????2024年6月25日14時07分，嫦娥六號返回器準(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任務(wù)取得圓滿成功，實現(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（以下簡稱上海天文臺）牽頭的VLBI測軌分系統(tǒng)自2024年3月20日成功發(fā)射鵲橋二號中繼星至2024年6月25日嫦娥六號成功返回，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：用兩臺或更多臺不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時間和同樣頻率下觀測同一個具有射電輻射的天體，采用各臺站獨(dú)立本振和數(shù)據(jù)記錄，經(jīng)過對觀測數(shù)據(jù)的綜合處理，“組合”出一臺虛擬巨型望遠(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，上海天文臺的葉叔華院士提出發(fā)展我國的VLBI網(wǎng)，組建研究團(tuán)隊開展技術(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，上海天文臺主動提出將天文觀測領(lǐng)域的VLBI技術(shù)應(yīng)用于嫦娥一號探測器的高精度VLBI軌道測量與確定，得到了探月工程總體的認(rèn)可。自此，由上海天文臺牽頭的VLBI測軌分系統(tǒng)將實時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)用于對深空探測器的軌道測定時，相距遙遠(yuǎn)的多個VLBI觀測站同時交替跟蹤觀測同一個目標(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)雜計算得到信號到達(dá)各測站的時間差（時延）及其變化率（時延率），可進(jìn)行精密的空間角度測量，綜合利用VLBI時延和時延率與測距測速數(shù)據(jù)，便可對探測器進(jìn)行高精度定軌定位。同時，當(dāng)兩個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，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VLBI團(tuán)隊突破多項關(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”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VLBI網(wǎng)完成了包括鵲橋二號與嫦娥六號在內(nèi)的多個探測器的測定軌工作

????2024年3月20日鵲橋二號發(fā)射拉開了探月工程四期的序幕。到6月25日嫦娥六號月背采樣返回，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中繼星和嫦娥六號在內(nèi)的多個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。

????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)計與控制技術(shù)，輔以鵲橋二號中繼星支持月背測控通信，實現(xiàn)國際首次月球背面采樣返回任務(wù)。

????在嫦娥六號任務(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、月地入射過程中對探測器的位置部分不可見，在動力下降段、月面工作段、月面上升段則均不可見，需要鵲橋二號中繼星支持。相較于“嫦娥五號”任務(wù)，對定時定點(diǎn)著陸要求更高，且推進(jìn)劑余量更少；在嫦娥六號測定軌任務(wù)執(zhí)行時，需同時確保鵲橋二號中繼星高精度測定軌與軌道控制；由于嫦娥六號任務(wù)采用新型的逆行軌道，環(huán)月飛行時間大大增加，實時任務(wù)周期更長，由23天延長到53天，對VLBI設(shè)備的穩(wěn)定性和人員持續(xù)工作都是很大的考驗。

????對此，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)升級為初步的多任務(wù)系統(tǒng)，完成了任務(wù)前對四個觀測站和VLBI中心巡檢，確認(rèn)了設(shè)備狀態(tài)、落實了人員隊伍、編制了應(yīng)急預(yù)案等。

????為解決在嫦娥六號任務(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。VLBI測軌分系統(tǒng)完成了對鵲橋二號中繼星的測量與定軌定位和軌道預(yù)報，同時兼顧兩個天都試驗星和在軌的鵲橋一號等多個探測器的測軌工作，數(shù)據(jù)實時性及測量精度都優(yōu)于任務(wù)要求。

????嫦娥六號實施過程中，VLBI測軌分系統(tǒng)主要承擔(dān)全任務(wù)11個飛行段中共9個飛行段的實時測定軌任務(wù)。根據(jù)各飛行段飛控需求，VLBI測軌分系統(tǒng)依次對地月轉(zhuǎn)移與近月制動飛行的四器組合體（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)行實時測量。與此同時，VLBI測軌分系統(tǒng)還承擔(dān)鵲橋二號中繼星的實時測定軌、鵲橋一號中繼星的長管觀測任務(wù)等多個探測器的測定軌工作，有效支持了對嫦娥六號月球背面工作段的測控通信。

????VLBI測軌分系統(tǒng)在面對嫦娥六號這一我國復(fù)雜度最高、難度挑戰(zhàn)最大的月球探測任務(wù)時，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，確保了嫦娥六號與中繼星之間在50分鐘內(nèi)完成兩器測定軌，后續(xù)對軌道器和上升器切換時間更短。

????在數(shù)據(jù)處理方面，VLBI測軌分系統(tǒng)從觀測站系統(tǒng)、實時通信系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、定軌定位計算系統(tǒng)等方面進(jìn)行了綜合提升，使整個系統(tǒng)具備了對逆行軌道飛行的嫦娥六號探測器開展高動態(tài)、高實時和高精度的測量能力，具備多任務(wù)多目標(biāo)快速分時測量能力。VLBI測定軌團(tuán)隊自嫦娥五號任務(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測站實時同步eVLBI數(shù)據(jù)傳輸分發(fā)系統(tǒng)，研制動態(tài)同波束雙目標(biāo)干涉測量數(shù)據(jù)實時處理軟件系統(tǒng)，改進(jìn)信號傳播介質(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VLBI網(wǎng)的條件下，分時支持多任務(wù)、多目標(biāo)測定軌，確保了嫦娥六號成功采樣返回，后續(xù)將支持開展中繼星搭載的地月軌道空間VLBI試驗。

????上海天文臺正在建設(shè)西藏日喀則和吉林長白山兩個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”兩個子網(wǎng)，將更好地滿足地月空間VLBI試驗、嫦娥七號需求，為后續(xù)多個月球與行星科學(xué)探測任務(wù)保駕護(hù)航。

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