of single scan at different baselines minus the average of all scans over a 2-hour period. (a) result for t1226x; (b) result for t1228x.

4.2 Scan內(nèi)探測器殘余群時延誤差

根據(jù)觀測實驗數(shù)據(jù), 同樣利用后處理軟件, 對兩種氫鐘的天問一號探測器VLBI殘余群時延進行分析. 將單個scan內(nèi)的所有30 s積分點的殘余群時延值(去掉野值點)減去單個scan的平均值(去掉野值點), 結果如圖3所示. 觀察基線(Sh-Bj、Sh-Km、Sh-Ur)和參考基線(Bj-Tm、Km-Tm、Ur-Tm)的數(shù)據(jù)結果, 可以發(fā)現(xiàn)2月26日8點至10點, 無論是使用被動型星載氫鐘的基線(Sh-Bj、Sh-Km、Sh-Ur), 還是使用主動型地面氫鐘的參考基線(Bj-Tm、Km-Tm、Ur-Tm), 殘余群時延的波動相較6點至8點的殘余群時延都較大. 主動型地面氫鐘的殘余群時延在1 ns范圍內(nèi)波動, 被動型星載氫鐘的殘余群時延在1.2 ns以內(nèi)波動. 由于天馬測站的天線性能本身要優(yōu)于佘山測站天線, 因此數(shù)據(jù)波動情況不能直接反映氫鐘觀測性能差異. 與此同時, 2月26日8點至10點的其他3條使用主動型地面氫鐘的參考基線(Bj-Km、Km-Ur、Bj-Ur)的殘余群時延數(shù)據(jù)同樣存在較大波動. 據(jù)此認為, 存在測站天氣異常、天問一號信號本身變?nèi)醯绕渌蛩匾鹆诉@個時段殘余群時延的較大波動, 并不僅僅是被動型星載氫鐘引起的. 2月28日, 被動型星載氫鐘與主動型地面氫鐘的殘余群時延波動相對一致,基本都在0.04 ns內(nèi)波動. 由此可知, 無論是使用被動型星載氫鐘還是主動型地面氫鐘作為頻標, 對探測器時延測量誤差的影響相近.

圖3 不同基線單個scan內(nèi)的所有30 s積分的殘余群時延減去單個scan的平均值. (a) t1226x結果; (b) t1228x結果.Fig.3 The residual group delay of all 30 s integrals within a single scan minus the average of the individual scans for different baselines. (a) result for t1226x; (b) result for t1228x.

4.3 綜合殘余群時延誤差

將兩種氫鐘2 h內(nèi)所有30 s積分點的探測器殘余群時延值(去掉野值點)減去2 h內(nèi)總scan的平均值(去掉野值點), 反映出的是射電源與探測器綜合殘余群時延方面的誤差情況. 為了能更加直觀地對比使用不同類型氫鐘觀測數(shù)據(jù)精度的差異, 我們處理分析了9條基線的全部數(shù)據(jù), 結果如圖4所示. 圖4紅色為使用主動型地面氫鐘作為頻標時觀測數(shù)據(jù)的處理結果, 黑色為被動型星載氫鐘的數(shù)據(jù)處理結果. 同時, 對探測器殘余群時延值的綜合誤差求標準差及平均值, 結果如表4所示. 從總體上來說, 使用被動型星載氫鐘和主動型地面氫鐘相比, 殘余群時延綜合誤差略大, 但依然滿足月球VLBI測站的精度要求. 如2月26日, 被動型星載氫鐘的誤差0.333 ns相當于是主動型地面氫鐘的0.133 ns的2.5倍. 2月28日, 被動型星載氫鐘的誤差0.119 ns大約是主動型地面氫鐘的0.084 ns的1.5倍.

圖4 不同基線不同氫鐘30 s積分減去對應2 h內(nèi)總的scan殘余群時延平均值. (a) t1226x結果; (b) t1228x結果.Fig.4 The 30 s integration delay minus the average of the total scan residual group delay within the corresponding 2-hour for different hydrogen clocks at different baselines. (a) result for t1226x; (b) result for t1228x.

表4 探測器綜合殘余群時延誤差的標準差Table 4 The standard deviation of the integrated residual ground delay error of the probe

數(shù)據(jù)處理過程中, 發(fā)現(xiàn)基線Sh-Km、Sh-Ur的的綜合殘余誤差, 在實驗結束時都出現(xiàn)變大的趨勢. 為了找出出現(xiàn)相同變化趨勢的原因, 在排除了實驗儀器和實驗數(shù)據(jù)的問題之后, 我們分析了觀測實驗期間各觀測站仰角變化, 如圖5所示. 2月26日實驗結束時, 各臺站仰角都在60°以上. 而2月28日實驗結束時, 佘山測站和北京測站仰角低于30°, 昆明測站和烏魯木齊測站仰角明顯高于前者. 結果表明: 低仰角和高仰角測站組合成基線時會出現(xiàn)上述變化趨勢. 而同是低仰角或同是高仰角的測站組成的基線, 則不出現(xiàn)上述變化趨勢. 主要原因是測站仰角不同時大氣時延差異較大導致的.

圖5 各測站仰角變化. (a) 2月26日; (b) 2月28日.Fig.5 The variation of elevation angle of each station. (a) Feb. 26; (b) Feb. 28.

4.4 殘余群時延誤差直線擬合

最后對本次實驗的探測器殘余群時延數(shù)據(jù)進行直線擬合, 觀察多條基線擬合誤差的標準差的平均值. 分析使用不同氫鐘作為頻標, 探測器殘余群時延的波動情況, 擬合結果見表5. 從總體上來說, 使用被動型星載氫鐘和主動型地面氫鐘相比, 殘余群時延誤差處于同等水平. 如2月26日, 被動型星載氫鐘的誤差0.322 ns略大于主動型地面氫鐘的0.101 ns. 2月28日, 被動型星載氫鐘的誤差0.085 ns和主動型地面氫鐘的0.065 ns相當.

表5 殘余群時延直線擬合誤差的標準差Table 5 The standard deviation of residual ground delay after straight line fitting

5 總結

本文利用上海VLBI數(shù)據(jù)處理中心的后處理軟件, 對使用不同氫鐘作為頻率基準得到的觀測數(shù)據(jù), 依次從scan間射電源殘余群時延誤差、scan內(nèi)探測器殘余群時延誤差、探測器殘余群時延綜合誤差以及殘余群時延誤差直線擬合結果4個方面進行分析研究. 通過數(shù)據(jù)分析得出, 使用被動型星載氫鐘和主動型地面氫鐘相比, 無論是從單方面的探測器殘余群時延誤差和射電源殘余群時延誤差, 還是綜合方面的綜合殘余群時延誤差和殘余群時延誤差直線擬合, 兩款氫鐘的數(shù)據(jù)結果精度相當, 不存在較大數(shù)量級差異. 通過以上星載氫鐘的VLBI觀測實驗結果分析, 我們可以得到被動型星載氫鐘和主動型地面氫鐘的殘余群時延誤差精度相當, 被動型星載氫鐘可用于月球軌道VLBI實驗系統(tǒng).