????2024年6月25日14時(shí)07分，嫦娥六號(hào)返回器準(zhǔn)確著陸于內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域，工作正常，標(biāo)志著探月工程嫦娥六號(hào)任務(wù)取得圓滿成功，實(shí)現(xiàn)世界首次月球背面采樣返回。由中國科學(xué)院上海天文臺(tái)（以下簡稱上海天文臺(tái)）牽頭的VLBI測軌分系統(tǒng)自2024年3月20日成功發(fā)射鵲橋二號(hào)中繼星至2024年6月25日嫦娥六號(hào)成功返回，全程“保駕護(hù)航”，圓滿完成了本次測定軌任務(wù)。

天文觀測長期積累應(yīng)用于國家探月工程

????甚長基線干涉測量（VLBI，Very Long Baseline Interferometry）技術(shù)，自20世紀(jì)60年代問世以來，是空間分辨率最高的高精度天文觀測技術(shù)，其原理是：用兩臺(tái)或更多臺(tái)不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時(shí)間和同樣頻率下觀測同一個(gè)具有射電輻射的天體，采用各臺(tái)站獨(dú)立本振和數(shù)據(jù)記錄，經(jīng)過對(duì)觀測數(shù)據(jù)的綜合處理，“組合”出一臺(tái)虛擬巨型望遠(yuǎn)鏡。它的最大口徑相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡之間的最大間距，兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡之間距離越遠(yuǎn)，等效口徑就越大，分辨率就越高。

????上世紀(jì)70年代，上海天文臺(tái)的葉叔華院士提出發(fā)展我國的VLBI網(wǎng)，組建研究團(tuán)隊(duì)開展技術(shù)研發(fā)和望遠(yuǎn)鏡建造，分別于上世紀(jì)80年代和90年代完成了上海佘山25米望遠(yuǎn)鏡和烏魯木齊南山25口徑射電望遠(yuǎn)鏡及臺(tái)站的建設(shè)。2004年，我國繞月探測工程（即探月工程一期）正式立項(xiàng)，上海天文臺(tái)主動(dòng)提出將天文觀測領(lǐng)域的VLBI技術(shù)應(yīng)用于嫦娥一號(hào)探測器的高精度VLBI軌道測量與確定，得到了探月工程總體的認(rèn)可。自此，由上海天文臺(tái)牽頭的VLBI測軌分系統(tǒng)將實(shí)時(shí)VLBI技術(shù)成功應(yīng)用于月球探測器的測定軌、定位，構(gòu)成了我國現(xiàn)有的“測距測速+VLBI測角”深空探測高精度測定軌體制，成為了我國探月工程測控系統(tǒng)的重要組成部分。

????將VLBI技術(shù)應(yīng)用于對(duì)深空探測器的軌道測定時(shí)，相距遙遠(yuǎn)的多個(gè)VLBI觀測站同時(shí)交替跟蹤觀測同一個(gè)目標(biāo)（參考射電源或探測器），各VLBI觀測站的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)中心，經(jīng)復(fù)雜計(jì)算得到信號(hào)到達(dá)各測站的時(shí)間差（時(shí)延）及其變化率（時(shí)延率），可進(jìn)行精密的空間角度測量，綜合利用VLBI時(shí)延和時(shí)延率與測距測速數(shù)據(jù)，便可對(duì)探測器進(jìn)行高精度定軌定位。同時(shí)，當(dāng)兩個(gè)臨近的探測器位于望遠(yuǎn)鏡同一波束內(nèi)，構(gòu)成同波束VLBI（SBI，Same Beam Interferometry）觀測條件時(shí)，兩者系統(tǒng)誤差幾乎相同，能提供比常規(guī)差分VLBI更高的相對(duì)測量精度。

????目前，VLBI測軌分系統(tǒng)目前包括“四站一中心”，即上海天馬站（嫦娥三號(hào)前使用上海佘山站）、北京密云站、新疆南山站、云南昆明站與上海VLBI數(shù)據(jù)處理中心。經(jīng)過20多年的持續(xù)攻關(guān)，上海天文臺(tái)VLBI團(tuán)隊(duì)突破多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，為探月一期至三期“繞、落、回”任務(wù)六戰(zhàn)六捷和我國首次火星探測“天問一號(hào)”任務(wù)的圓滿完成做出不可替代的重要貢獻(xiàn)，也是中國科學(xué)院長期的基礎(chǔ)研究積累在國家戰(zhàn)略領(lǐng)域得到應(yīng)用的典型案例。

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“四站一中心”的中國VLBI觀測網(wǎng)

僅用一個(gè)VLBI網(wǎng)完成了包括鵲橋二號(hào)與嫦娥六號(hào)在內(nèi)的多個(gè)探測器的測定軌工作

????2024年3月20日鵲橋二號(hào)發(fā)射拉開了探月工程四期的序幕。到6月25日嫦娥六號(hào)月背采樣返回，VLBI測軌分系統(tǒng)依舊一路相隨，基于現(xiàn)有“四站一中心”，采用分時(shí)模式支持了多任務(wù)、多目標(biāo)測定軌，圓滿完成了包括鵲橋二號(hào)中繼星和嫦娥六號(hào)在內(nèi)的多個(gè)月球探測器測定軌工作，并將支持首次月球軌道空間VLBI試驗(yàn)。

????中國探月工程在完成“繞、落、回”三步走后，又迎來了探月工程四期重磅開篇——嫦娥六號(hào)任務(wù)，以著陸月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)開展采樣返回和探測為目標(biāo)，采用與月球自轉(zhuǎn)方向相反的逆行軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，輔以鵲橋二號(hào)中繼星支持月背測控通信，實(shí)現(xiàn)國際首次月球背面采樣返回任務(wù)。

????在嫦娥六號(hào)任務(wù)中，VLBI測軌分系統(tǒng)面臨著不同以往的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)：地面觀測站在近月制動(dòng)、月地入射過程中對(duì)探測器的位置部分不可見，在動(dòng)力下降段、月面工作段、月面上升段則均不可見，需要鵲橋二號(hào)中繼星支持。相較于“嫦娥五號(hào)”任務(wù)，對(duì)定時(shí)定點(diǎn)著陸要求更高，且推進(jìn)劑余量更少；在嫦娥六號(hào)測定軌任務(wù)執(zhí)行時(shí)，需同時(shí)確保鵲橋二號(hào)中繼星高精度測定軌與軌道控制；由于嫦娥六號(hào)任務(wù)采用新型的逆行軌道，環(huán)月飛行時(shí)間大大增加，實(shí)時(shí)任務(wù)周期更長，由23天延長到53天，對(duì)VLBI設(shè)備的穩(wěn)定性和人員持續(xù)工作都是很大的考驗(yàn)。

????對(duì)此，VLBI測軌分系統(tǒng)精心組織、改造挖潛、周密部署，以嫦娥五號(hào)測定軌設(shè)施為基礎(chǔ)，通過軟硬件優(yōu)化與維護(hù)，將原有的單任務(wù)系統(tǒng)升級(jí)為初步的多任務(wù)系統(tǒng)，完成了任務(wù)前對(duì)四個(gè)觀測站和VLBI中心巡檢，確認(rèn)了設(shè)備狀態(tài)、落實(shí)了人員隊(duì)伍、編制了應(yīng)急預(yù)案等。

????為解決在嫦娥六號(hào)任務(wù)中地面觀測站在月背盲區(qū)無法直接測量通信的問題，我國于2024年3月首先發(fā)射了我國第二顆新一代月球中繼通信衛(wèi)星——鵲橋二號(hào)。VLBI測軌分系統(tǒng)完成了對(duì)鵲橋二號(hào)中繼星的測量與定軌定位和軌道預(yù)報(bào)，同時(shí)兼顧兩個(gè)天都試驗(yàn)星和在軌的鵲橋一號(hào)等多個(gè)探測器的測軌工作，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性及測量精度都優(yōu)于任務(wù)要求。

????嫦娥六號(hào)實(shí)施過程中，VLBI測軌分系統(tǒng)主要承擔(dān)全任務(wù)11個(gè)飛行段中共9個(gè)飛行段的實(shí)時(shí)測定軌任務(wù)。根據(jù)各飛行段飛控需求，VLBI測軌分系統(tǒng)依次對(duì)地月轉(zhuǎn)移與近月制動(dòng)飛行的四器組合體（軌道器、返回器、著陸器、上升器）、環(huán)月飛行及分離后的軌返組合體和著上組合體、環(huán)月等待的軌返組合體和月面起飛的上升器進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。與此同時(shí)，VLBI測軌分系統(tǒng)還承擔(dān)鵲橋二號(hào)中繼星的實(shí)時(shí)測定軌、鵲橋一號(hào)中繼星的長管觀測任務(wù)等多個(gè)探測器的測定軌工作，有效支持了對(duì)嫦娥六號(hào)月球背面工作段的測控通信。

????VLBI測軌分系統(tǒng)在面對(duì)嫦娥六號(hào)這一我國復(fù)雜度最高、難度挑戰(zhàn)最大的月球探測任務(wù)時(shí)，解決了更長周期運(yùn)行、更高可靠性約束下的多任務(wù)并行與多目標(biāo)快速切換觀測、S和X多頻段多模式測量、多目標(biāo)高精度定軌等諸多技術(shù)難點(diǎn)，通過雙目標(biāo)觀測的快速切換，確保了嫦娥六號(hào)與中繼星之間在50分鐘內(nèi)完成兩器測定軌，后續(xù)對(duì)軌道器和上升器切換時(shí)間更短。

????在數(shù)據(jù)處理方面，VLBI測軌分系統(tǒng)從觀測站系統(tǒng)、實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、定軌定位計(jì)算系統(tǒng)等方面進(jìn)行了綜合提升，使整個(gè)系統(tǒng)具備了對(duì)逆行軌道飛行的嫦娥六號(hào)探測器開展高動(dòng)態(tài)、高實(shí)時(shí)和高精度的測量能力，具備多任務(wù)多目標(biāo)快速分時(shí)測量能力。VLBI測定軌團(tuán)隊(duì)自嫦娥五號(hào)任務(wù)開始，通過提升VLBI觀測站數(shù)據(jù)接收靈敏度和改進(jìn)信號(hào)傳輸穩(wěn)定性，自主研制了數(shù)字化16通道數(shù)據(jù)采集記錄傳輸一體化設(shè)備，開發(fā)部署高可靠4測站實(shí)時(shí)同步eVLBI數(shù)據(jù)傳輸分發(fā)系統(tǒng)，研制動(dòng)態(tài)同波束雙目標(biāo)干涉測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件系統(tǒng)，改進(jìn)信號(hào)傳播介質(zhì)誤差修正模型，提升月球與深空探測器高精度定軌定位軟件等，使得對(duì)探測器測定軌能力和精度得到進(jìn)一步地提升。

????VLBI測軌分系統(tǒng)在測軌資源緊張的條件下，科學(xué)合理安排跟蹤弧段，努力做到跟蹤完整、測定軌準(zhǔn)確，在只使用一個(gè)VLBI網(wǎng)的條件下，分時(shí)支持多任務(wù)、多目標(biāo)測定軌，確保了嫦娥六號(hào)成功采樣返回，后續(xù)將支持開展中繼星搭載的地月軌道空間VLBI試驗(yàn)。

????上海天文臺(tái)正在建設(shè)西藏日喀則和吉林長白山兩個(gè)40米望遠(yuǎn)鏡，建成后中國VLBI網(wǎng)將從目前“四站一中心”的單網(wǎng)擴(kuò)展為“六站一中心”兩個(gè)子網(wǎng)，將更好地滿足地月空間VLBI試驗(yàn)、嫦娥七號(hào)需求，為后續(xù)多個(gè)月球與行星科學(xué)探測任務(wù)保駕護(hù)航。

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2024年6月25日嫦娥六號(hào)成功返回后，VLBI運(yùn)行團(tuán)隊(duì)部分科研人員合影