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        太空活動時空基準的發展現狀與啟示

        發布時間:2022-12-02 11:59:59  |  來源:中國網·中國發展門戶網  |  作者:肖偉剛 齊朝祥  |  責任編輯:殷曉霞

        中國網/中國發展門戶網訊 太空活動通常指人類在距離地表100公里以上空間開展的活動。時空基準是人類測定和描述宇宙中事物時間和空間坐標的統一參考基準,包含了由真實天體和人造物體組成的參考框架和基準物體與基于人類協調統一定義的多層次時空參考系。

        由于星空中的遙遠天體恒久存在且運動規律精準可循,古往今來,時空基準的源頭均來自宇宙中的天體。其中,民用時間源自地球相對遙遠天體的自轉、空間方向基準源自地球自轉軸和公轉軸相對遙遠天體的方向,方向恒定不變的河外類星體也是良好的慣性基準。得益于天文學、物理學和測量學的發展,作為時空基準源頭的各類天體逐步被人類觀測并信息化。天文學家一般將運動學方式記錄方向變化緩慢的恒星和類星體等天體的位置、運動等信息表冊稱為星表;將以動力學方式記錄方向變化快速的太陽系天體的軌道數據表冊稱為歷表;將記錄脈沖星脈沖周期特征與脈沖星位置和運動等信息表冊稱為脈沖星星歷表。

        宇宙中包括多種類型的天體,發射著各種波段電磁輻射,相關測量在不同局域間給予技術實現。為了更好開展太空活動,需要有完善技術保證且系統統一的時空基準,多波段測量基準的統一是局域到全域深空飛行器定姿、定位和定軌的基礎。無論距離地球多遠,基礎性工作就是掌握星表歷表等時空基準源頭數據(圖1)。

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        太空活動時空基準涉及多學科交叉的理論和實踐,需要基礎研究和工程技術深度融合,其技術構建能力反映了一個國家的綜合科技實力,對于大國戰略安全、航天技術發展、深空探測水平和基礎物理發展具有重要意義。文章綜述了國內外技術現狀,對比分析了我國當前差距和問題,并提出了發展建議。

        太空活動的時間基準系統

        太空活動多由飛行器承載,1 ms時間誤差對應的飛行器位置偏差可達7m,故飛行器測控角度需時間統一[1]。這其中,地面原子鐘、星載原子鐘技術、緊密關聯地球自轉的世界時一類修正(universal time 1,UT1)實時測量技術、時間頻率同步與傳遞技術是支撐太空活動時間基準系統的核心技術。

        基于國際天文學聯合會(IAU)形成的國際規范,地球以外乃至整個太陽系內的任何太空活動對于時間測量的定義、變換規則、工程實現方法與地面處理方式一致,現有相對論時空度規理論已較好地支撐了人類一系列宇航深空探索活動[2]。需指出,按照廣義相對論,時空不可分割且測量具有局域性、并對所有觀測者都是“平權的”,對國際標準單位制的“SI秒”和“SI米”的直接測量并不限定地點或引力場。為了系統統一,需配套大范圍適用的變換規則,這是創建和使用時空基準的基本任務之一,并屬于基本天文學研究范疇。

        太空活動的空間基準系統

        空間是描述事件和物體的距離、方向坐標分量,空間基準系統是測定天地間所有物體和事件的距離、方向、姿態及其變化的參考系統,具體由國際天球參考架(international celestial reference frame,ICRF)、國際地球參考架(international terrestrial reference frame,ITRF)和地球定向參數(earth orientation parameters,EOP)等實體和參數實現。

        由于地球整體處于不斷的運動變化中,其空間姿態體現為時變的三維轉動,這個稱為EOP,它描述了國際地球參考系(international terrestrial reference system,ITRS)相對地心天球參考系(geocentric celestial reference system,GCRS)的運動姿態變化。EOP包括5個參數:描述地球自轉軸在慣性空間指向變化的2個歲差章動角;描述地球自轉軸相對于地球表面變化的2個極移角;描述地球繞自轉軸轉動的1個自轉角,即此角也用于計算UT1。這些參數構成了衛星軌道實時測算的重要依據。

        在IAU、國際大地測量學和地球物理學聯合會(IUGG)等國際聯合會共同領導的國際地球自轉與參考系服務機構(IERS)協調下,在各個參與國家提供觀測設施、參與數據處理分析、合作科學研究等多種形式合作下,基于甚長基線干涉測量(VLBI)、衛星激光測距(SLR)、衛星多普勒定軌定位(DORIS)、各類全球導航衛星系統(GNSS)以及多種類多波段的天文望遠鏡測量等系統,已創建了多套可免費獲取的全球統一ITRF、ICRF和EOP產品。目前最新的ITRF2014還考慮了地殼的非線性運動和地震的影響,精度得到進一步提高。

        在經典大地測量時代,大地基準以經緯度及高程表示,體現為國家、地區的區域特性。衛星導航技術出現后,全球衛星導航系統(GNSS)需與地面基準控制點和坐標取得協調。例如,美國全球定位系統(global positioning system,GPS)的WGS84坐標系統是1984年定義的國際協議,這是為GPS使用而建立的全球地面坐標系統,相當于某一時間點上的國際地面坐標標準;中國北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system,BDS)的BDCS坐標系統,則與中國測繪部門發布的大地坐標系CGCS2000一致。這類全球衛星導航系統與經典大地測量的區域性基準不同,需與ITRF連接進而實現全球統一。目前,美國最新的WGS84連接到了國際ITRF2008,而我國BDCS是連接到了ITRF2000。

        國內外太空活動時空基準發展現狀

        原子鐘和 UT1是把控時空系統的核心技術

        目前,衛星導航系統的時空基準均建立在地面,各衛星導航系統依靠全球或區域監測站的觀測數據測定衛星軌道和星上鐘差,并通過衛星播發廣播星歷和鐘差實現高精度時空基準的傳遞。所有導航衛星均配置了星載原子鐘,主要包括銣原子鐘、銫原子鐘和被動型氫鐘。美國海軍天文臺在原子時自主守時方面發揮了國際引領和主導作用。美國國家時間頻率準確度已達到10-15,時間同步精度達到納秒量級,在國際原子時產生中擁有最大權重。美國GPSIII衛星配置的增強型銣原子鐘日穩定度達到10-15量級。

        經過近20年的發展,我國守時和授時已達到國際一流水平,但由于缺乏10-16穩定度守時鐘技術,與美國存在性能上的差距。但BDS建設加速推動了技術進步,北斗三號衛星配置的銣原子鐘日穩定度達到了10-14量級,正加速追趕國際一流水平,被動型氫原子鐘日穩定度達到10-15量級,和歐洲伽利略星載氫鐘指標相當。

        UT1表征了地球的真實自轉角度,一切聯系地面和空間目標測量信息均需要這個量,使得其在國家標準時間產生、深空探測、衛星導航等領域有重要應用,其中多數情況需要實時或準實時UT1。例如,在2020年,由于新冠肺炎疫情致使居家辦公,美國GPS、俄羅斯全球衛星導航系統(global navigation satellite system,GLONASS)和歐洲伽利略衛星導航系統(Galileo satellite navigation system)曾聯名支持UT1的準實時國際聯測,以保持導航衛星系統的服務精度。光學照相測量技術也曾在UTI測量上發揮過重要作用,但精度相比于現今最精確的VLBI有量級差異。

        目前,國際上UT1數據產品的權威發布機構為IERS,測量UT1等參數需要全球VLBI觀測站網。為此,美國航天局戈達德空間飛行中心(GSFC)牽頭成立了國際測地與天體測量VLBI服務(IVS)機構,從而協調全球VLBI站網參加UT1的觀測、相關處理、數據分析,為IERS提供數據源。上海天文臺是IVS的正式成員和數據分析中心之一,自1987年開始參加國際聯測,目前每年參加約30次,不定期向IVS提供射電ICRF、ITRF和EOP等解算結果。在上海天文臺的支持下,國家授時中心和我國深空網均開展過UT1觀測實驗,有關單位合作初步構建了可代替互聯網UT1下載服務的能力,但由于剛起步,還未形成UT1服務的全產業鏈。

        目前我國UT1參數取自IERS,美國、俄羅斯等國家則一直保持獨立測定工作。但近年國際形勢突變,完全依賴國外產品存在嚴重安全隱患。為此,我國也積極部署,有望在近2年實現全套EOP參數獨立測量和自主產品服務能力,但在基礎科研、人才隊伍扶持等方面還有不足。

        星表和歷表研制技術

        國外星表與歷表發展

        國外有記載的最早星表是希臘人阿里斯提魯斯等于公元前260年所著的星表,包括近幾百顆星且位置精度都在1度水平。人類最早的星表是公元前360年我國石申等人編制的《石氏星經》,比國外早了近100年。但隨后歐洲科技發展提速,17世紀發明天文望遠鏡、19世紀發明天文照相術,積累了大量地面觀測數據。1988年,德國編制了亞角秒級FK5星表,在位置精度、恒星數目方面有了巨大提高,是當時國際最高精度的基準星表。1991年IAU決議采用銀河系外的類星體作為國際天球參考系的基準源,1997年歐洲航天局(ESA)第1顆天體測量衛星任務帶來了依巴谷星表,隨后開啟了空間天體測量的時代。依巴谷星表是國際天球參考系更新定義后的首次光學實現[9]。同一時期,天文學家在地面啟用了VLBI,基于近30年國際聯合觀測累積,截至目前已實現了射電天球參考架的4次升級,在數量、位置精度和頻段覆蓋寬度等方面均有很大提高。2013年ESA發射了蓋亞(Gaia)衛星,致力于持續積累觀測和處理數據,并分期發布星表產品。目前,Gaia任務成果發布的星數已達20多億,最終天體測量精度將達到5—10微角秒水平,這將會成為人類至今創建的最高精度和最高密度的ICRF。此外,國外還編制出了多個基于地面照相觀測的星表和針對其他特殊目的星表,如暗星星表、變星星表、黃道星表、導星星表、特殊紅外波段星表等。

        太陽系天體歷表在飛行器定軌、深空探索等方面發揮著不可替代的作用。有賴于地基天文觀測和深空探測數據的長期積累,太陽系天體歷表精度逐步提升。美國噴氣推進實驗室(JPL)自20世紀60年代開創了高精度數值歷表研究;70年代初,其發布的DE系列歷表成為世界標準。DE系列先后根據不同目的發表了多個版本,在天體數量、參數精度、時間跨度等方面不斷升級,當前最新版本為DE440/LE436。俄羅斯科學院應用天文研究所(IAA)從1974年開始獨立研制出了EPM系列歷表。法國歷書編算與天體力學研究所(IMCCE)從2003年起開始研制INPOP系列歷表,目前指標已達到美國DE系列歷表水平。目前國際上僅有美、俄、法3個國家具有公開發表高精度數值歷表的實力,并且實力還在不斷提升。

        我國星表與歷表發展

        由于歐美星表和歷表產品基本可滿足我國軍民領域的相關需要,故我國一直采取了國際合作的策略,對歐美星表和歷表產品以采用為主,貢獻有限。近幾年來,依托國內射電望遠鏡,上海天文臺開展了黃道帶天區的射電星表加密工作,并基于數字化施密特照相巡天數據,編制出我國第1部絕對自行星表(absolute proper motions outside the plane,APOP)。紫金山天文臺1984年起開始基于美國DE歷表編算天文年歷,并于2005年形成了PMOE2003(purple mountain observatory ephemeris 2003)歷表,但框架初值、物理和天文常數取自DE405,未能實現完全獨立自主。

        盡管我國目前缺乏國際權威產品,但在圍繞星表和歷表建立所需的天體力學、天體測量和行星科學方面已形成較為完善的學科基礎,掌握了微角秒級星表的相對論模型創建和軟件開發技術,星表和歷表研究評估的技術儲備扎實,潛力巨大。隨著深空探測任務的增多,合理利用我國構建的深空測控網[13],也能提升構建星表和歷表的能力。

        脈沖星計時觀測技術

        根據過去30年對脈沖星的不斷觀測,目前已知脈沖星的長期穩定度最高可達10-15,這距離當今最高精度原子鐘的穩定度還有一定差距,但自從1982年第1顆毫秒脈沖星PSR B1937+21被發現以來,在自然界探尋最高穩定度的脈沖星已成為天文學家的夢想,這也是太陽系及其外更大范圍深空乃至星際探索所需的潛在時空基準源之一。近期,ESA已開展了脈沖星時間標準方面的研究,即PulChron計劃,并部分實現了可溯源的脈沖星時間標準。國際上也逐漸形成了若干脈沖星計時陣合作組織,并聯合構成了國際脈沖星測時陣(international pulsar timing array,IPTA)。

        中國科學院新疆天文臺等單位長期開展脈沖星計時觀測,在脈沖星鐘頻率穩定度估計、綜合脈沖星時算法等方面積累了研究基礎和人才隊伍。但前期受限于設施測量能力水平,直到2016年500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)建成后,才實現了對少數脈沖星百納秒的測時精度,達到國際領先水平。但FAST在脈沖星觀測方面仍存在觀測時間不足、天區覆蓋有限、觀測頻率無法拓展到3GHz以上等短板。由此可見,我國脈沖星觀測與國際水平相比仍有較大差距。

        其他專用精密時空框架

        自1969年以來,歐盟、美國、俄羅斯、日本成功發展了基于人造信標的太空活動時空基準技術,包括月面和火星表面激光角反射器、地月之間主動激光測量、地火之間多普勒測量技術,并且在火星周圍運行多個中繼衛星。目前,歐盟、美國、俄羅斯、日本基于人造信標的太空活動時空基準技術已經發展到了第3代,把飛抵火星原有50%的失敗概率幾乎降低到了零。近年來,國內外專家均提出在地月空間通過探測器發播人工脈沖實現深空基準星座的技術,現國外已出版了相關技術的白皮書,而我國在個別方向上處于論證發展階段。目前,我國嫦娥四號中繼衛星僅承擔對月球著陸器的接力通信工作,不具備微波接力測量或構建基準的能力,且我國還沒在月面部署激光反射器。

        當前我國太空活動時空基準存在的主要問題和原因

        當前存在的主要問題

        盡管在個別方面有相當好的水平,但作為航天大國,我國太空活動時空基準的整體層面存在基礎設施水平不高、科研根基不實、不具備系統性產品服務能力、對國外依存度大的問題。

        目前,我國星表、歷表、地球自轉參數等數據主要來自國外組織機構的互聯網平臺,這不具有長遠性和可靠性。例如,在我國某些航天任務關鍵時刻,曾多次發生IERS臨時維護而暫時停止其EOP服務的事件;我國小天體探測任務目標2016HO3小行星和311P彗星在國內無實測數據,所以只能分析國外數據,且缺乏觀測驗證能力;我國有些太空遙感任務所需的紅外星表國外未共享,只能依靠光譜模型理論推算;北斗二號系統運行過程中,由于沒及時更新太陽系天體歷表,導致無法精確計算太陽和月亮對衛星的引力攝動,曾導致軌道計算和預報業務暫時中斷。

        長此以往,我國在衛星導航、近地小行星探測、空間安全、大地測繪等將逐步陷入基礎時空定位信息精度不斷下降以及難以校核的困境。

        當前問題的主要原因

        安全性戰略性認識不夠。我國在過去很長一段時間里對時空基準源頭建設重視不夠,忽略了其在衛星導航、深空探測和國防建設等方面的戰略意義。我國太空活動起步于火箭衛星等國防應用急需,起初精度要求也不高,尚未系統布局時空基準的設施建設,對于星表、歷表和EOP的作用價值也認識有限。其次,“拿來主義”思想使得我國科研人員形成了依賴國外產品的慣性,沒有深刻意識到星表、歷表等參數自主可控的重要性。

        歷史積累和研發投入不足。星表和歷表研制是極其浩繁的系統工程,需要大量精密先進的天基和地基觀測裝置,更需要長期的觀測積累。歐美國家在前人肩膀上持續更新提升,具有長期穩定的隊伍,沉浸于細致入微的理論和數據分析。我國對太空活動時空基準的源頭星歷表從未進行系統性計劃支持,投入不足,人才隊伍不穩定,設施發展遲緩。

        系統性科研與重大任務牽引缺失。我國相關單位在星表改進、天文年歷編算、太陽系小天體研究等方面,多是應零散性、臨時性、緊急性任務的要求而開展,科研服務國家重大需求的意識不強,滿足于應付眼前和一事一議,缺乏試用試錯再改進的機會,產品化能力和系統性積累不足,導致大量技術成果長期走不出實驗室。我國雖然在某些方向的研究水平能達到國際先進水平,但沒有形成面向各類航天任務統一的時空基準權威性框架產品,更沒有實現從科學研究到服務能力的持續轉化。

        在航天用戶部門方面,我國傾向于重大工程構建,并不關注其基礎性源頭性建設問題。然而,美國JPL的DE系列歷表很多更新就是為了具體深空探測任務所經歷引力場環境不同而研制的;法國INPOP系列歷表的發展則主要源自于ESA的Gaia天體測量任務和其觀測資料的微角秒級處理分析需求。由此可見,我國在太空活動相關時空基準方面的系統性科研與重大任務牽引上還缺乏基礎科研建設,并存在部分思想認識問題。

        發展思路建議

        我國正在從航天大國轉向強國的路上,空間活動正以前所未有的速度和力度從地球空間向地月空間、月球空間、太陽系行星際延伸,而諸如北斗工程、嫦娥工程、火星探測和小行星探測等重大航天工程任務,都要求掌握高精度時空基準源頭數據?!安环e跬步無以至千里”,面向空間重大活動需求,務必提高認識,強化任務工程化、工作持久化、能力系統化、成果服務化和研究國際化的思維與理念,以盡早為我國太空活動提供自主可控且國際先進的各類時空基準服務。建議發展對策如下:

        加強基礎研究。建議在國家層面對太空活動時空基準的基礎研究給予穩定支持,主要包括:加強新型高精度原子頻率標準相關的原子物理學、量子力學等前沿科學研究,并加強基礎材料工藝攻關;開展相對論框架下的照相天體測量模型研究、數據處理方法研究等工作,為獨立創建紅外星表奠定基礎;深入開展相對論時空理論以及與之密切相關的引力場參數測定研究,深化太陽系天體動力學建模研究;深入開展脈沖星計時和定位探測技術,解析低頻噪聲來源,建立脈沖星歷表,這是任何利用脈沖星構建時空基準系統所無法繞開的基礎工作。

        加強頂層設計。要加強國家層面頂層設計與協調論證。太空活動時空基準的構建是一項涉及多學科、多技術的戰略性系統工程,不能全靠零散科研,必須從國家頂層上加強對應用需求、任務目標、技術方案的設計和論證,建立國家級的專業人才隊伍,研究促進航天任務和天文科研有機協同機制。

        加強資源統籌。調研既有技術條件,集約化利用已有存量,理清體系關系,統籌相關規劃。統籌不同渠道安排的觀天測地設施,從而高性價比地實現對太陽系行星和基本物理參數進行自主高精度測量。例如,應用上協調好設施能力、地理位置、時段分配和聯測需求,合理規劃調配;深入開發我國探月工程、深空探測計劃的產出潛能;在每次任務中增加行星觀測實驗,設置合作探測目標。

        加強觀測能力。加快補齊觀測設施短板,增補構建若干地基和天基專用系統。例如,為高精度自主化提供UT1實測數據并兼顧精化ICRF,應研究布局天地一體的VLBI聯測系統;針對脈沖星開展以FAST為核心,并適當增補中小型射電裝置陣列的能力建設。這不僅能補足脈沖星觀測短板,還能通過VLBI組網實現脈沖星星歷表與射電星表的連接和加密,也將為人類開展深空甚至星際探索提供潛在的時空基準源。

        加強國際合作。在EOP和UT1產品服務能力方面,貢獻我國近些年部署的觀測設施和數據,爭取牽頭組織空間基準方面的國際聯測活動,帶動服務能力提升;在射電星表方面,繼續加強與美國國家航空航天局(NASA)在空間大地測量方面的合作,積極參與國際聯測和數據處理,加速提高自主創建射電星表的能力;在光學星表方面,繼續深化與ESA的Gaia項目合作,在相對論模型創建、觀測圖像微角秒級數據處理、星表獨立評估等方面深度參與;在太陽系歷表方面,加強同美、俄、法的合作交流,積極牽頭組織國際計劃,增強國際話語權。我國曾作為核心參與IAU關于太陽系時間系統轉換理論創建和規范制定工作,在基本天文學領域有了一定的國際影響力。要高舉構建人類命運共同體目標,繼續堅持國際化視野和胸懷,持續積極推動國際合作。

        (作者:肖偉剛,中國科學院重大科技任務局;齊朝祥,中國科學院上海天文臺?!吨袊茖W院院刊》供稿)


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