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发布时间:2019-06-03 08:44 来源:未知 编辑:admin

  还记得“月球车玉兔”吗?前阵子它生了一场大病,现在已经慢慢恢复过来了。虽然还是趴在原地挪不了窝儿,搭载着的仪器都仍然在正常工作,微博上的卖萌吐槽也全都没落下。

  现在我们都知道,“月球车玉兔”的微博是地球上的一群科学青年维护的。神奇的是,这辆小小的月球车向前滚动几米,转个方向,爬了一个小坡,绕过一个小坑,它的“师傅”们都能马上知道。正因如此,月球车玉兔的微博才会活灵活现,真切得好像是在月球上的“第一现场”发出的。科学家到底如何得知远在38万公里之外的玉兔的情况,把它的一举一动都掌握得一清二楚?

  航天专家们使用了多种手段来探测这只勇往直前的萌玉兔,其中一种重要的方法是“甚长基线干涉测量技术”(VLBI)。中科院上海天文台研究员刘庆会在3月29日的一场科学讲座上介绍了这项技术是如何为嫦娥三号和它的姐妹们保驾护航的。2013年12月间,刘庆会作为深空探测专家在北京指挥控制中心工作了一个星期,密切注视着玉兔飞向月球的旅程。

  VLBI通过接收电磁波来确定我们发射上天的太空器的位置和速度,其中的关键是地面上相隔数千公里的几个大型射电望远镜一起捕捉同一个太空器发出的信号,计算信号到达不同地面端点的时间延迟,就能得知太空器的位置。

  当嫦娥三号玉兔管它叫“三姐”带着玉兔上天的时候,我国的VLBI观测已经织成了一张大网,总共有4台射电望远镜参与其中,它们分别位于北京、上海、乌鲁木齐和昆明。坐落在上海佘山地区的“天马望远镜”直径达65米,综合能力位居世界前列。刘庆会说,2013年12月2日,天马望远镜一通过验收,就立即投入了探测任务。当天11时8分,“天马”捕获了嫦娥三号的信号。

  来自神州南北4个观测站的数据,源源不断地汇集到位于上海的VLBI中心,经过飞速的处理,在30秒内发送到北京指挥控制中心。科学家们由此时刻掌握着嫦娥三号在轨道上的精确位置。

  通过VLBI确定玉兔的位置,有一个重大的难题,就是减少误差。玉兔发出的电磁波到达地球的途中,要经过电离层、大气层,这些传播介质都会给时间延迟的计算带来影响。同时,射电望远镜在工作中本身也会产生误差。太空器在宇宙中以极快速度的运转,哪怕微小的时间差距,也会造成观测结果和实际位置相去甚远。“因此我们要想尽办法提高精度。”刘庆会说。

  现在比较普遍采用的一个方法是,先在宇宙中确定一个射电源,它的位置是被长期以来的观测所准确标定的,起到标校的作用。然后,射电望远镜开始观测这个射电源,并将观测结果与实际位置比对,这样就能把误差求出来,而这个误差值和观测玉兔时的误差值应该是一致的。随后,只要在对玉兔的观测结果中排除掉这个误差,就能得到相对精确的玉兔的实际位置。

  因为宇宙空间环境一直处在变化之中,科学家也要时刻不停地交替观测玉兔和标校射电源,从而准确地计算出应该排除的误差值。利用这种方法,目前对时间延迟的观测残差已经达到了不足1个纳秒(10亿分之一秒)的水平。

  刘庆会说,我国成熟的VLBI观测水平,使科学家可以自信地说:我们明确地知道嫦娥三号在离我们38万公里之遥的月球上登陆的位置,和它的实际位置相差不会超过一个篮球场的距离。

  当“三姐”在月球上稳稳降落,玉兔跑出来开始四下拍照的时候,刘庆会和他的同事们继续注视着它们,并且发现了一个更加精确地得知玉兔位置的办法。

  射电望远镜转动它们宽广的天线,开始同时接收“三姐”和玉兔发出的信号。显然,这些信号在到达地球时产生的各种误差都是一样的。如果只是观测“三姐”和玉兔的相对位置,那么无论误差有多么复杂,都可以忽略不计。因为“三姐”是停着不动的,观测这个相对位置就如同观测玉兔一样。

  这个巧妙的办法使科学家的观测精度再一次大大地提升了。刘庆会将观测数据纳入一个坐标,表现为一道美妙的弧线,弧线上的每一处凹陷或者突起,都说明玉兔又在月球上做什么小动作了,这才引起了相对位置的变动。

  “你看,这里的凹陷,说明它的脑袋转了个方向。这是它在给嫦娥三号拍照。”刘庆会展示一张观测结果。

  在另一张图上,刘庆会指出一个微小的波动。“这是它的轮子在刨坑,从而使自己的整体姿势略作调整,更好地迎接日出。”

  “玉兔在月球上移动5个厘米,我们在地球上就能探测到。”刘庆会略带自豪地说:“5厘米是很短的距离,哪怕近在眼前的东西,这样细微的举动你也不一定能察觉到。”

  未来,中国还可能发射火星探测器,或者尝试载人登月。越是遥远的深空,越是需要分毫不差的太空器对接的时刻,对精确探测和定位的需求也越迫切。刘庆会说,让卫星带着射电望远镜上天,就可以编织更为广大的VLBI探测网,为人类探索宇宙增添更强的助力。

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