利用GNSS测量射电望远镜参考点的仿真分析

高精度测量射电望远镜参考点和轴线偏差等参数,对建立天线指向模型和本地连接参数、提高测站坐标精度等具有重要意义。为完成新建射电望远镜参考点初始参考值的快速测定,根据望远镜的旋转模型,结合常规静态归心测量方法和随机动态测量方法,提出了一种利用GNSS天线代替测量靶标实现望远镜参考点测量的方法。通过仿真分析验证了该方法的合理性和有效性,并分析了数据点个数和数据点测量精度对天线参考点和轴线偏差解算精度的影响。     

天马13m射电望远镜高精度指向模型的建立

天马13 m射电望远镜是专为空间大地测量的新一代甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)天线,即VGOS(VLBI Global Observing System)系统。VGOS观测将从调度、相关、观测策略到分析各方面改变甚长基线干涉测量。与传统测地观测相比,VGOS观测将数据精度提高1～2个数量级。天马13 m射电望远镜安装了3～15 GHz宽频制冷接收机,一般要求天线指向偏差小于最高频率波束宽度的1/10。为满足高精度指向要求,详细介绍了建立指向的方法和天线控制扫描策略,给出了系统误差修正模型的完全表达式,明确了指向修正模型中的参数意义。基于该天线指向扫描的实测数据,实测评估了望远镜的指向精度。采用最小二乘法对覆盖全天区的数据样本进行拟合,得到天马13 m射电望远镜指向模型,并加载到天线伺服控制系统进行验证,得到了优于10″的盲指误差。     

上海天马65m射电望远镜归心测量

对新近落成的上海天马65 m射电望远镜进行了归心测量,通过观测资料解析获得了天线参考点毫米级精度(形式误差)的地心三维坐标,并表明了轴线偏差在3 mm水平上不显著。具体地,参考点在ITRF2008系统中的坐标为:[X Y Z]=[-2 826 708.604 54 679 237.054 23 274 667.531 4]m±[420.450.43]mm,参考历元为2013年6月29日UTC0h。轴线偏差为ˉf=(2.95±3.26)mm。这为后续的天线指向模型建立、天线定向引导、VLBI互相关条纹搜寻和观测资料科学应用解析等提供了重要参考,也为监测天线地基沉降与水平位移、天线轨道和结构变形等提供了历元资料记录。     

基于FS系统对乌鲁木齐VLBI射电望远镜进行天线测量

在天文观测中射电望远镜性能参数的好坏直接影响到观测数据质量,为了保证观测质量,提高观测效率,需要对天线性能进行测量.当前进行天线测量的方法有场地测量法和射电天文法,不同的方法应用范围和效果不同.对于大型天线而言采用射电天文法进行天线测量高效快捷.针对VLBI射电望远镜,介绍了使用终端FS系统对天线参数进行测量（基于射电天文法）的方法和过程,以乌鲁木齐南山25 m天线增益和指向精度测量作为范例,重点叙述了测量的方法和步骤,并对该方法进行了讨论.     

姿态卡尔曼滤波对FAST馈源舱 BDS/SINS组合导航位姿精度的提高

500 m球面射电望远镜(The Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)馈源舱位置和姿态测量精度直接影响望远镜接收机的对准精度.为了提高馈源舱位姿精度,提出姿态卡尔曼滤波算法,采用北斗导航系统的多天线技术解算馈源舱姿态,将它与捷联惯导解算的馈源舱姿态对比,两者的差值作为姿态卡尔曼滤波的量测量.为了降低北斗导航系统解算姿态的复杂度,采用了罗德里格矩阵解算方法.以望远镜跟踪观测模式时,北斗导航系统和捷联惯导解算的实际导航结果作为测试数据,测试结果表明采用姿态卡尔曼滤波的组合导航结果精度优于传统卡尔曼滤波的组合导航结果,尤其在航向角和yf轴的位置精度上.     

一种测定并置站垂线偏差的小网参数转换法

推导了传统全球卫星导航定位系统(GNSS)测定垂线偏差(Deflection of the Vertical, DOV)形式误差的表达式;提出一种可用以解算并置站DOV的小网参数转换法.利用乌鲁木齐南山多技术并置站控制网观测信息,开展了算法验证,并对该站内多个地点DOV开展了实测.结果表明,高精度的小网DOV仅由点位观测精度最高、覆盖面积最广的3个站点决定.个别精度较差的点会为DOV的测定值带来较大的不确定性;采用小网转换法所解算的DOV与实测值间的一致性分别为-2.3′′±4.3′′(子午分量)和0.2′′±4.6′′(卯酉分量);小网转换求取DOV的方法在精度上与经典的GNSS水准方法相当,但步骤更加简便.鉴于多技术并置站会不定期地开展本地测量,可利用该方法实现多技术并置站DOV的零成本长期监测.     

VLBI相位连接以及相时延解算的新方法研究

甚长基线干涉测量(VLBI,Very Long Baseline Interferometry)能够提高深空探测器测定轨的精度,目前应用于深空探测中的多为差分VLBI技术(?VLBI).差分VLBI相关相位中存在时间间隔,把不同时间段的相位无整周模糊度地连接起来能清晰地反映卫星运动轨迹,有助于提高卫星的测定轨精度和开展行星无线电科学研究.同时,VLBI相时延因其超高的精度有广泛应用,但解算条件苛刻.基于此,首先利用两个频点的差分相位与单频点相位变化趋势一致的思想,研究了一种新方法连接差分VLBI单频点的相位;然后提出一种利用窄带宽(1 MHz)中的两个频点相位解算相时延的方法,并用嫦娥三号(CE3)着陆器的数据做了实际解算和验证;最后给出了仅利用数天VLBI相时延对着陆器进行定位的方法,得到的结果为(44.1239°N,19.5106°W),和事后基于美国月球侦察轨道器(LRO)窄角相机(NAC)影像数据的定位结果(44.12189°N,19.51129°W)相比,差异为百米左右,验证了仅利用VLBI相时延也能进行着陆器定位的有效性.     

差分VLBI技术在采样返回任务中的应用

针对采样返回任务中多探测器精密短弧定轨问题,研究了甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)技术在两探测器间的交替观测模式、2π模糊度解算方法和数据差分处理方法,给出了星载信标的设计原则和方案。利用日本SELENE探月卫星的两个小卫星R-star和V-star的同波束VLBI相关相位生成了交替VLBI相位观测量,对其进行了差分处理求解差分时延,然后利用差分时延和测速测距数据进行定轨计算。对差分时延的分析表明,交替VLBI差分群时延RMS值为46 mm,测量精度与同波束VLBI差分群时延相当;交替VLBI差分相时延RMS值为1.6 mm,测量精度与同波束VLBI差分相时延相当。定轨结果表明,交替VLBI在进行多探测器的短弧定轨时能达到同波束VLBI相当的精度。     

利用GPS数据标校水汽辐射计的方法研究

对流层是影响各类对地观测、地对空观测精度的主要因素之一.目前GNSS(Global Navigation Satellite System)技术由于其时空分辨率和精度方面的优越性,成为大气延迟和水汽监测的主要手段之一.水汽辐射计WVR (Water Vapor Radiometer)是传统的大气探测手段,由于其观测原理和灵敏度等方面的特点,也有其特殊的用途. WVR在正式投入使用前必须根据各个测站的具体情况进行标校,一般采用探空数据来进行,但探空数据采样频率低、数据量小, GNSS具有相对的优势.利用分布于北京(BJMY)、上海(SHAO)、昆明(YNKM)、乌鲁木齐(URUM) 4个VLBI (Very Long Baseline Interferometry)台站的GPS和水汽辐射计数据,开展了利用GPS数据标校WVR的方法研究,探讨了各个台站WVR的数据预处理方法,分析了影响水汽辐射计测量精度的因素.利用2015–2016年的4个并置台站的GPS和WVR观测数据,验证水汽辐射计数据的稳定性与可靠性.采用归一化处理方法,利用GPS数据对水汽辐射计进行了校准,为水汽辐射计的标校提供了一种新的思路和方法.     

上海天文台VLBI，SLR和GPS站的归心结果与分析

本文重新处理了最近几年来利用GPS技术测定上海天文台GPS站坐标的资料，给出了GPS站相对于VLBI，SLR站的基线矢量，并与利用常规方法归心的最新结果进行了比较和,是到了IGS‘92联测中上海天文台GPS技术解算的SH01站坐标，与VLBI技术解算的结果比较，两者相差小于2.6cm，同时得到GPS技术归心的符精度好于1cm。     

大口径射电望远镜电磁兼容评估技术研究

电磁兼容性是设备或系统的重要性能指标, 也是保障系统的工作效能和提高系统可靠性的重要因素. 大口径射电望远镜运行阶段, 台址周围无线电业务及内部潜在的电磁干扰会降低观测系统灵敏度、影响天文观测的质量. 本论文针对拟建的新疆110 m全向可动射电望远镜(Qi Tai raido Telescope, QTT)开展了系统电磁兼容评估技术及控制方法研究, 具有重要的工程应用价值. 首先, 依据现有电波环境测量方法的不足, 深入分析了仪器设备的关键参数配置方法及测量时间计算方法, 采用Y因子法校准测量数据, 提出一种准实时电波环境测量方法. 面向高重复性宽带频谱, 分析了宽带频谱信号和噪声特征, 结合标准差理论, 提出一种基于邻值比较的信噪分离方法, 并采用邻值统计方法优化关键参数, 提高信噪分离精度. 针对QTT台址, 开发了自动化电波环境监测系统, 该系统6 GHz以下频段系统增益大于40 dB, 系统噪声系数小于2 dB, 测量不确定度小于1.49 dB, 具有极高的系统灵敏度和测量精度; 分析了频谱监测数据流, 设计了基于HDF5 (Hierarchical Data Format version 5)的数据存储格式, 开发了自动化电波环境测量和监控软件及数据处理软件. 依据QTT台址长期监测数据, 评估分析了台址电磁环境、主要干扰源特征及其影响. 其次, 提出大口径射电望远镜馈源口面干扰电平限值量化方法, 建立了基于台址地形的电波传播模型, 分析了现有电波传播模型的优缺点及适应性, 结合QTT台址实际地形及地质特征, 采用Longley-Rice和Two-Ray电波传播模型, 预测分析了QTT台址潜在干扰区域电磁干扰达到射电望远镜的电波路径衰减, 结合大口径射电望远镜天线增益量化方法, 提出设备所在位置干扰电平限值量化方法, 运用该方法对QTT台址潜在干扰区域的干扰电平限值进行量化. 依据设备所在位置干扰电平限值, 调研分析了国内外军用、民用电磁兼容测量标准, 结合电磁干扰对射电天文观测的影响, 提出一种大口径射电望远镜电磁兼容控制方法, 解决了现有电波暗室测量系统无法直接测量评估电子设备电磁兼容的问题, 该电磁兼容控制方法计划应用于QTT建设及运行阶段, 确保系统拥有良好的电磁兼容性. 最后, 依据QTT台址潜在干扰区域干扰电平限值, 结合典型电子设备电磁辐射频谱, 分析了QTT电磁兼容设计需求, 提出电磁兼容设计初步方案. 另外, 针对台址建筑设施内的中低电磁辐射干扰源, 提出一种低成本建筑屏蔽方法, 应用于QTT台址现有建筑.     

云南天文台40米射电望远镜河外射电源观测

为了在云南天文台40 m天线上开展射电天文研究,使用它进行了河外射电源流量试观测。通过对河外致密源进行ON/OFF跟踪观测,得到射电源的流量变化曲线。但数据质量并不理想,说明系统存在一些问题。随后,根据对该望远镜系统的稳定性及其无线电环境干扰现状的考察,以及对现存问题的分析,提出了相应的解决方法。     

上海天文台新SLR站精密定位和归心测量

为使上海天文台新SLR站尽早投入全球SLR网的运行,根据中国SLR网的有关要求,对该站进行了精密定位和归心测量。测量中安置了特制的对中滑块设备,在小范围内采用三角测量的高差替代大地高差的近似,取得了较好的效果。测量结果表明:上海天文台新SLR站相对于上海IGS站归心测量精度可优于5 mm,由上海IGS站引得的点位精度可优于10 mm。     

Tropospheric Delay from VLBI and GNSS Measurements

Using an updated version of the QUASAR software package developed at the Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences, we have processed the VLBI observations within the international CONT14 program (May 6–20, 2014), in which a global network of 17 stations was involved (a total of ~250 000 observations). The package update concerned the optimization of data structure and the refinement of stochastic models for the random variations in wet tropospheric delay and atomic clock difference. The main goal of this paper is to compare the VLBI determinations of the tropospheric delay with its independent determinations using global navigation satellite systems (GNSS). We show that both these determinations agree well between themselves only in the case of a global analysis of the VLBI observations, where the VLBI station coordinates are also refined, along with the tropospheric delay and the clock synchronization and Earth orientation parameters. If, alternatively, the station coordinates are insufficiently accurate and are not refined from VLBI observations, then it is appropriate not to determine the tropospheric delay from these observations, but to take it from the publicly accessible independent GNSS data. However, this requires that the VLBI and GNSS techniques operate simultaneously at a common observing site. We have established the shortcomings of the universally accepted method of stabilizing the global solution associated with the absence of a criterion for choosing reference stations and radio sources. Two ways of their elimination are proposed: (i) introducing a coordinated list of weight factors for the errors in the coordinates of such stations and sources into the stabilization algorithm and (ii) adopting a coordinated list of stations and sources the refinement of whose coordinates is not required at all for a certain time.     

射电天线指向改正模型中轴系误差的完全表达式

为了提高射电天线的目标跟踪精度,采用直接法推导了射电天线轴系误差对指向的影响,并给出轴系误差指向改正模型的完全表达式,明确了指向改正模型中各轴系参数的定义,传统分项以及球谐函数所推导的轴系误差项为该模型的简化形式.基于此,评估得出基本参数改正模型中,因忽略轴系误差高次谐项而引起的指向精度损失可能达到1′′量级,具体需结合轴系误差大小而定;同时明确了基本参数改正模型(如22项指向模型)中与轴系误差有关的部分高次谐项系数的物理意义.为高精度轴系误差指向改正模型的建立提供了理论依据.     

基于自适应滤波的干扰消除方法研究

射电天文信号非常微弱,电磁环境对射电望远镜观测至关重要,通常可以利用地形、建立无线电宁静区、进行电磁屏蔽与防护等手段来减小电磁干扰.然而,仍有一些干扰难以屏蔽.故提出了一种基于自适应滤波的干扰消除方法,可用于复杂噪声环境中天文信号的提取.该方法借助自适应横向滤波器,采用最小均方(Least Mean Square, LMS)误差算法,以系统误差和收敛性为评判标准,通过改变步长与阶数对滤波效果进行优化,仿真结果显示该滤波器能在保证算法收敛的前提下有效提取信号.为了检验该算法的有效性,选取了新疆天文台南山26 m射电望远镜和Parkes 64 m射电望远镜记录的观测数据,采用设计的滤波器分别对不同的实测数据进行测试,验证了该滤波器的有效性.理论分析与实验结果一致表明该方法能有效消除天文观测中的干扰信号,具有一定的实用性.     

Study of Radio Frequency Interference Mitigation Method Based on Wavelet Transform

In radio astronomy observations, radio frequency interference (RFI) is mixed into the telescope receiving system in various forms. The existence of RFI brings misjudgment to the observation or reduces the observational signal-to-noise ratio. In recent years, the domestic and overseas radio astronomy has developed rapidly. Large-scale radio telescopes and telescope arrays at home and abroad have been constructed successively. Observation sensitivity is greatly improved, and the influence of RFI is particularly prominent. With the development of science and technology and the intensification of human activities, the RFI has become increasingly serious and irreversible. We propose to use the two-dimensional discrete wavelet transform method to analyze the data of radio astronomy observations, and to perform wavelet transform on the time-frequency sequence output by the telescope system. According to the wavelet coefficients, the every component in the original signal is separated, and the corresponding threshold value is obtained by the statistics on each component. Each component is compared with the threshold to identify the interference component, and to mark it for removal. This method is used to process the actual observation data. The results show that this method can well mark and eliminate the interference signal, and improve the observational signal-to-noise ratio.     

基于SLR精密轨道的天文定位精度分析

利用全球卫星激光测距服务系统(ILRS,International Laser Ranging Service)标准点资料对Ajisai卫星进行精密定轨,残差均方根(RMS)优于3 cm,得到该星的精密轨道.进而对长春站40 cm空间碎片光电望远镜获得的Ajisai卫星的天文定位资料进行精度分析,外符合精度约3″左右.单独利用天文定位数据进行轨道改进,内符合精度优于3″.改进轨道的x、y、z坐标3分量在观测数据覆盖范围内的精度在100 m之内.同样地对Jason-1卫星作数据分析,结果和Ajisai卫星精度相当.分析各个弧段的精度变化,发现定标星个数减少,会导致天文定位精度下降.据此提出可以把最少定标星比例作为评定数据质量的参考指标之一.     

四颗射电源在依巴谷和PPM星表中的光学定位

利用北京天文台施密特望远镜的CCD巡天资料（BATC）中的20次观测,用IRAF软件处理得到星象中心位置,以依巴谷星表和PPM星表作为参考星表,用底片常数法进行处理,得到4颗河外射电源0851 202,1228 126,1442 101,1749 701的光学位置。文中还对所得到的位置与射电位置作了比较。