VLBI空间大地测量技术原理简介与技术应用
摘要：深长基线干涉测量(VLBI)是重要的空间大地测量技术，本文主要简要介绍了VLBI的大地测量原理，以及VLBI在大地测量方面的一些应用。
关键词：VLBI
1.前言
空间大地测量在近20多年中获得了长足的发展，以VLBI、SLR、GPS、LLRDORIS 等为主要标志的空间测量技术大大推动了大地测量学的发展，也大大富了大地测量学，特别是空间大地测量学的研究内容。这些手段的应用将大加强大地测量控制网的强度和可靠性，尤其是在大尺度范围内，可大大改善度系统误差和其它系统误差的积累。VLBI极高的相对精度和分辨率，大大提高了如大地测量定位、参考框架的连接、地球自转和极移监测、估计地壳运动和绘制河外射电源图像等许多任务的精度水平。
2. VLBI大地测量原理
甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI )是本世纪六十年代末发展起来的一种全新的空间大地测量技术，它通过测定来自河外射电源的信号在两个接收天线之间的传播延时来精确求定地面点间的相对位置。VLBI 测量的几何原理如下图所示：
图2-1 VLBI几何原理图
射电源辐射出的电磁波通过地球大气到达地面，由基线两端的天线接收。由于地球自转，电磁波的波前到达两个天线的几何程差(除以光速就是时间延迟差)是不断改变的。两路信号相关的结果就得到干涉条纹。天线输出的信号进行低噪
声高频放大后，经变频相继转换为中频信号和视频信号。
由于两天线到某一射电源的距离不同，有一路程差L ，则射电信号的同一波前到达两天线的时间也不相同，有一时间延迟g τ根据图2-1的几何关系：
g
C L τ⋅=
（1）
其中C 为真空中的光速。 若设_B 为天线1到天线2的基线矢量，K 为被观测的射电源方向的单位矢量，则有：
⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=-K B C g 1τ
（2）
其对时间的倒数即为延迟率：
⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∂∂-=-K B t C g 1.τ
（3）
式(2)就是VLBI 从纯几何关系出发推出的时间延迟(几何延迟)。而实际 上，由于基线矢量随着地球自转在不断变化，射电源与测站之间也不是理想的 真空，在实际观测值中不可被免地包含了其它成份，因此vLBI 观测到的延迟 和延迟率比(2)、(3)式复杂的多，它们可以表示为:
++++=p i c g τττττ
（4）
++++=p i c g .....τττττ
（5）
式中c τ为两测站时钟的同步误差，i τ为两测站由于放大器、馈源、混濒 器等的不同而引起的时间延迟，p τ为大气层、电离层、行星之间等离子体等 引起的传播介质延迟。上述公式中与天线有关的参数都是在地心天球坐标系中描述的但这些通常是在地球坐标系给出的，所以必须通过必要的坐标旋转将它们转
换到地天球坐标系中。目前VLBI的参数解算是在历元JZOco.O对应的协议惯性参考系(CTS)中描述的，因此解算时必须通过一系列坐标转换将它从[CTS]转换到[CIS].两类坐标的转换关系为:
[CIS]=PNSW[CTS] (6) 式中P为岁差矩阵，是将瞬时平天球坐标系转换到历元JZ000.0对应的[CIS];N为章动矩阵，是将真天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系;S为地球
自转矩阵，是将瞬时极地球坐标系转换到真天球坐标系。W为极移矩阵，是将
历元平地球坐标系[CTS]转换到瞬时极地球坐标系。
3.VLBI技术应用
3.1 VBLI建立地球参考框架
VLBI空间大地测量技术提供了大量的观测数据，目前国际上对这些复杂数据的分析是由各数据分析中心来完成的，它们的目的是利用VLBI等空间技术建立协议地球参考框架(CTRF)。由VLBI CTRF通常表示为VTRF。
VTRF，它是由VLBI技术实现的参考框架，VLBI应用于大地测量，通过测量来自河外射电源的射电信号在两个测站间的时间延迟，来确定地面测站间的相对位置。由河外射电源可近似构成一个理想的惯性天球参考框架，于是VTRF便可直接与之相连。但VLBI站的地心坐标不能直接得到，因为VLBI观测值对地心并不敏感。严格意义上讲，仅利用VLBI技术是不能建立一个原点在地球质心的CTRF。实际中，通常采用VLBI-SLR并置观测，用SLR技术确定其地心坐标，这种方法的缺点是，若起始点坐标有误差将会传递到整个VTRF的网点。归纳起来，VTRF的特点是:
1)其原点是任意的，可以通过一组特选的射电望远镜所采用的地心坐标来确定。
2)其尺度通过电磁波在真空中的传播速度C的选择来确定。由于国际计量协会决定以S1秒定义米长，即“米长是1/299792458秒内在真空中通过的光程。”这样光速C被唯一地确定，相应地VLBI的尺度也随之被唯一确定。
3)其定向通过地球定向参数来确定。
VLBI是目前测定长基线最精密的技术，其缺点是仪器较庞大，价格太昂贵.因此建立并维持一个VTRF的花费也相当高.另一方面，目前的全球VLBI固定台
站分布也不均匀(现正通过流动站加以改善)，这也是VLBI所建立的高精度地球参考框架的一个缺点。
3.2空间VBLI在大地测量研究的应用
空间甚长基线干涉测量技术(SVLBI)是地面VLBI测量在空间的延伸，地基VLBI技术本质上是一个纯粹的几何测量技术，因为观测量对地球重力场不敏感。因此，地基VLBI既不能提供地心坐标系，也不能提供与地球重力场有关的信息。但是空间VLBI观测量中包含方向信息，而且观测量由于卫星运动对地球重力场敏感，我们有可能从这些观测量中估计一定的球谐系数，因此空间VLBI可以改进我们对地球重力场的认识。同时，空间VLBI对连接大地测量和地球动力学中使用的不同参考框架有重要意义。而且与现有的其他大地测量技术相比较，空间VLBI克服了现代卫星跟踪技术基本上观测距离和距离差而不包含直接的方向信息的缺陷。空间VLBI时间延迟和时间延迟率观测量包含方向信息。空间VLBI 观测量还可以独自使用或者同其他大地测量观测量联合使用，来估计大地测量和地球动力学的其他参数，包括测站坐标和偏差、射电源坐标以及时钟参数等。4.本文总结与自我评价
本文在参阅了教材与相关论文的基础上，简要介绍了VLBI大地测量原理，加深对VLBI定义和相关技术应用的理解。简要概括VLBI建立大地测量参考框架，并详细论述了VTRF的特点；另外空间VLBI作为地面VLBI测量在空间的延伸，它在大地测量和地球动力学方面很有应用潜力，这里概括性地介绍了其在大地测量研究方面的应用。
通过本次作业，我不仅加深了对《空间大地测量》第二章VBLI原理及应
用的理解，同时我从图书馆、网上下载看了多篇论文，丰富了自己的专业知识，进一步熟悉了解了论文材料的组织，论文结构的安排，论文结果的分析等等，受益匪浅。总而言之，魏老师布置安排的这四次作业，我都尽量严格要求自己努力认真去完成，虽然由于个人能力、知识储备等方面的限制，作业中存在不足之处，多谢魏老师的不吝指正和耐心批阅。
参考文献：
[1]李征航，魏二虎等.空间大地测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2010
[2] 魏二虎.我国空间VLBI系统的有关设计和模拟计算研究[D].武汉:武汉大
