中國VBLI在天問一號任務的應用

看得到就飛的到 – 中國VBLI在天問一號任務的應用

近期，中國首次火星探測任務備受外界關注。只是，令人好奇的是，隨著天問一號抵達火星的腳步逐漸加快，要如何確保探測器一直往正確方向飛行呢?
此時，就是中國的「超級望遠鏡」上場表演的時刻了。

天問一號火星探測器飛行圖[1]

所謂的中國「超級望遠鏡」，其正式名稱為特長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)系統，由天線、接收機、數據記錄終端、原子鐘和時間同步系統以及相關處理系統等部分組成。在傳統的測量技術中，望遠鏡需要通過電纜和光纖等傳輸方式進行聯接，使得干涉測量基線的長度受到限制。

而特長基線干涉測量法則將來自不同天文望遠鏡的觀測信號進行聯合處理，使其組成一台虛擬無線電望遠鏡。通過對同一無線電源進行測量，可以高精度地確定兩台望遠鏡之間的距離和方向。

望遠鏡間的距離由無線電信號到達兩台望遠鏡中的天線的時間延遲差確定，望遠鏡間的方向則通過其與無線電源方向的夾角確定。透過高精度、高穩定性的原子鐘和高密度的記錄設備，將信號與其被接收的時間相聯，並通過重播的方式與觀測數據進行比對。

因此，望遠鏡之間的距離不再受到電纜傳輸的限制，組成干涉測量基線的望遠鏡之間的距離可以達到數千甚至上萬公里。如果發射衛星天線到太空中，干涉測量基線的距離甚至可以超越地球直徑，並消除或減弱對流層和電離層對觀測信號的影響。特長基線干涉測量法高解析度的特性使其能獲得深空無線電源的清晰圖像，並對太空飛行器進行精密的定位。

特長基線干涉測量概念[2]

太空中的特長基線干涉測量定位示意圖[3]

此次天問一號任務，由北京站、上海站、昆明站和烏魯木齊站以及位於上海天文臺的數據處理中心組成的「超級望遠鏡」團隊，負責地火轉移、火星捕獲、離軌著陸等階段的測定軌道任務。

測定軌道任務十分重要，因為火星、地球與探測器都在移動，因此需要每時每刻準確地知道探測器相對於地球與火星的位置，才能確保探測器準確朝火星方向航行。雖然「超級望遠鏡」已執行過嫦娥一號、二號、三號、四號和五號的軌道測定任務，但此次的難度卻較先前高出許多。

由於火星距離地球的距離約是地月距離的1000倍，即便是火星捕獲階段，探測器距離地球也有約1.9億公里，即使是極微小角度的測量差異，在長距離任務可能就會產生很大的誤差。

另外，天問一號探測器雖然已經進行若干次軌道修正，順利被火星捕獲，但捕獲後還需要經過多次軌道變換等複雜動作，逐步縮小橢圓軌道，因此需延長地面團隊的監控時間。最後，火星周圍並不只有中國的探測器，美國與歐洲的一些探測器也同時分佈在火星軌道上，就有信號相互干擾問題，因此對信號識別的準確度也更高。

中國科學院上海天文台天馬望遠鏡[4]

中國「嫦娥5號」月球探測器[5]

天問一號軌道修正示意圖[6]

望遠鏡在天文學一直扮演著相當重要的角色，從牛頓開始，到最負盛名的哈伯太空望遠鏡，讓天文學家們對宇宙有了更深的認識。如今，隨著太空探索的再度興起，望遠鏡也可擔負起協助導航的任務，中國的探月任務及火星探測任務就是最明顯的實例，或許有一天，這項技術也可用於載人太空船，協助人類航向宇宙更深處。

文章參考來源：

Very-long-baseline interferometry (檢索日期2021/05/14)
https://en.wikipedia.org/wiki/Very-long-baseline_interferometry
【中國新聞網】從“探月”到“奔火” 中國“超級望遠鏡”護航升級(檢索日期2021/05/14)
http://www.cas.cn/cm/202102/t20210218_4778064.shtml
「天問一號」即將抵達火星專家揭秘「超級望遠鏡」9億公裡外的高難度觀測(檢索日期2021/05/14)
https://iview.sina.com.tw/post/24852824
「天問一號」探測器將開啟「環火」之旅預計除夕前後接近火星(檢索日期2021/05/14)
https://www.chinatimes.com/amp/realtimenews/20210203005261-260409
嫦娥五號月面著陸點的精確座標從何而來？離不開上海天文臺牽頭的這一系統(檢索日期2021/04/14)
http://stcsm.sh.gov.cn/xwzx/mtjj/20201218/c72eb797bf43478db078fc44c4ffc25e.html
中國“超級望遠鏡”為嫦娥五號探測任務“精准護航”(檢索日期2021/05/14)
http://www.vos.com.cn/web/news/gn/content_358244.shtml