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嫦娥六號(hào)回家啦！6月25日，嫦娥六號(hào)攜帶1935.3克月背樣品成功返回，實(shí)現(xiàn)了人類首次月背采樣返回的壯舉。這次任務(wù)也為中國(guó)探月工程立項(xiàng)20周年獻(xiàn)上了一份大禮。

20年來，我國(guó)不僅成功實(shí)施了月球探測(cè)任務(wù)，還成功實(shí)施了火星探測(cè)任務(wù)，開啟全面建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)新征程。這其中，甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)發(fā)揮了重要作用。

中國(guó)科學(xué)家的智慧和勤奮，令這一技術(shù)大放異彩，也令國(guó)際學(xué)術(shù)界贊嘆：將準(zhǔn)實(shí)時(shí)VLBI技術(shù)應(yīng)用于月球與深空探測(cè)，已經(jīng)成為特色鮮明的中國(guó)招牌！

而VLBI技術(shù)同中國(guó)結(jié)緣，歸功于今年已97歲高齡的中國(guó)科學(xué)院院士葉叔華。

1?不跟上 就落后

射電望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，看得越清楚，但成本也越高，且口徑不可能無限增大。于是，科學(xué)家想出一個(gè)辦法，把兩臺(tái)或多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組合成一臺(tái)“巨型望遠(yuǎn)鏡”，這就是VLBI技術(shù)。每?jī)膳_(tái)望遠(yuǎn)鏡之間的距離就是它的等效口徑，也叫基線?；€越長(zhǎng)，這只“巨眼”看得就越清楚。

例如，人類首張M87黑洞照片就是天文學(xué)家利用全球8臺(tái)VLBI射電望遠(yuǎn)鏡獲得的。最長(zhǎng)基線達(dá)到1.2萬公里，接近地球直徑，是人類在地球上能夠獲得的最長(zhǎng)基線。

VLBI技術(shù)自20世紀(jì)60年代問世以來，一直是所有天文觀測(cè)技術(shù)中空間分辨率最高的，比哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的分辨率高數(shù)百倍。

20世紀(jì)70年代初，時(shí)任中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱上海天文臺(tái)）時(shí)間緯度測(cè)量研究室負(fù)責(zé)人的葉叔華從一份國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上看到，新出現(xiàn)的VLBI和人造衛(wèi)星激光測(cè)距等技術(shù)，測(cè)量精度比傳統(tǒng)技術(shù)提高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，推動(dòng)天體測(cè)量界發(fā)生了革命性變革。

葉叔華判斷，我國(guó)如果不及時(shí)發(fā)展這些新技術(shù)，將來勢(shì)必要落后。

在她的積極建議下，上海天文臺(tái)將VLBI、人造衛(wèi)星激光測(cè)距及氫原子鐘等新技術(shù)確定為新開拓領(lǐng)域，1973年組建射電天文研究小組，正式開啟VLBI技術(shù)預(yù)研工作。

天文觀測(cè)由于極度依賴設(shè)備，常被戲稱為“富人的游戲”。葉叔華提出，先在上海佘山建設(shè)25米口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

要建這么大的射電望遠(yuǎn)鏡，首先要解決經(jīng)費(fèi)問題。

葉叔華單槍匹馬來到當(dāng)時(shí)的第四機(jī)械工業(yè)部（以下簡(jiǎn)稱四機(jī)部），找到相關(guān)工作人員詢問能否支持建設(shè)一個(gè)25米口徑射電望遠(yuǎn)鏡。對(duì)方頭都沒抬就說不行。葉叔華站了一會(huì)兒，又提出：“我能不能見部長(zhǎng)？”對(duì)方這才抬起頭來，仔細(xì)打量這位貌不驚人的女科學(xué)家。沒想到，主管相關(guān)工作的四機(jī)部副部長(zhǎng)王士光真的接待了她，并同意支持。

這次主動(dòng)爭(zhēng)取為上海天文臺(tái)帶來一次發(fā)展機(jī)遇，也為30年后的嫦娥探月埋下伏筆，但在當(dāng)時(shí)卻引發(fā)了不小的爭(zhēng)議。

在那個(gè)經(jīng)費(fèi)緊缺的年代，學(xué)界流傳著一種說法：天文學(xué)研究的經(jīng)費(fèi)都被葉叔華一個(gè)人用完了。還有人質(zhì)疑：射電天文都是有錢人搞的，我們能搞嗎？

事實(shí)證明，我們確實(shí)可以?；貞浧鹜拢~叔華笑著說：“只要我想做一件事，是會(huì)奮不顧身的?！?/p>

2?從無到有

要進(jìn)行VLBI測(cè)量，至少需要兩臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡形成干涉信號(hào)，最好是3臺(tái)。

葉叔華根據(jù)我國(guó)國(guó)情，提出在上海、昆明、烏魯木齊三地建設(shè)觀測(cè)站，形成中國(guó)VLBI網(wǎng)。這一三角形基本覆蓋我國(guó)國(guó)土面積，最長(zhǎng)基線為從上海到烏魯木齊約3200公里。

經(jīng)過5年預(yù)研，1978年，在中國(guó)科學(xué)院和四機(jī)部聯(lián)合召開的論證會(huì)上，上海天文臺(tái)正式提出這一技術(shù)方案，并在次年獲準(zhǔn)立項(xiàng)。

但難度依然很大?！爱?dāng)時(shí)只知道要做什么，卻不知道怎么做。”葉叔華說。VLBI技術(shù)是一項(xiàng)高精尖技術(shù)，在我國(guó)完全是空白，只能邊學(xué)邊干。

一次偶然的邂逅給此事帶來轉(zhuǎn)機(jī)。

1978年，葉叔華在接待歸國(guó)訪問的美籍華人科學(xué)家郭宗汾時(shí)介紹了自己的工作，對(duì)方非常驚訝地說：“這么難的東西難道你們閉門自己做嗎？”

在他的幫助下，葉叔華等人第一次訪問了美國(guó)。當(dāng)?shù)弥袊?guó)準(zhǔn)備發(fā)展VLBI技術(shù)時(shí)，美國(guó)同行吃了一驚，因?yàn)槊绹?guó)也僅發(fā)展了十來年，并不成熟。

“到現(xiàn)在都很感謝他，加快了我們的研發(fā)進(jìn)度?！比~叔華表示，這次經(jīng)歷打開了上海天文臺(tái)“請(qǐng)進(jìn)來、走出去”的大門。

1976年以來一直在上海天文臺(tái)從事VLBI工作的錢志瀚清晰地記得，1979年美元對(duì)人民幣的匯率不到1：2，后來一路上揚(yáng)，最高達(dá)到1：8，由于項(xiàng)目是按人民幣編制預(yù)算的，致使經(jīng)費(fèi)總是不夠用。大家想了很多辦法，比如少買一點(diǎn)部件、安排專人自學(xué)自研等。

“VLBI是國(guó)際合作很密切的項(xiàng)目?！卞X志瀚記得，他第一次去美國(guó)參加學(xué)術(shù)會(huì)議，報(bào)告了中國(guó)第一個(gè)VLBI觀測(cè)站的建設(shè)過程，當(dāng)展示上海佘山25米口徑射電望遠(yuǎn)鏡天線的照片時(shí)，會(huì)場(chǎng)上響起熱烈的掌聲。

“當(dāng)時(shí)他們覺得中國(guó)挺落后的，能干這個(gè)事情很意外，也愿意跟我們合作?！卞X志瀚表示。

1987年10月，上海佘山25米口徑射電望遠(yuǎn)鏡終于建成，次年開始參加國(guó)際聯(lián)測(cè)。這是我國(guó)首個(gè)真正意義上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的VLBI測(cè)量系統(tǒng)，1991年獲得中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，1993年獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

上海天文臺(tái)佘山25米口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

隨后，葉叔華又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在新疆烏魯木齊南山建設(shè)中國(guó)第二臺(tái)25米射電望遠(yuǎn)鏡，1994年建成后，中國(guó)VLBI網(wǎng)終于有了第一條基線。

由于地處歐亞大陸腹地，獨(dú)特的地理位置和先進(jìn)的配置使得該望遠(yuǎn)鏡在國(guó)際VLBI觀測(cè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。后來，中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)全程參與了我國(guó)探月工程的測(cè)軌任務(wù)和火星探測(cè)任務(wù)，有力支撐了我國(guó)航天科技的發(fā)展。

1994年，葉叔華（左二）參加烏魯木齊25米射電望遠(yuǎn)鏡揭幕儀式。

3?國(guó)際首創(chuàng)

20世紀(jì)末，國(guó)家正式組織探月工程論證，中國(guó)科學(xué)院是重要的參與單位之一。

當(dāng)時(shí)，對(duì)探月航天器的測(cè)控成為重大難題：成熟的無線電測(cè)距測(cè)速技術(shù)，最遠(yuǎn)測(cè)控距離可達(dá)約8萬公里；但嫦娥一號(hào)衛(wèi)星進(jìn)入繞月軌道后，最遠(yuǎn)距離達(dá)40萬公里。如何突破這一技術(shù)瓶頸？

本世紀(jì)初，上海天文臺(tái)提出將VLBI技術(shù)應(yīng)用于探月衛(wèi)星實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)軌的建議，結(jié)合我國(guó)已有的航天測(cè)距測(cè)速技術(shù)，共同完成高精度測(cè)定軌及定位任務(wù)。

上海天文臺(tái)研究員、原臺(tái)長(zhǎng)洪曉瑜介紹，原有的測(cè)距測(cè)速方法，其長(zhǎng)處是視向測(cè)量，而VLBI的長(zhǎng)處為橫向測(cè)量，兩者結(jié)合，相輔相成，是“一加一大于二”，可以測(cè)定航天器的瞬時(shí)三維位置、實(shí)現(xiàn)短弧段精確定軌。

這一提議極為巧妙，也極為大膽。國(guó)際上，美國(guó)是首個(gè)將VLBI用于航天的國(guó)家，曾在阿波羅計(jì)劃中用射電天文干涉的辦法測(cè)量了月球車的路線。我國(guó)則是首個(gè)將VLBI用于航天器實(shí)時(shí)測(cè)軌的國(guó)家。

葉叔華回憶：“當(dāng)時(shí)我們?cè)趪?guó)際會(huì)議上作報(bào)告，大家都聽呆了，因?yàn)樘煳膶W(xué)界沒這么干的。天文觀測(cè)向來是今天觀測(cè)不了就明天再看，但我們用到探月工程上要出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，絕不能出任何差錯(cuò)?！?/p>

后來，能否及時(shí)提供測(cè)量數(shù)據(jù)也成為總體技術(shù)方案論證時(shí)的最大質(zhì)疑。到底有沒有十足的把握？

上海天文臺(tái)科研人員經(jīng)過調(diào)研與分析，認(rèn)為通過在國(guó)內(nèi)建設(shè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)采用人工智能技術(shù)，可以大大節(jié)省時(shí)間。因此，上海天文臺(tái)在首次探月工程的總體技術(shù)方案討論會(huì)上鄭重承諾：向北京航天飛行控制中心提供VLBI測(cè)軌數(shù)據(jù)的滯后時(shí)間不超過10分鐘。

最終，探月工程總體領(lǐng)導(dǎo)采納了上海天文臺(tái)的建議。由此，上海天文臺(tái)牽頭聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院所屬的其他幾個(gè)天文臺(tái)，于2007年建成了“四站一中心”的中國(guó)VLBI測(cè)軌網(wǎng)，涵蓋上海佘山、新疆烏魯木齊、北京密云和云南昆明四地的射電望遠(yuǎn)鏡；同時(shí)在上海天文臺(tái)建設(shè)VLBI數(shù)據(jù)處理中心，并與電信部門合作建立高速數(shù)據(jù)通信線路，有效保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2007年10月24日，我國(guó)首顆探月衛(wèi)星嫦娥一號(hào)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)最終在6分鐘內(nèi)將VLBI測(cè)軌數(shù)據(jù)發(fā)送至北京航天飛行控制中心。

洪曉瑜感嘆：“中國(guó)科學(xué)院這一項(xiàng)長(zhǎng)期的基礎(chǔ)研究，終于在國(guó)家戰(zhàn)略領(lǐng)域得到成功應(yīng)用?！?/p>

但大家并未止步于此，依靠進(jìn)一步的能力提升和技術(shù)進(jìn)步，從嫦娥三號(hào)開始，通過改進(jìn)算法、提高算力、改進(jìn)流程，VLBI測(cè)軌實(shí)時(shí)性已經(jīng)縮短到1分鐘以內(nèi)，并保持至今，是目前國(guó)際最高水平。一個(gè)曾經(jīng)想都不敢想的數(shù)據(jù)，中國(guó)科學(xué)家通過自己的努力做到了。

探月工程首任總設(shè)計(jì)師、中國(guó)科學(xué)院院士孫家棟曾評(píng)價(jià)：VLBI的加入使我國(guó)探月工程立項(xiàng)至少提早了5年。如果沒有VLBI加入，解決短弧高精度定軌難題，還需要再建幾個(gè)大型的測(cè)控站，至少要多5年時(shí)間。

對(duì)于我國(guó)兩種測(cè)軌技術(shù)的作用，探月工程首任總指揮、中國(guó)工程院院士欒恩杰有一個(gè)很形象的表述：VLBI測(cè)角和測(cè)距測(cè)速不是相加而是相乘的關(guān)系，“缺少任何一項(xiàng)，最后的結(jié)果都是0”。

4?從未失手

在嫦娥一號(hào)之后，嫦娥二號(hào)實(shí)現(xiàn)環(huán)月飛行，嫦娥三號(hào)在月面軟著陸，嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸，嫦娥五號(hào)獲得1731克月壤樣品，嫦娥六號(hào)首次獲得月球背面月壤樣品……其間，VLBI屢立戰(zhàn)功。

2020年12月17日，嫦娥五號(hào)圓滿完成我國(guó)首次月球采樣返回任務(wù)。那天凌晨，93歲的葉叔華來到上海天文臺(tái)VLBI深空探測(cè)指揮控制中心，與年輕人一起見證這個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。

2020年12月，嫦娥五號(hào)著陸器成功落月后，葉叔華在上海天文臺(tái)VLBI深空探測(cè)指揮控制中心與臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)和科研團(tuán)隊(duì)合影。

當(dāng)年那位為國(guó)家科技發(fā)展出高招的中年人已到鮐背之年。她叮囑大家：“千萬要記得，這是國(guó)家重要的事情。凡是國(guó)家需要的，我們都要做好?！?/p>

葉叔華清醒地指出：“國(guó)際評(píng)價(jià)是依據(jù)你做出了什么，現(xiàn)在國(guó)際上都在看著，做好了沒人來夸我們，但是做壞了就影響國(guó)家的體面，好在我們從來沒有失手過。”

從嫦娥一號(hào)到嫦娥六號(hào)，任務(wù)難度不斷升級(jí)，中國(guó)科學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)的能力也在不斷提高。

上海天文臺(tái)研究員鄭為民在加入VLBI項(xiàng)目組后，主攻核心設(shè)備VLBI處理機(jī)的研發(fā)。在認(rèn)識(shí)到軟件處理機(jī)是趨勢(shì)后，他用5年時(shí)間瞄準(zhǔn)一件事——開發(fā)相關(guān)處理軟件。他說：“只要是國(guó)家有重大需求的領(lǐng)域，都是我們值得做的。”

2012年，高約70米、重約2700噸的上海65米口徑天馬望遠(yuǎn)鏡落成，這是一臺(tái)全方位可轉(zhuǎn)動(dòng)的大型射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，綜合性能位居世界同類型射電望遠(yuǎn)鏡前三。2013年，它作為主力測(cè)站參與嫦娥三號(hào)VLBI測(cè)定軌任務(wù)，使得測(cè)軌精度有較大提高，在后續(xù)任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

上海天文臺(tái)65米口徑天馬望遠(yuǎn)鏡。

到嫦娥五號(hào)任務(wù)時(shí)，為滿足對(duì)軌道器與上升器同時(shí)測(cè)軌的需求，上海天文臺(tái)突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)際上首創(chuàng)了“動(dòng)態(tài)雙目標(biāo)同波束實(shí)時(shí)VLBI測(cè)軌系統(tǒng)”，采用一個(gè)VLBI網(wǎng)，助力我國(guó)首次月面起飛以及人類首次月球軌道無人交會(huì)對(duì)接任務(wù)圓滿完成。

“看人挑擔(dān)不吃力。別人以為很容易的事情，其實(shí)很難做到。這些年輕人非常了不起！”葉叔華贊嘆。

洪曉瑜也表示，過去做天文學(xué)研究，喜歡自由探索；現(xiàn)在融入國(guó)家航天事業(yè)，更深刻地感受到使命感。

正是因?yàn)闈M足了國(guó)家需求，該科研團(tuán)隊(duì)先后兩次作為主要參加單位獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

5?目標(biāo)星辰大海

嫦娥探月六戰(zhàn)六捷，但這并不是極限。2020年，我國(guó)實(shí)施首次火星探測(cè)任務(wù)，天問一號(hào)在火星表面首次留下中國(guó)印跡。

從地球到火星，最遠(yuǎn)距離4億公里，歷時(shí)7個(gè)月，是誰在指路？答案還是VLBI與測(cè)距測(cè)速聯(lián)合作業(yè)。

2021年2月10日，天問一號(hào)與火星交會(huì)，成功實(shí)施捕獲制動(dòng)，進(jìn)入環(huán)繞火星軌道。那一天，上海天文臺(tái)研究員劉慶會(huì)經(jīng)歷了人生中最難熬的11分鐘。

由于月球距離較近，成功捕獲后，地面幾乎是實(shí)時(shí)知道消息。而當(dāng)時(shí)火星距離地球2億公里，當(dāng)信號(hào)成功傳回地球時(shí)，已經(jīng)過去了整整11分鐘。

“這難熬的11分鐘里，整個(gè)大廳一片寂靜，所有人的心都懸著。一直等到遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示捕獲成功，大家才松了一口氣?！眲c會(huì)回憶說，其實(shí)當(dāng)時(shí)緊張也沒用，就算發(fā)現(xiàn)有問題，已經(jīng)過去了11分鐘，地面來不及做任何干預(yù)。也正因如此，天問一號(hào)上天前，大家進(jìn)行了200%的準(zhǔn)備工作。

2021年春節(jié)期間，天問一號(hào)成功環(huán)繞火星，上海天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)在VLBI深空探測(cè)指揮控制中心合影。

從中國(guó)開展探月以來，歷次發(fā)射均告成功，這是否意味著此事毫無懸念？

劉慶會(huì)表示絕非如此?！袄习傩沼X得咱們國(guó)家放上天的東西肯定能成功，其實(shí)我們現(xiàn)場(chǎng)的人都快嚇?biāo)懒?。畢竟是第一次前往火星，心里沒底?？赡艿挠绊懸蛩靥嗔?，拼命考慮了100個(gè)因素，還擔(dān)心是不是有第101個(gè)。”他說，“要是提前知道標(biāo)準(zhǔn)答案就好了，但那就不叫探索未知了，探索只能摸黑往前走?！?/p>

未來幾年，我國(guó)還將密集實(shí)施嫦娥七號(hào)、天問二號(hào)等任務(wù)。由于深空探測(cè)工程發(fā)展迅猛，VLBI網(wǎng)的觀測(cè)目標(biāo)從過去幾年一個(gè)，發(fā)展到一年幾個(gè)，甚至一次任務(wù)中需要同時(shí)測(cè)量不同天區(qū)的兩個(gè)目標(biāo)探測(cè)器，現(xiàn)有的“四站一中心”模式已無法滿足這一需求。

“雖然VLBI這個(gè)用法我們現(xiàn)在是世界第一，但是不能自滿，還要再建兩個(gè)站！”葉叔華在談到未來時(shí)依然壯心不已。

目前，上海天文臺(tái)正在西藏日喀則和吉林長(zhǎng)白山建設(shè)兩臺(tái)40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡。建成之后，中國(guó)VLBI網(wǎng)將形成“六站一中心”的局面，任意3個(gè)站一組形成兩個(gè)子網(wǎng)，像兩只“巨眼”同時(shí)測(cè)量不同天區(qū)的兩個(gè)探測(cè)器，綜合測(cè)量能力提升一倍，最長(zhǎng)基線延長(zhǎng)至3800公里。

科學(xué)無止境，科學(xué)家永不滿足。空間VLBI被認(rèn)為是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，也就是將VLBI望遠(yuǎn)鏡發(fā)射至太空，大幅延長(zhǎng)基線。

今年3月20日發(fā)射的鵲橋二號(hào)中繼星就搭載了上海天文臺(tái)研制的月球軌道VLBI試驗(yàn)系統(tǒng)，將使VLBI基線的長(zhǎng)度延伸到地月距離。我國(guó)也將成為繼美國(guó)、日本、俄羅斯之后，世界上第四個(gè)在空間開展VLBI科學(xué)試驗(yàn)的國(guó)家。

展望未來，隨著航天科技的進(jìn)步，中國(guó)VLBI技術(shù)的發(fā)展還將迎來新高潮。

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-07-12?第4版?專題）