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東方“巨眼”：深空探測的幕后功臣
2024-07-15 10:31:42 測繪科學技術 嫦娥六號 VLBI技術
作者：陳歡歡 來源：中國科學報
嫦娥六號回家啦！6月25日，嫦娥六號攜帶1935.3克月背樣品成功返回，實現了人類首次月背采樣返回的壯舉。這次任務也為中國探月工程立項20周年獻上了一份大禮。
20年來，我國不僅成功實施了月球探測任務，還成功實施了火星探測任務，開啟全面建設航天強國新征程。這其中，甚長基線干涉測量（VLBI）技術發揮了重要作用。
中國科學家的智慧和勤奮，令這一技術大放異彩，也令國際學術界贊嘆：將準實時VLBI技術應用于月球與深空探測，已經成為特色鮮明的中國招牌！
而VLBI技術同中國結緣，歸功于今年已97歲高齡的中國科學院院士葉叔華。
不跟上就落后
射電望遠鏡的口徑越大，看得越清楚，但成本也越高，且口徑不可能無限增大。于是，科學家想出一個辦法，把兩臺或多臺望遠鏡組合成一臺“巨型望遠鏡”，這就是VLBI技術。每兩臺望遠鏡之間的距離就是它的等效口徑，也叫基線。基線越長，這只“巨眼”看得就越清楚。
例如，人類首張M87黑洞照片就是天文學家利用全球8臺VLBI射電望遠鏡獲得的。最長基線達到1.2萬公里，接近地球直徑，是人類在地球上能夠獲得的最長基線。
VLBI技術自20世紀60年代問世以來，一直是所有天文觀測技術中空間分辨率最高的，比哈勃空間望遠鏡的分辨率高數百倍。
20世紀70年代初，時任中國科學院上海天文臺（以下簡稱上海天文臺）時間緯度測量研究室負責人的葉叔華從一份國際學術期刊上看到，新出現的VLBI和人造衛星激光測距等技術，測量精度比傳統技術提高1~2個數量級，推動天體測量界發生了革命性變革。
葉叔華判斷，我國如果不及時發展這些新技術，將來勢必要落后。
在她的積極建議下，上海天文臺將VLBI、人造衛星激光測距及氫原子鐘等新技術確定為新開拓領域，1973年組建射電天文研究小組，正式開啟VLBI技術預研工作。
天文觀測由于極度依賴設備，常被戲稱為“富人的游戲”。葉叔華提出，先在上海佘山建設25米口徑射電望遠鏡。
要建這么大的射電望遠鏡，首先要解決經費問題。
葉叔華單槍匹馬來到當時的第四機械工業部（以下簡稱四機部），找到相關工作人員詢問能否支持建設一個25米口徑射電望遠鏡。對方頭都沒抬就說不行。葉叔華站了一會兒，又提出：“我能不能見部長？”對方這才抬起頭來，仔細打量這位貌不驚人的女科學家。沒想到，主管相關工作的四機部副部長王士光真的接待了她，并同意支持。
這次主動爭取為上海天文臺帶來一次發展機遇，也為30年后的嫦娥探月埋下伏筆，但在當時卻引發了不小的爭議。
在那個經費緊缺的年代，學界流傳著一種說法：天文學研究的經費都被葉叔華一個人用完了。還有人質疑：射電天文都是有錢人搞的，我們能搞嗎？
事實證明，我們確實可以。回憶起往事，葉叔華笑著說：“只要我想做一件事，是會奮不顧身的。”
從無到有
要進行VLBI測量，至少需要兩臺射電望遠鏡形成干涉信號，最好是3臺。
葉叔華根據我國國情，提出在上海、昆明、烏魯木齊三地建設觀測站，形成中國VLBI網。這一三角形基本覆蓋我國國土面積，最長基線為從上海到烏魯木齊約3200公里。
經過5年預研，1978年，在中國科學院和四機部聯合召開的論證會上，上海天文臺正式提出這一技術方案，并在次年獲準立項。
但難度依然很大。“當時只知道要做什么，卻不知道怎么做。”葉叔華說。VLBI技術是一項高精尖技術，在我國完全是空白，只能邊學邊干。
一次偶然的邂逅給此事帶來轉機。
1978年，葉叔華在接待歸國訪問的美籍華人科學家郭宗汾時介紹了自己的工作，對方非常驚訝地說：“這么難的東西難道你們閉門自己做嗎？”
在他的幫助下，葉叔華等人第一次訪問了美國。當得知中國準備發展VLBI技術時，美國同行吃了一驚，因為美國也僅發展了十來年，并不成熟。
“到現在都很感謝他，加快了我們的研發進度。”葉叔華表示，這次經歷打開了上海天文臺“請進來、走出去”的大門。
1976年以來一直在上海天文臺從事VLBI工作的錢志瀚清晰地記得，1979年美元對人民幣的匯率不到1：2，后來一路上揚，最高達到1：8，由于項目是按人民幣編制預算的，致使經費總是不夠用。大家想了很多辦法，比如少買一點部件、安排專人自學自研等。
“VLBI是國際合作很密切的項目。”錢志瀚記得，他第一次去美國參加學術會議，報告了中國第一個VLBI觀測站的建設過程，當展示上海佘山25米口徑射電望遠鏡天線的照片時，會場上響起熱烈的掌聲。
“當時他們覺得中國挺落后的，能干這個事情很意外，也愿意跟我們合作。”錢志瀚表示。
1987年10月，上海佘山25米口徑射電望遠鏡終于建成，次年開始參加國際聯測。這是我國首個真正意義上達到國際先進水平的VLBI測量系統，1991年獲得中國科學院科技進步獎一等獎，1993年獲得國家科學技術進步獎二等獎。
上海天文臺佘山25米口徑射電望遠鏡。
隨后，葉叔華又帶領團隊在新疆烏魯木齊南山建設中國第二臺25米射電望遠鏡，1994年建成后，中國VLBI網終于有了第一條基線。
由于地處歐亞大陸腹地，獨特的地理位置和先進的配置使得該望遠鏡在國際VLBI觀測中發揮著不可或缺的作用。后來，中國科學院新疆天文臺全程參與了我國探月工程的測軌任務和火星探測任務，有力支撐了我國航天科技的發展。
1994年，葉叔華（左二）參加烏魯木齊25米射電望遠鏡揭幕儀式。
國際首創
20世紀末，國家正式組織探月工程論證，中國科學院是重要的參與單位之一。
當時，對探月航天器的測控成為重大難題：成熟的無線電測距測速技術，最遠測控距離可達約8萬公里；但嫦娥一號衛星進入繞月軌道后，最遠距離達40萬公里。如何突破這一技術瓶頸？
本世紀初，上海天文臺提出將VLBI技術應用于探月衛星實時跟蹤測軌的建議，結合我國已有的航天測距測速技術，共同完成高精度測定軌及定位任務。
上海天文臺研究員、原臺長洪曉瑜介紹，原有的測距測速方法，其長處是視向測量，而VLBI的長處為橫向測量，兩者結合，相輔相成，是“一加一大于二”，可以測定航天器的瞬時三維位置、實現短弧段精確定軌。
這一提議極為巧妙，也極為大膽。國際上，美國是首個將VLBI用于航天的國家，曾在阿波羅計劃中用射電天文干涉的辦法測量了月球車的路線。我國則是首個將VLBI用于航天器實時測軌的國家。
葉叔華回憶：“當時我們在國際會議上作報告，大家都聽呆了，因為天文學界沒這么干的。天文觀測向來是今天觀測不了就明天再看，但我們用到探月工程上要出實時數據，絕不能出任何差錯。”
后來，能否及時提供測量數據也成為總體技術方案論證時的最大質疑。到底有沒有十足的把握？
上海天文臺科研人員經過調研與分析，認為通過在國內建設數據網絡，同時采用人工智能技術，可以大大節省時間。因此，上海天文臺在首次探月工程的總體技術方案討論會上鄭重承諾：向北京航天飛行控制中心提供VLBI測軌數據的滯后時間不超過10分鐘。
最終，探月工程總體領導采納了上海天文臺的建議。由此，上海天文臺牽頭聯合中國科學院所屬的其他幾個天文臺，于2007年建成了“四站一中心”的中國VLBI測軌網，涵蓋上海佘山、新疆烏魯木齊、北京密云和云南昆明四地的射電望遠鏡；同時在上海天文臺建設VLBI數據處理中心，并與電信部門合作建立高速數據通信線路，有效保證了觀測數據的實時傳輸。
2007年10月24日，我國首顆探月衛星嫦娥一號在西昌衛星發射中心成功發射。VLBI測軌分系統最終在6分鐘內將VLBI測軌數據發送至北京航天飛行控制中心。
洪曉瑜感嘆：“中國科學院這一項長期的基礎研究，終于在國家戰略領域得到成功應用。”
但大家并未止步于此，依靠進一步的能力提升和技術進步，從嫦娥三號開始，通過改進算法、提高算力、改進流程，VLBI測軌實時性已經縮短到1分鐘以內，并保持至今，是目前國際最高水平。一個曾經想都不敢想的數據，中國科學家通過自己的努力做到了。
探月工程首任總設計師、中國科學院院士孫家棟曾評價：VLBI的加入使我國探月工程立項至少提早了5年。如果沒有VLBI加入，解決短弧高精度定軌難題，還需要再建幾個大型的測控站，至少要多5年時間。
對于我國兩種測軌技術的作用，探月工程首任總指揮、中國工程院院士欒恩杰有一個很形象的表述：VLBI測角和測距測速不是相加而是相乘的關系，“缺少任何一項，最后的結果都是0”。
從未失手
在嫦娥一號之后，嫦娥二號實現環月飛行，嫦娥三號在月面軟著陸，嫦娥四號實現人類首次月球背面軟著陸，嫦娥五號獲得1731克月壤樣品，嫦娥六號首次獲得月球背面月壤樣品……其間，VLBI屢立戰功。
2020年12月17日，嫦娥五號圓滿完成我國首次月球采樣返回任務。那天凌晨，93歲的葉叔華來到上海天文臺VLBI深空探測指揮控制中心，與年輕人一起見證這個激動人心的時刻。
2020年12月，嫦娥五號著陸器成功落月后，葉叔華在上海天文臺VLBI深空探測指揮控制中心與臺領導和科研團隊合影。
當年那位為國家科技發展出高招的中年人已到鮐背之年。她叮囑大家：“千萬要記得，這是國家重要的事情。凡是國家需要的，我們都要做好。”
葉叔華清醒地指出：“國際評價是依據你做出了什么，現在國際上都在看著，做好了沒人來夸我們，但是做壞了就影響國家的體面，好在我們從來沒有失手過。”
從嫦娥一號到嫦娥六號，任務難度不斷升級，中國科學院科研團隊的能力也在不斷提高。
上海天文臺研究員鄭為民在加入VLBI項目組后，主攻核心設備VLBI處理機的研發。在認識到軟件處理機是趨勢后，他用5年時間瞄準一件事——開發相關處理軟件。他說：“只要是國家有重大需求的領域，都是我們值得做的。”
2012年，高約70米、重約2700噸的上海65米口徑天馬望遠鏡落成，這是一臺全方位可轉動的大型射電望遠鏡系統，綜合性能位居世界同類型射電望遠鏡前三。2013年，它作為主力測站參與嫦娥三號VLBI測定軌任務，使得測軌精度有較大提高，在后續任務中發揮了重要作用。
上海天文臺65米口徑天馬望遠鏡。
到嫦娥五號任務時，為滿足對軌道器與上升器同時測軌的需求，上海天文臺突破一系列關鍵技術，在國際上首創了“動態雙目標同波束實時VLBI測軌系統”，采用一個VLBI網，助力我國首次月面起飛以及人類首次月球軌道無人交會對接任務圓滿完成。
“看人挑擔不吃力。別人以為很容易的事情，其實很難做到。這些年輕人非常了不起！”葉叔華贊嘆。
洪曉瑜也表示，過去做天文學研究，喜歡自由探索；現在融入國家航天事業，更深刻地感受到使命感。
正是因為滿足了國家需求，該科研團隊先后兩次作為主要參加單位獲得國家科學技術進步獎特等獎。
目標星辰大海
嫦娥探月六戰六捷，但這并不是極限。2020年，我國實施首次火星探測任務，天問一號在火星表面首次留下中國印跡。
從地球到火星，最遠距離4億公里，歷時7個月，是誰在指路？答案還是VLBI與測距測速聯合作業。
2021年2月10日，天問一號與火星交會，成功實施捕獲制動，進入環繞火星軌道。那一天，上海天文臺研究員劉慶會經歷了人生中最難熬的11分鐘。
由于月球距離較近，成功捕獲后，地面幾乎是實時知道消息。而當時火星距離地球2億公里，當信號成功傳回地球時，已經過去了整整11分鐘。
“這難熬的11分鐘里，整個大廳一片寂靜，所有人的心都懸著。一直等到遙測數據顯示捕獲成功，大家才松了一口氣。”劉慶會回憶說，其實當時緊張也沒用，就算發現有問題，已經過去了11分鐘，地面來不及做任何干預。也正因如此，天問一號上天前，大家進行了200%的準備工作。
2021年春節期間，天問一號成功環繞火星，上海天文臺團隊在VLBI深空探測指揮控制中心合影。（本文所有圖片由上海天文臺提供）
從中國開展探月以來，歷次發射均告成功，這是否意味著此事毫無懸念？
劉慶會表示絕非如此。“老百姓覺得咱們國家放上天的東西肯定能成功，其實我們現場的人都快嚇死了。畢竟是第一次前往火星，心里沒底。可能的影響因素太多了，拼命考慮了100個因素，還擔心是不是有第101個。”他說，“要是提前知道標準答案就好了，但那就不叫探索未知了，探索只能摸黑往前走。”
未來幾年，我國還將密集實施嫦娥七號、天問二號等任務。由于深空探測工程發展迅猛，VLBI網的觀測目標從過去幾年一個，發展到一年幾個，甚至一次任務中需要同時測量不同天區的兩個目標探測器，現有的“四站一中心”模式已無法滿足這一需求。
“雖然VLBI這個用法我們現在是世界第一，但是不能自滿，還要再建兩個站！”葉叔華在談到未來時依然壯心不已。
目前，上海天文臺正在西藏日喀則和吉林長白山建設兩臺40米口徑射電望遠鏡。建成之后，中國VLBI網將形成“六站一中心”的局面，任意3個站一組形成兩個子網，像兩只“巨眼”同時測量不同天區的兩個探測器，綜合測量能力提升一倍，最長基線延長至3800公里。
科學無止境，科學家永不滿足。空間VLBI被認為是未來發展的必然趨勢，也就是將VLBI望遠鏡發射至太空，大幅延長基線。
今年3月20日發射的鵲橋二號中繼星就搭載了上海天文臺研制的月球軌道VLBI試驗系統，將使VLBI基線的長度延伸到地月距離。我國也將成為繼美國、日本、俄羅斯之后，世界上第四個在空間開展VLBI科學試驗的國家。
展望未來，隨著航天科技的進步，中國VLBI技術的發展還將迎來新高潮。
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